《物理世界》十大突破獎
在2019年取得的眾多科學進展中，《物理世界》（Physics World）雜誌刪選出了其中10個具有突破性的進展。這些進展包括拍攝到黑洞的第一張照片、谷歌發布量子計算晶片、探測到電荷-宇稱對稱性破壞等。
1、第一張黑洞照片
第一張黑洞照片 | EHT Collaboration
照片中的黑洞距離地球5500萬光年，位於遙遠的室女座A星系的中心，它的質量是太陽的65億倍。明亮的圓環是圍繞在黑洞吸積盤周圍的氣體和塵埃，它們被加熱到幾十億度，在射電波段發射出明亮的光芒。在黑洞周圍，極強的引力使得物質和能量都無法逃離。
事件視界望遠鏡由分布在全球六個不同地點的多個射電望遠鏡共同組成，其口徑相當於整個地球直徑那麼大，它們共同拍攝了黑洞的第一張照片，這本身就是一個工程上的突破。
- 延伸閱讀：《首張黑洞照片參與者親述：我們怎樣給黑洞拍照 | 附專家採訪》
2、神經修復裝置可將大腦活動轉化為語言
語音在大腦的聽覺中樞激發神經活動，科學家據此可以重建原來的語音。
科學家開發了一種神經修復裝置，它能根據神經活動來重建語音。對於那些無法說話的人，比如癱瘓病人及中風患者，這台神經修復裝置可以幫助他們重新獲得與外界溝通的能力。除了醫學應用之外，將一個人的想法直接翻譯成語言也為實現計算機與大腦的直接交流提供了新方法。
3、第一次探測到火星星震
「洞察」號火星探測器 | NASA
2019年4月6日，「洞察」號火星探測器第一次探測到了「火星星震」。科學家認為，這場微小的星震起源於火星內部，不是風或其他火星表面現象造成的。如今，在地球之外，人類探測到星震活動的星球包括火星和月球。並且火星同月球一樣，沒有構造板塊，因此在星震活動方面預計會比地球安靜得多。對火星星震的研究可以為我們提供關於火星內部構造和火星形成的重要信息。
4、粲粒子中發現CP對稱性破壞
D0介子與反D0介子的衰變速率差異證明了電荷-宇稱對稱性的破壞。| CERN
在歐洲核子研究中心（CERN）進行 LHCb 實驗的物理學家們第一次測量了粲介子中的電荷-宇稱（Charge-parity, CP）對稱性破壞。通過測量D0介子（包含一個粲夸克）與反D0介子衰變為一對K介子/反K介子或一對π介子/反π介子的速率差異，研究小組發現了電荷-宇稱對稱性的破壞。由於D0介子和反D0介子衰變會產生相同的物質，LHCb 團隊面臨的最大挑戰是確定衰變事件是與D0相關還是與反D0相關。雖然這一最新的測量結果與我們目前對電荷-宇稱對稱性破壞的理解是一致的，但它為尋找標準模型之外的物理打開了可能性。
5、「小大電感線圈」創造破紀錄的連續磁場
被稱為「小大電感線圈（Little Big Coil）」的高溫超導體磁體只有捲紙筒那麼大。| Stephen Bilenky/National MagLab
來自美國國家強磁場實驗室（MagLab）的 Seungyong Hahn 和同事們在實驗室里創造了有史以來最強的連續磁場。他們使用一種被稱為「小大電感線圈（Little Big Coil）」的緊湊高溫超導體磁體創造了45.5T的磁場強度記錄。之前關於磁場強度的最高記錄是45T，由一塊重達35噸的磁鐵所創造，而MagLab的設備只有390克。實驗人員在設計磁體時原本期待獲得更高的磁場，但磁體在運行過程中損壞。這項突破可以用於在一系列應用場合中改進強磁場磁體，包括醫學磁共振成像、粒子加速器和聚變裝置等。
6、卡西米爾效應為微小物體製造「量子陷阱」
一小片金箔穩定地處在吸引力與排斥力的平衡點。| Science (2019). DOI: 10.1126/science.aax0916
來自加州大學伯克利分校的張翔實驗室第一次實現了利用卡西米爾效應來捕捉微小物體。卡西米爾效應是一種奇異的現象，由電磁場的真空漲落所引起。當兩塊平行的金屬板足夠靠近時，真空中的一些電磁波會被擠壓出去，導致周圍的能量高於金屬板之間的能量，推動金屬板相互靠近，所以卡西米爾效應通常表現為一種吸引力。然而，通過在一塊金屬板上覆蓋一層特氟龍薄膜，則可以實現可調節的吸引力與排斥力的組合，在沒有能量輸入的情況下，使一小片金箔穩定地處在兩塊板之間吸引力與排斥力的平衡點。
測量俘獲過程中的微小作用力對光學計量學有著很高的要求，光學計量學使人們可以更好地了解卡西米爾力如何影響微機械設備的運行。如果能進一步控制卡西米爾力，我們甚至有可能在實際應用中使用被捕獲的粒子。
7、反物質量子干涉技術
（左）實驗設備；（右）單個電子的衍射圖樣。| Politecnico di Milano
正電子和雷射的量子干涉與引力協作（QUPLAS）項目第一次使用反物質進行了雙縫干涉實驗。實驗人員向周期放大的雙光柵 Talbot-Lau 干涉儀發送一束正電子（反電子），結果發現這些反粒子具有類似於波的行為，並且會發生量子干涉現象。他們還觀察到，正電子的衍射圖樣會隨著正電子束能量的改變而改變。這項突破可能會引領更多的實驗來尋找物質和反物質量子性質之間的差異。
8、量子計算機的表現超越傳統超級計算機
Google量子計算晶片。| NTRS/NASA
谷歌量子 AI 團隊發布了由53個可編程超導量子比特組成的量子晶片。對於一些特定問題，量子計算機具有明顯的「量子優勢」，比傳統計算機的計算時間要短很多。利用這個晶片，量子計算機對一個實例執行100萬次計算需要約200秒，而傳統的超級計算機要完成同樣的任務大概需要一萬年。儘管批評人士稱，超級計算機的實際運算時間大概只需要2.5天，但量子計算機在這方面仍有明顯的優勢。
- 延伸閱讀：《IBM駁斥谷歌，量子霸權 VS 量子優勢，量子計算離我們還有多遠？》
9、利用原子捕獲干涉測量微小引力
在地球的引力場中，雷射產生的駐波讓原子懸停在空間上分離的量子疊加態。| Sarah Davis
來自加州大學伯克利分校的科學家們開創了一種新方法，利用被捕獲的原子測量引力造成的局部加速度。原子首先在空間中垂直分離，然後再重新組合時會產生干涉圖樣，他們據此設計了「量子引力儀」。大多數引力儀是測量原子在空間墜落時所受到的引力作用，但這台裝置是讓原子懸停在一個光阱中，並與引力場相互作用，時間長達20秒。這種方式提高了測量的靈敏度，為從地球物理勘探到基本力的測量等諸多應用鋪平了道路。
10、發明兒童使用的可穿戴 MEG 掃描儀
一個兩歲的兒童在使用新的「自行車頭盔」式腦磁圖掃描儀。| Rebeccah Slater
科學家開發了一種輕便的「自行車頭盔」式腦磁圖（MEG）掃描儀，用於測量兒童進行日常運動時的大腦活動。傳統的 MEG 系統使用安裝在一個固定尺寸頭盔中的低溫冷卻傳感器來測量大腦產生的微小磁場，這種頭盔體積龐大，對任何頭部運動都高度敏感。而這種新的頭盔使用了輕型光泵磁力儀，重量只有500克，可以適應任何頭部形狀或大小。這台掃描儀目前已經被用於一個兩歲的兒童、一個五歲的看電視的小孩、一個玩電腦遊戲的青少年，和一個彈奏烏克麗麗的成年人。
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