物理科研项目

新甘肃客户端兰州讯（新甘肃·甘肃日报记者 李满福）近日，中科院近代物理所科研成果“首次合成近质子滴线百纳秒寿命超铀新核素222Np”入选《科技导报》评选出的2020年度“中国十大重大科学进展。222Np是近代物理所继发现新核素219,220,223, 224Np之后，在该同位素链中发现的又一个新核素。科研人员利用兰州重离子加速器的充气反冲核谱仪SHANS装置，首次合成了Np新同位素核222Np。这几乎达到了该类装置研究短寿命核素的极限。该成果于2020年7月13日发表在Physical Review Letters上。入选2020年度“中国十大重大科学进展”报道截图。另外，中科院近代物理所团队参与的“世界最强流深地核天体物理加速器成功出束”入选 《科技导报》评选出的2020年度“中国十大重大工程进展”。该团队发挥在强流离子源技术方面的优势，根据深地实验的极低本底要求，研制成功深地实验强流离子源系统，并于2020年12月14日在锦屏深地实验室成功出束。参与项目入选2020年度“中国十大重大工程进展”报道截图。《科技导报》1980年由杨振宁、李政道等美籍华裔科学家倡议在美国创办，1984年转至中国办刊并正式建社，1986年成为中国科协学术会刊。《科技导报》以发表国内外科学技术各学科专业原创性学术论文为主，为中国科协的综合性学术会刊。（文中素材由中科院近代物理所提供）

有一种材料被认为有望实现量子计算机的制造，帮助人们进入量子计算时代。这种粒子就是马约拉纳费米子(Majorana fermion)。斯坦福大学的张首晟教授为手性马约拉纳费米子起了一个名字：“天使粒子”。北京时间2018年8月17日凌晨，Science 预印版(first release)上线了来自中科院物理所高鸿钧与丁洪课题组的合作成果，在铁系超导体中发现了马约拉纳边界态的重要证据，为实现量子计算机的制造奠定了有力基础。大佬们在追寻真理的路上越走越远，而我等只能望其项背，做着最基本的工作，却还是拿不出像样的东西来发一篇paper，果然这个距离不是一星半点啊。曾几何时，就有物理学大厦已经快要建好的消息，但是如今，这门古老的学科依然焕发着勃勃的生机，我们时不时的就变成了爱丽丝，追着一只会变戏法的兔子，然后就发现了从未见过的新大陆。在里面的人欣赏这奇妙的风景，在外面的人在寻找着兔子，这门学科从未有半点的魅力衰退。马约拉纳费米子的历史可以追溯到 1928年，物理学家狄拉克通过狄拉克方程指出：宇宙中的每个基本粒子都有一个相对的反粒子，如反电子对应的“正电子”，其质量、自旋等与正常的负电子相同，但是所带电荷为正。1932年，美国加州理工学院的安德森等人宣告，他们发现了正电子。1937 年，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳对狄拉克方程进行了修正，认为：应当存在一种费米子，其反粒子为其本身。这种粒子就被称为“马约拉纳费米子”。正因为反粒子为其本身，因此科学家认为每个马约拉纳费米子本质上就是半个亚原子粒子，所以一个量子比特的信息可以用两个相距甚远的马约拉纳费米子存储，这样就不太可能有什么因素同时干扰它俩、让它们携带的信息丢失。换言之，马约拉纳费米子是理想的量子计算材料。而另一方面，现有的量子物理认为宇宙中可能存在三种类型的费米子，即狄拉克费米子、外尔费米子和马约拉纳费米子。在费米子家族中，大家所熟知的电子、质子、中子等粒子都是狄拉克费米子，而在凝聚态材料中外尔费米子也在2015年被中国科学家和美国科学家同时独立地观测到。量子力学态叠加原理使得量子信息单元的状态可以处于多种可能性的叠加态，从而导致量子信息处理从效率上相比于经典信息处理具有更大潜力。普通计算机中的2位寄存器在某一时间仅能存储4个二进制数（00、01、10、11）中的一个，而量子计算机中的2位量子位（qubit）寄存器可同时存储这四种状态的叠加状态。随着量子比特数目的增加，对于n个量子比特而言，量子信息可以处于2种可能状态的叠加，配合量子力学演化的并行性，可以展现比传统计算机更快的处理速度。量子计算机，早先由理查德·费曼提出，一开始是从物理现象的模拟而来的。可他发现当模拟量子现象时，因为庞大的希尔伯特空间使资料量也变得庞大，一个完好的模拟所需的运算时间变得相当可观，甚至是不切实际的天文数字。理查德·费曼当时就想到，如果用量子系统构成的计算机来模拟量子现象，则运算时间可大幅度减少。量子计算机的概念从此诞生。在经典计算机中，基本信息单位为比特，运算对象是各种比特序列。与此类似，在量子计算机中，基本信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上，而且还可以处于纠缠态上。这些特殊的量子态，不仅提供了量子并行计算的可能，而且还将带来许多奇妙的性质。与经典计算机不同，量子计算机可以做任意的幺正变换，在得到输出态后，进行测量得出计算结果。因此，量子计算对经典计算作了极大的扩充，在数学形式上，经典计算可看作是一类特殊的量子计算。量子计算机对每一个叠加分量进行变换，所有这些变换同时完成，并按一定的概率幅叠加起来，给出结果，这种计算称作量子并行计算。除了进行并行计算外，量子计算机的另一重要用途是模拟量子系统，这项工作是经典计算机无法胜任的。大佬们玩的风生水起，你的科研呢？@知乎：巴甫洛夫很忙---做一件事有十个步骤：做到第一步，发现有问题A需要解决；上网查资料发现是B有问题；解决B可以通过C，D，E三个途径；查了CDE，觉得D最快，发现需要F软件；下载F软件没有license。发邮件询问IT部门；下好了F发现只能Linux下无法正常运行；试C办法。需要学习G的相关知识；搜了G的资料，开始学G；发现C解决不了，试最笨的E办法；万幸用E肝完了B问题；做到第五步发现没对；但不知道是一二三四哪个步骤有问题；挨个排除；还好是第四步，重做第四步；第四步有HI两个值，最好都越高越好；可是I高就会引起H低，反之亦然；没办法只能折中，效果不佳但也能用；第五步走通了，到第九步都很顺利；第十步无论如何都做不出来，因为有未知的问题；通过艰苦的排除发现是J或/与K，L引起的。解决J很烧钱，而K是完全没有任何知识的新领域，L耗时太久；第十步怎么解决？能不能跳过第十步？或者有没有第十一步？会不会是第一步就有问题？还值不值得投入时间？没人知道答案，全世界能帮你的人不到5个，光是讲清问题前因后果都要花半小时，要不要厚脸皮去问？就算解决了1，后面还会不会有2345....就算完成了，这么多步骤中的近似和误差累积起来，结果可靠吗？花这么多时间精力做出来的东西，可能只是一篇永远不会被重视的论文被淹没在白花花的打印纸中…@知乎：柯蒂斯---科研探索的不确定性造成的焦虑 以及成功快感的稍纵即逝。不知道自己要干嘛；知道了要干嘛，不知道怎么干；知道了怎么干，不知道方法能不能work；方法能work， 不知道深度够不够打动审稿人 or 方法不能work， 而且不知道bug在哪；bug调了，数据有了，不知道文章该怎么写；文章写了稿投出去了，不知道能不能中；文章被拒了，不知道怎么改才能中 or 文章中了，收到congratulations像中彩票一样小开心一下，晚餐花了小20刀吃了个平时舍不得吃的大餐；第二天来实验室，不知道自己要干嘛；周而复始。除了中paper的那一天有快感 其他时间全是孤独地探索，快感=1/365。@知乎：tolerator---最大的挫败感在于：原来科研就是绞尽脑汁发文章，发文章才是硬道理。只要从前人的文章中挤出一点idea(甚至算不得真正的idea)，就可以尝试做一做，如果结果还算满意，那么再好好处理一下数据，把图画的精美一些，文字写的丰满一些，再引上审稿人同志的大作，基本就可以发个不错的期刊了。与实现idea的过程相比，过多的工夫都花在了文章本身上了。当然处理数据画图语言内容组织这些都需要一定的功底和技巧。至于意义啊价值啊怎么办，同行们的文章中有大量的例句可以参考啊。总之就是，发文章与搞科研已经本末倒置了。为了生产文章去挤、造各种各样的idea，唯一的意义就是使学生毕业，使老师拿项目基金。

正如国际纯粹物理和应用物理联合会第23届代表大会的决议《物理学对社会的重要性》指出的,物理学是一项国际事业,它对人类未来的进步起着关键性的作用。而习近平总书记也在2016年的全国科技创新大会上指出建国以来10项基础科学突破中4项与物理学科直接相关。“物理学引领人类社会的现代化进程，热力学、电学、量子力学等是历次工业革命的科学基础，物理学是中国基础学科发展的标杆，自然科学皇冠上的宝石。”中国物理学科的领头羊履历辉煌的物理高地复旦大学物理学创建于1952年，其时适逢全国高校院系调整，多位名家汇聚复旦，专业创建伊始便奠定了深厚基础。随着学科发展，复旦物理学专业繁衍出一系列新专业和院系，“裂变”出去的专业包括原子核（1958年）、无线电（1960年）、计算机（1975年）、光源与照明（1978年）、电子工程（1982年）、电子与真空（1989年）及半导体和光学（2000年）等。复旦物理专业自身也与时俱进、发展迅猛。王福山、卢鹤绂、周同庆、周世勋、谢希德等德高望重、学识超群的前辈大家为一代又一代复旦物理人树起了师德与学识的丰碑，为中国物理学发展做出了重要贡献。物理学系也在复旦大学的历史发展中扮演“超级孵化器”的重要角色，培养了一批又一批的人才。近年来，底蕴深厚的物理学系英才辈出，以先进的育人理念、雄厚的师资力量、和谐的工作氛围、丰硕的学术成果发展成为国际上实力强大的物理重镇。雄厚基础为学科发展提供坚实保障物理学系一直是复旦大学最核心的院系之一。复旦物理学系于1993年获批成为国家基础科学科研与教学人才培养基地，2007年成为国家首批物理学重点一级学科，下设理论物理、凝聚态物理和光学三个二级国家重点学科，2009年获教育部“基础学科拔尖学生培养试验计划”资助，物理学在全国第四轮学科评估中获评A级，入选国家“双一流”建设重点学科、上海市“高峰学科”，2019年入选国家级一流本科专业建设点。复旦物理学科在国内排名始终名列前茅。累积的雄厚基础为物理学科的快速发展及本专业优秀人才的培养提供坚实保障。一流师资为培养一流人才保驾护航复旦物理学科现有教职工113人、教授68人、副教授16人。其中中科院院士8名（杨福家、沈元壤、沈学础、王迅、陶瑞宝、孙鑫、龚新高、许宁生）、长江特聘教授9名、国家杰出青年基金获得者18名、973项目首席科学家6名、APS Fellow 6名、“求是”青年学者奖 5名。2000年起，物理学系率先在国内推行所有教授承担本科生课程政策，院士、长江特聘教授、杰青等工作在本科教学第一线，为本科生配备最优质的师资力量。同时，学科所用教材由物理学系各位资深教授共同编写，现已主编“面向21世纪教材”16本，覆盖了本科物理专业的所有主干课程，被国内诸多高校认可并使用。一流平台助力学术科研勇攀高峰复旦大学致力于培养全面综合的优秀人才，除了理论知识学习，当然还注重科研能力的训练。复旦物理学系建有一个国重、两个部重科研实验平台，鼓励学生依托这些平台积极开展国家、学校、院系等各级各类科研训练项目，尽早接触学科前沿。本科期间，复旦大学有政、望道、曦源、登辉等科研项目供全体学生申报锻炼。物理学系也为同学们创造浓厚的学术氛围，每年一度系学术年会、每周一次Colloquium、每周不定期的各类学术讲座等等，在激发学生的学术热情、培养学生的钻研精神都有极大助益。在全体师生的协同努力下，复旦物理学科科研成果丰硕，以复旦为第一单位在世界顶级期刊上发表的论文数量在近几年呈上升趋势，科研获奖亦是名列前茅。从2012年到2019年，共荣获三项国家自然科学二等奖。复旦大学物理教学实验中心于2015年成功获批“教育部虚拟仿真实验教学中心”建设单位；2007年获批“国家级实验教学示范中心”建设单位，经过6年奋斗于2013年成功获得该称号。复旦大学物理系还建有“应用表面物理国家重点实验室”、“物质计算科学教育部重点实验室”、“微纳光子结构教育部重点实验室”等科研平台。近5年承担了5个国家973重大项目和1项973青年重点项目。获批了2项国家基金委创新群体项目、2项国家基金委重大科研仪器研制项目、1项“111”引智计划。顶级国际交流促进双向互动复旦大学物理学系为优秀的学生提供多样化的国际化交流平台。系级的交流学校包括伯克利、诺丁汉、东京大学等，部分花费由复旦大学物理学系承担。除此之外，院系还会不定期邀请国外专家进行集中式短期授课和高级课程讲授，开阔学生视野。复旦大学物理学系践行"三全育人"，旨在培养高质量人才，为每个学生寝室配备寝室导师。学生本科阶段表现突出：2015年至今，本科生参与发表SCI论文50余篇，其中作为第一作者发表论文35篇；复旦大学代表队在2019年全国大学生物理学术竞赛（CUPT）获得冠军。85%左右的本科生毕业后选择奔赴国内外大学继续深造。2016届本科毕业生姜嘉栋就是一位优秀毕业生中的一名。他毕业后收到剑桥大学、英属哥伦比亚大学、南安普顿大学等5所世界知名学校PhD的录取通知书。“强基计划”培养体系双导师制双管齐下，双头并进物理学专业强基计划实行“寝室导师+学业导师”相辅相成的双导师制，将邀请本学科学术大师、知名教授担任学生的学业导师，指导学生开展科研训练。希望在资深的学业导师的指导下，学生能成为奔腾的后浪，青出于蓝而胜于蓝。 独立编班因材施教，重点培养对于强基计划招收的学生，物理学系将进行小班化培养和管理，班级配备专门班主任，为学生的课程安排、学业规划进行全程指导。2020级强基班班主任为龚新高院士，他将带领班级学生同奋斗、共前进。本-研衔接未来物理学家的摇篮优秀的物理学专业强基计划学生在毕业时将被优先推荐为免试研究生，攻读本系或外系、外校研究生学位，实现本科生研究生衔接培养。除此之外，将实施本科生-研究生课程打通的措施，若直研本系，部分本科专业课程的学分可直接带到研究生阶段。而对于学习超前的学生，亦可申请免修课程，提前学习高年级课程或开展科研实践等。复旦大学物理学系强基计划旨在培养具有扎实的理论基础，纯熟的实验技能、良好的科学素养和创新精神，能够适应高新技术发展的需要，具有较强的知识更新能力和较广泛的科学适应能力的“未来物理学家”，为祖国的明天添砖加瓦。复旦物理这片星空下闪耀着，精粹的语言、深邃的思想、理性的知识……跻身这片星空，发掘更广阔的浩瀚星河，探索更惊奇的未知世界……我们在这里，等待 下一个“爱因斯坦”来源：复旦大学 复旦招生 文字整理｜张佳燕排版｜闫雨欣

几乎在每一次关于课堂的教育话题中，“科技”一词都会被提及。“数字化学习”正试图打入一线课堂的内部。科技是如何增强学习的呢？我们对数字工具在特定学科中的创新使用进行了探索。本次探讨的主题是“物理科学”。实地考察成本高怎么办？课程：结构地质学导师：Phil Skemer学校：圣路易斯华盛顿大学问题：Skemer希望所有学生能去野外花大量的时间实地考察，而不是在实验室里看看小规模的岩石和水晶模型。“模型很好，但每个教室通常只有一个，如果它们坏了，你基本找不到替代品。”Skemer说，“另一方面的问题是，跨越密苏里州和中西部地区的户外旅行(以及一些在阿根廷和西班牙的异国实地考察)需要花费大量的时间、金钱和精力。”解决方案：在看到一位火星地质学家同事与Microsoft Hololens一起对火星表面进行的可视化工作后，Skemer认为该工具也可以用于展示三维晶体结构。他委托别人开发了一个项目，设计了一个软件，让一整组学生可以进入实验室，从各个角度看同一张全息图。Phil Skemer班上的学生正通过全息图观“和虚拟现实不同，这才是真正的互动，”Skemer说，“所有学生都看着三个一组的矿物，它们具有相同的化学成分和晶体结构。”下一步：Skemer希望增加一个用于测量的标尺工具，和一个用于确定晶体结构方位的罗盘工具。如何让学习内容有形化？课程：生物化学导师：Erich Chapman学校：丹佛大学问题：Chapman已经对模式僵化的生物化学课越来越厌烦，他想打破这种模式。解决方案：Chapman引入了一个项目，最初算作额外的学分，后来又作为课程的一部分，要求学生们选择一种他们感兴趣的蛋白质，并使用从旧金山大学获得的免费软件将其可视化，再用打印机把它变成一个3D产品。这项练习帮助学生锻炼了动手能力，并给他们一个有形的实体来与学习资料进行对比。Chapman偶尔会让学生们打印一些更小的部件，这样他们才能充分欣赏并理解细节。Chapman说：“这使学习变得有形化，而不仅仅是通过一份报告来展现。”如果学生想花1000小时学习如何使用3D打印机，学校的创客空间会为他们提供机会。当现有资源无法满足学习时课程：人体解剖学调查导师：Jessica Fellmeth学校：汉密尔顿学院问题：尸体价格昂贵，并且使用范围有限。学生不能从它们身上学到关于排泄的知识，也无法观测病菌渗入身体时是什么样子。解决方案：通过Organon和Sharecare的虚拟现实模拟，可以让Fellmeth班上的学生近距离观察人类遗体。他们的最后一个项目是一次口试，学生们要在口试中借助虚拟现实模拟，描述人体器官。如何在大班课上关注个体？课程：化学概论导师：Christine Hughey学校：詹姆斯麦迪逊大学问题：Hughey的课上有好几十名学生，她想让他们更一致地参与课堂。解决方案：Hughey课上的学生使用MindTap平台上的Cengage电子书来解决问题。Hughey借助iPad，用PPT展示她的笔记脉络。一旦学生解决了问题，她就把平板电脑当 “数码相机”，实时录制可以轻松嵌入PPT或日后保存的视频，以研究解决方案并回答问题。Christine Hughey用iPad记录与学生的日Hughey说：“每年我都会尝试搞得更复杂一些。”iPad让Hughey与学生更加亲近。“我没有被绑在讲台上。因为有了iPad，我可以走来走去，看看学生们是怎么解决问题的。我就站在他们旁边，因此他们可以更方便地向我提问，敢在全班同学面前举起手来。这种流动性确实使一个大班级变得小得多。”来源：inside higher Ed作者：Mark Lieberman智能观 编译—完—亲爱的朋友：本文告诉我们，合理运用科技，能真正解决课堂上的某些痛点与难点。想一想，还有哪些课堂痛点，可以被科技解决呢？你的课堂，又用了哪些科技呢？安！智能观 一米2018-6-12 于北京中关村声明：编译文章旨在帮助读者了解行业新思想、新观点及新动态，为原作者观点，不代表智能观观点。

导语由中国科学院、中国工程院主办，中国科学院学部工作局、中国工程院办公厅、中国科学报社承办，中国科学院院士和中国工程院院士投票评选的2019年中国十大科技进展新闻、世界十大科技进展新闻，1月11日在京揭晓。此项年度评选活动至今已举办了26次。评选结果经新闻媒体广泛报道后，在社会上产生了强烈反响，使公众进一步了解国内外科技发展的动态，对宣传、普及科学技术起到了积极作用。以下便是2019年中国十大科技进展新闻、世界十大科技进展新闻的评选结果：2019年中国十大科技进展新闻嫦娥四号实现人类探测器首次月背软着陆我国天文学家发现迄今最大恒星级黑洞我国科学家首次观测到三维量子霍尔效应我国科学家研制出新型类脑计算芯片世界首台百万千瓦水电机组核心部件完工交付“太极一号”在轨测试成功 我国空间引力波探测迈出第一步最新研究表明自然界中约24%的材料可能具有拓扑结构我国科学家解析“奇葩”光合物种硅藻捕光新机制我国自主研发临床全数字PET/CT装备获准进入市场科学家发现16万年前丹尼索瓦人下颌骨化石2019年世界十大科技进展新闻人类首次“看到”了黑洞DNA显微镜研制成功隼鸟2号首次降落小行星“龙宫”并采样谷歌研究人员宣布成功演示“量子优势”科学家合成世界首个含18个碳原子的纯碳环新型人造DNA结构 信息密度可加倍人体生理年龄首次成功逆转艾滋病治疗奇迹再现 “伦敦病人”或被治愈科学家培养新型大肠杆菌能以二氧化碳为食全球首支埃博拉疫苗获欧盟批准上市“最新研究表明自然界中约24%的材料可能具有拓扑结构”这一科技进展中，南京大学和中科院物理所独立、同时发表的两篇论文的作者均出自南大系，一位是南京大学教授万贤纲，一位是南京大学校友翁红明。赶快和小蓝鲸一起来了解这项科技进展与它背后的南大人吧！最新研究表明自然界中约24%的材料可能具有拓扑结构 2019年2月28日凌晨，来自中科院物理所、南京大学和美国普林斯顿大学的3个研究组分别在《自然》杂志发布了最新相关研究成果。他们的研究表明，数千种已知材料都可能具有拓扑性质，即自然界中大约24%的材料可能具有拓扑结构。拓扑，描述的是几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的性质。当 “拓扑”这一数学概念被引入物理学领域后，一方面推动了基础物理学研究的发展，另一方面也促使大量新颖拓扑材料出现。值得一提的是，南京大学和中科院物理所独立、同时发表的两篇论文的作者均出自南大系，一位是南京大学教授万贤纲，一位是南京大学校友翁红明。近年来，拓扑量子态是物理学、材料科学领域的前沿热点课题。量子自旋霍尔效应、拓扑绝缘体、Dirac半金属、Weyl半金属、nodal line半金属、镜面陈绝缘体、Hourglass费米子、Higher-order拓扑绝缘体，各种新的相层出不穷。这些拓扑材料具有普通材料所没有的独特物性，例如拓扑保护边界态、手征反常、费米弧等，在电子、信息和半导体技术等诸多方面有很大的应用潜力。此前，人们主要是通过直接计算拓扑不变量去找寻各种拓扑相，这种方法效率较低，所以目前人们知道的拓扑材料数目还很有限。因此发展出新的理论方法，从而系统地找到理想的，有实用价值的拓扑材料体系有着重要的科学价值和广阔的应用前景。第一作者：唐峰通讯作者：万贤纲第一单位：南京大学论文doi: 10.1038/s41586-019-0937-51.发展了一种对称性指标，在所有的230种空间群内，所有可能的非磁性化合物中进行搜寻，发现上千种可能的拓扑材料。2.重点强调了241种拓扑绝缘体以及692种拓扑半金属。第一作者：Tiantian Zhang, Yi Jiang, Zhida Song通讯作者：方辰，翁红明第一单位：中科院物理所论文doi: 10.1038/s41586-019-0944-61.利用对称性，发展了一种用来快速计算拓扑不变量的通用算法；2.通过这个算法，在39519种晶体材料中找到了8,056余种拓扑非平庸材料。3.所有发现的材料数据库可以在交互式网页app上进行查询，查询网址：http://materiae.iphy.ac.cn/万贤纲万贤纲，南京大学物理学院教授，1990年至2000年在南京大学学习，获得学士、硕士、博士学位。2001起在南京大学历任讲师，副教授，2010年任教授。主要学术成绩为：提出了新型拓扑量子态—Weyl 半金属，引发了国际上Weyl 半金属的研究热潮；发展了一套计算磁性相互作用的方法并确定多个复杂体系的基态磁构型；参与发展了symmetry indicators方法，并用其对所有非磁材料拓扑性质进行了判断。获得2014年度香港大学Daniel Tsui Fellowship。2015年获得国家杰出青年科学基金；2016年被评为教育部长江学者特聘教授。翁红明翁红明，中科院物理所副研究员。2005年毕业于南京大学物理学系，获博士学位，导师董锦明教授。2005年～2007年，日本东北大学金属材料研究所博士后，获2007年日本学术振兴会（JSPS）博士后奖学金。2007年-2010年，日本北陆先端大任助理教授。2014年获基金委优秀青年基金资助。研究领域：计算凝聚态物理。主要研究方向：第一性原理计算方法和程序发展，过渡金属氧化物等磁性机理研究、非线性光学和磁光效应计算，拓扑量子态及拓扑材料计算研究等。迄今发表SCI论文60余篇，包括1篇SCIENCE，3篇Nature子刊，5篇PRL，4篇PRX，MRS Bulletin和Advances in Physics受邀综述各1篇等，总引用1400余次。来源 | 科学网，侯印国老湿美编 | 乔奕玮

“我们曾经想过会引起关注，这个结果肯定非常重要，但还是没预料到会有这么大轰动。” 谈及美国费米国家实验室公布的缪子反常磁矩实验（Muon g-2 实验）首个结果，亲自参与该项目的上海交通大学物理与天文学院教授李亮告诉 DeepTech。近日，美国费米实验室向世人宣布了一项振奋人心的消息——缪子的行为与标准模型理论值不符！而缪子反常磁矩的实验结果，有可能会开辟一个新的物理研究领域，甚至开启一个新的物理纪元。图 | 费米国家加速器实验室的 Muon g-2 环（来源：美国费米国家实验室）值得一提的是，上海交通大学于 2012 年成立了缪子物理研究团队，并参加了费米国家实验室主持的缪子反常磁矩实验，团队由李亮教授与该校许金祥副教授领衔。图 | 许金祥副教授（左） 、李亮教授（右）（来源：受访者）上海交大团队同时参与了缪子进动频率、精确磁场的测量、校准以及束流动力学效应等方面的研究，是当前合作组中参与各项测量任务最全面的实验团队之一。对于该实验，学界可以说是翘首以盼，因为缪子反常磁矩实验是对标准模型的最严格检验，不过这个模型并非那么完美，因为自然界可能还存在某种未发现的粒子、或未知的作用力，因此不论哪一种，都将是震惊物理学界的发现。神奇的缪子缪子又称 μ 子，于 1936 年被瑞典裔美国物理学家卡尔安德森发现，它是一种不稳定的基本粒子，其带有一个单位负电荷，静质量为电子的 207 倍（约 105.6 MeV/c），可以看成是超重版的电子。此外，缪子的衰变产物包含电子和中微子。历史上，关于缪子的研究有很多，在杨振宁和李政道的宇称不守恒理论研究中，也曾见到它的身影。而如今，缪子反常磁矩的实验结果，又增添了它的神秘色彩。所谓 “磁矩” 其实就是粒子磁性的表现，每个带电基本粒子由于自旋，都有自己的磁矩。根据经典理论，基本粒子的磁矩中 g 因子都是 2。图 | Fermilab MC-1 大楼中的 Muon g-2 粒子存储环（来源：美国费米国家实验室）但是，空间的量子泡沫效应、以及与其他粒子的相互作用，都会对粒子的磁矩产生微小的影响，而这个微小的量子修正就是反常磁矩（g-2）。其实早在 2001 年，就有来自美国布鲁克海文实验室的团队，进行了缪子反常磁矩测量的实验，并得到了与标准模型偏差 3.7 倍标准方差（3.7σ）的结果，该实验结果最终于 2006 年以论文形式发表。粒子物理的标准模型是一套描述强力、弱力、电磁力及它们组成所有物质的基本粒子的理论框架。它隶属量子场论的范畴，并与量子力学及狭义相对论相容。截止目前，几乎所有对以上三种力的实验结果，都合乎该理论的预测。但是缪子反常磁矩结果的超出，是对标准模型模型的一个挑战，它表明该模型也许并不是那么完美。时隔二十年，2021 年，费米实验室进行了更加精确的实验，其结果与布鲁克海文实验的结果基本一致，两者综合测量的结果与理论值的偏差为 4.2σ，这再次表明缪子的反常磁矩与理论模型的预测确实有偏差。大多数粒子学家们一致认为，这一结果相当重要，但要成为坚实有力的证据，还需要达到 5σ。“5σ” 是粒子物理学用来判定发现的通用标准，也称 “5 倍标准方差”，取得等于或者高于 5σ 的实验结果，就能被 “坐实 “为 “铁证”。在统计学上，这是置信区间的另一种说法，例如 95% 的置信区间，其标准方差约为 2.5σ，99.7% 的置信区间则为 3σ，而 5σ 就意味着只有百万分之一错误的概率。图 | 在 2013 年检查 Muon g-2 环（来源：美国费米国家实验室）而此次实验有如此高的测量精度，堪称是当今粒子物理学、乃至整个物理学精度最高的实验之一。之前布鲁克海文实验室的核心装置 “储存环” 被运到费米实验室，由 7 个国家、35 个研究单位的近 200 个科研工作者组成的研究团队，对实验设备进行建造和调试，并对每个细节都提出了最高要求，才达到这样的测量精度。图 | 左图：上一代的缪子反常磁矩实验于 1990 年代在美国长岛的布鲁克海文实验室进行。2013年人们使用驳船和卡车，将近 700 吨重的储存环沿大西洋海岸，横穿墨西哥湾、然后沿密西西比河和德斯普兰斯河上运送到至费米实验室进行新实验的建造；右图：2013 年 7 月成千上万的人庆祝它的到来（来源：Quanta Magazine；左图 Darin Clifton；右图 Reidar Hahn）该实验的目的是测量缪子的磁矩，研究团队将大量缪子注入到 “储存环” 中，并让它们在其中像陀螺一样一边旋转一边自转（专业术语为 “自旋 “）。由于缪子带电，它们会与磁场相互作用，缪子的自旋方向进而会发生偏转（专业术语为“进动”），就像陀螺转动时的轴心会发生偏转一样。通过测量缪子在磁场中的进动频率，就能测量其磁性（更准确地说是磁矩）。总之，通过测量缪子在磁场中旋转时的自旋摆动频率，就能测量出其反常磁矩。图 | 缪子的反常磁矩与标准模型预测值有较大偏差（来源：Quanta Magazine）成为颠覆标准模型的有力证据？实验结果表明，对比标准模型预测值，缪子的磁矩有较大偏差，这与布鲁克海文国家实验室的发现一致。那么本次实验，会成为颠覆标准模型的有力证据么？中科院理论物理研究所研究员杨金民表示：“此次的实验结果精度上来说是高了一些，但是其结果的中心值，较上次向标准模型的预言值靠近了一些，所以还需后续实验来验证。如果精度有保证，后续实验结果的中心值向标准模型靠近，那么对标准模型就是有利的。假如未来的实验结果，能跟标准模型的偏离达到 5σ 以上，我才认为是颠覆性的或者说是突破性的成果。”中国科学院理论物理研究所研究员舒菁告诉 DeepTech：“不过就算有精度更高、足够多的实验数据支撑，也不能在短时间内认为标准模型不适用，因为标准模型理论格点计算值现在并不明朗，我们同样需要在理论计算方面提高精度，降低系统误差，不同小组的计算结果达成共识。如果实验结果和理论计算，都在足够精确的范围内，并且又有统计意义上的大偏差，这时才能比较肯定地认为存在新的物理规律。这并不意味着直接否定标准模型，只能证明标准模型存在拓展的空间、和适用范围。因为标准模型是一种一般化模型，而在有些极端的领域，可能会有所偏差。就像在相对论问世之前，牛顿经典力学也被认为是宇宙中普遍适用的物理原理，但在 ‘高速’ 运动下，还是要遵从相对论理论。我们不能说牛顿经典力学是错的，只能说存在适用范围。而新的理论基本都是在原有基础上，在更高层次进行拓展。此次实验结果可能表明的是标准模型少了元素、少了新粒子或者作用力，或者我们对于标准模型的理解需要考虑到更多的修正，而这也是未来理论研究的方向之一。”图 | 缪子反常磁矩两次实验结果和标准模型预测值之间的关系（来源：PHYSICAL REVIEW LETTERS）提及未来实验的研究方向，李亮表示，将继续进行相关实验研究和数据分析，测量精度将在明年和后年得到提升，最终结果很有可能达到 5σ 以上。而来自日本的研究团队也将通过另一种方式对其进行验证。如果两种实验的结果相类似，那么就能成为非常牢固的证据。缪子反常磁矩的偏差已被发现了 20 年，之所以直到现在才做出重要结论，是因为实验难度确实很大。李亮坦言：“其一，实验的精度要求特别高，要达到百万分之一以下，而本次实验几乎是整个粒子物理实验中精度最高的实验之一，你很难找到比这个要求更高的实验，所以要花费很长时间；其二，因为要测量缪子，所以必须得有大量产生缪子的地方，而缪子源在全世界也非常少。目前在美国合适的缪子源只有费米实验室有，原来的第一个缪子源在布鲁克海文实验室，但是后来该缪子源被关闭，所以他们的实验就没有继续下去。直到后来利用费米实验室的加速器，才建造和铺设了一个新的缪子源进行实验。而中国现在也在广东的东莞建造缪子源，所以非常期待以后在中国也能开展缪子相关的前沿基础研究。其三，得到测量结果以后还要进行细致的误差分析，2018 年我们就把数据采集完，但直到 2021 年才得出比较明确的结论，因为我们必须得非常小心，各种误差都考虑到，然后才能对外公布结果。”杨金民也表示，这类研究不是说有钱就可以，美国从几十年前就开始做实验，2006 年相关结果发表后，此后十几年间始终没有其他国家做同类实验。缪子会走入寻常百姓家么？说到缪子和老百姓有何干系，李亮拿相对论做了一个比喻：“相对论，当时也是轰动学界的理论，但也未能在理论面世后的若干年内，较大程度地改变人类生活。因为相对论描述的是极端高速运动下的物理规律，并不适用于日常生活。但自信息革命以来，特别是人类发射的卫星到了太空以后，由于引力的影响，相对论的修正效应就变得非常明显。以卫星定位系统为例， 如果不考虑相对论，那就没有办法定位。因此，从纯理论到科技应用改变生活，是需要时间的。”缪子具有很奇特的属性，这一发现并不会立刻改变人类生活。然而前沿基础科学的影响虽然会迟到，但是永远不会缺席。经过一段时间的发展和酝酿，从前沿基础研究、到科技应用、再到改变人类生活的过程必然会发生，而且每次的影响都非常巨大和深远。而本次研究，就像在探索路上发现了一条十分隐秘的小路，走的人多了，这条路的去向才会逐渐清晰。

一所大学的一个学科同时拥有国家大科学中心和大科研基础设施，这在我国高校中是极其少见的，然而，华中科技大学的物理学科却做到了。根据教育部的发文：教育部支持和指导武汉大学筹划建设武汉光源、华中科技大学筹划建设磁约束氘氘聚变中子源预研装置、华中农业大学筹划建设农业微生物设施，并列入教育部“十四五”重大科技基础设施培育项目库，给予专项培育经费支持，为开展科学前沿探索和重大科技任务提供支撑，着力提升高校在基础研究和前沿交叉领域的原始创新能力。详细的发文内容如下：教育部同意建立大科学设施的部分内容除了上述的磁约束氘氘聚变中子源预研装置以外，华中科技大学还有一个国家大科学中心2个大科研设施——国家脉冲强磁场科学中心（筹）和精密重力测量研究设施等国家重大科技基础设施。国家脉冲强磁场科学中心而这些科研中心或者设施，都是和物理学有关的，难怪华科的物理学在四轮学科评估中一路往上涨，从第一轮学科评估的时候位列20开外，到第四次学科评估的的时候，已经名列前十，与一众理科强校并列第七。四轮学科评估物理排名变化当然，这都离不开华科在物理学方面的努力。据悉，华中科技大学的物理学院这几年成果惊人，其中最具代表性的是：万有引力常量G值的测量，是当时世界最精确的值。可以说这是我国物理学界最具影响力的事件之一，因为就目前为止，我国很少有高校在物理学方面的成就被引入中学教材。在2019年8月人民教育出版社印刷的《物理》必修第二册教材中，第七章《万有引力与宇宙航行》第2节《万有引力定律》中提到：“引力常数G的精确测量对于深入研究引力相互作用规律具有重要意义。自卡文迪什之后，其他科学家相继致力于这项工作。我国华中科技大学引力中心团队在引力常量的测量中作出了突出贡献，于2018年得到了当时最精确的引力常量G的值。”华科测量的万有引力常量G被引入教材所以，华科的物理学科能够快速崛起不是没有原因的，离不开华科教职工的共同奋斗，一步一个脚印、脚踏实地辛勤付出。要知道，华中科技大学是以工科起家（以前只有机电方面的专业），理科和文科都是自建的，物理学院起步也较晚，以下是华中科技大学官网中的物理学院的由来。华中科技大学物理学院的发展从1983年原华中工学院的物理教研室建系起步，2008年成立物理学院。多年来，学院精心布局，耐心积累，全体教职工发扬“探物穷理创新，自信自强争先”的精神，埋头苦干，艰苦创业。学院现已发展成为学科布局结构合理、研究方向特色鲜明、在国内外具有一定影响的物理学院。物理学科在全国第四轮学科评估中被评为A-，并列全国第7名，被华中科技大学列为双一流建设重点发展学科。2019年获批国家级一流本科专业建设点（双万计划）。2020年物理学专业入选教育部强基计划。华科物理学院科研及学术交流正是因为如此，国家对华科的政策倾向也越来越明显，国家脉冲强磁场科学中心（筹）和精密重力测量研究设施等国家重大科技基础设施先后落地华科，今年，又新增了磁约束氘氘聚变中子源预研装置。有了这些软硬件的支持，华科的物理学科方面的实力也将会百尺竿头更进一步，相信华科的物理学科在以后的发展中，必然会变得越来越强，越来越好。

科研创新一直是推动社会经济持续发展的源动力，每年国家都会给诸多高校和研究机构拨付巨额经费用于科研，除了相应的常规考核评估，还有一些主管部门的评估榜单也能够很好的证明科研成果。目前国内有四大权威科研成果榜单，数据权威，筛选过程严谨，每一期帮当都能够直观反映当年的重大科技成果。分别是科学院和工程院主办，众多院士投票评选的“中国十大科技进展新闻”；国家科技部主管评选的“中国十大科技进展”；教育部主管评选的“中国高校十大科技进展”，科技日报社（科技部代管的副部级事业单位）主办评选的“国际国内十大科技新闻”。从字面上看，两院举办的榜单含金量最高。科技部举办的则面向所有科研单位和高校，而教育部则面对所有高校，二者范围不一样。下面和大家一起分享下，科技部刚发布的2019年中国十大科技进展情况（说明：下文仅提到每个项目的主导人，但每个项目都是其背后团队人员共同努力的结果）。第一个项目：首次观测到三维量子霍尔效应该项目由南方科技大学物理系张立源教授和中国科学技术大学物理系乔振华教授的团队合作发现的项目。第二个项目：揭示非洲猪瘟病毒结构及其组装机制该项目在上海科技大学连续收集高质量信息，由饶子和院士（中国科学技术大学毕业）和步志高教授（毕业于南京农业大学）联手主导。第三个项目：实现对引力诱导量子退相干模型的卫星检验该项目由潘建伟院士主导（主要人员还有彭承志和范靖云），他毕业于中国科学技术大学，如今也是该校的副校长，还是西湖大学校董会成员。第四个项目：青藏高原发现丹尼索瓦人该项目由兰州大学张冬菊教授和中科院青藏高原研究所陈发虎院士主导；陈发虎教授本硕博学位都是兰州大学获得，如今也是兰州大学的特聘教授。第五个项目：阐明铕离子对提升钙钛矿太阳能电池寿命的机理该项目由北京大学周欢萍教授和兰州大学校长严纯华院士（从北大毕业，也是北京大学教授）联手主导，该成果能够大大提升太阳能电池寿命。第六个项目：基于材料基因工程研制出高温块体金属玻璃该项目由中科院物理研究所博士柳延辉主导完成，他本科研究生毕业于山东大学；该科研成果颠覆了以往金属玻璃的陈旧研发模式。第七个项目：破解藻类水下光合作用的蛋白结构和功能该项目由中科院植物所博士沈建仁（1982年毕业于浙江农大，已并入浙大）、中科院植物所匡廷云院士（毕业于中国农业大学）、清华大学隋森芳院士及浙江大学医学院张兴教授共同研发的成果。第八个项目：提出基于DNA检测酶调控的自身免疫疾病治疗方案该项目由中科院张学敏院士（毕业于第三军医大学）和中科院研究员李涛（毕业于北京大学）共同研发而成；最直观的作用就是为人体免疫疾病提供潜在的治疗方法。第九个项目：构架出面向人工通用智能的异构芯片该项目由清华大学施路平教授主导研发，将助力人工通用智能实现质的飞跃。第十个项目：发现月球背面月幔物质出露的初步证据该项目由国家天文台副台长李春来（毕业于中南大学）主导，利用嫦娥四号探测数据分析，为国内外学者关注的月球物质组成提供直接的证据。毕竟在月球探测项目上，美国一直占据主导地位，随着国家对探月的加码投入，将来还有越多的天文成果出现。相信多数网友和小编一样，这10个科技项目当中，我们能理解的并不多，毕竟这些项目已经能够代表我国的最高科研成果了，在国际上也丝毫不落下风；只不过文章从通俗点入手，让大家都知道这些主导的科研人员是从哪些高校起点的；也能够很好的佐证，读大学很重要，读个好大学更重要；毕竟像马云那样起点低的成功人士还是寥寥数几。本文由学生范原创，欢迎关注，每天与你分享大学小知识！

大到宇宙，小到基本粒子，在那些我们肉眼看不到的微观世界中蕴含着改变世界的巨大能量。作为一项基础性科研领域，物理科学的每一次新发现都对人们的认识和科技进度产生着深刻的影响。他曾作为项目负责人，承担中科院重大科研课题《原子分子激发态和动力过程》的研究，使我国在原子分子物理领域的发展跃上了新的台阶，他就是中国科学院院士李家明。1978年，33岁的李家明回到祖国，任中科院物理研究所第一工作室副研究员。那时，他实验室的灯光常常彻夜通明，没有计算机，李家明就用普通计算器一个数字一个数字地演算。“我很自豪，我是炎黄子孙，我参与了祖国的建设”。1983年至1997年，李家明组建原子分子理论研究组从事原子、分子激发态与动力学基础研究，当时原子、分子物理研究是国内物理研究的薄弱环节。李家明认为，做物理研究要有兴趣、厚基础、早开窍。人这一生第一要找到兴趣，找到兴趣，把基础打牢，然后在适当的时候开窍，有机会不断地去巩固兴趣，夯实基础知识，不断产生创新。回顾四十多年的研究生涯，李家明深知基础研究的重要性，他希望有更多的年轻人能投身物理科学的基础研究，推动科技创新、国家发展。本作品为“科普中国-科技前沿大师谈”原创，转载时务请注明出处。【来源：新华社】声明：转载此文是出于传递更多信息之目的。若有来源标注错误或侵犯了您的合法权益，请作者持权属证明与本网联系，我们将及时更正、删除，谢谢。 邮箱地址：newmedia@xxcb.cn