日前，美國《科學(xué)》雜志評選出2017年十大科學(xué)突破,，其中科學(xué)家們觀測到雙中子星并合引力波事件被評為“年度科學(xué)突破“,。

實際上，今年可以說是物理學(xué)領(lǐng)域大豐收的一年,。除了引力波,，科學(xué)家們在中微子探測、暗物質(zhì)探測等領(lǐng)域也分別取得了重大突破,。

這些高深的科學(xué)突破看似和我們的生活很遙遠,，但實際上，過去幾十年,，人類所有的智能進化都離不開基礎(chǔ)物理的發(fā)現(xiàn),，所以，無論是引力波還是暗物質(zhì),，或都將改變?nèi)祟愇磥淼纳睢?/p>

但中科院的一位研究人員表示,，現(xiàn)在基礎(chǔ)物理學(xué)處于理論超前于實驗的階段，即目前階段實驗的困難性太大,，理論沒有足夠的實證支持,，所以在實驗方面有新發(fā)現(xiàn)新進展非常有利于物理研究的發(fā)展，甚至可以催生很多新理論新思路,。

首次“看到“引力波

2017年,，人類共觀測到三例引力波事件。最近的一次是在2017年8月17日,，激光干涉引力波天文臺（LIGO）和處女座引力波天文臺（Virgo）共同發(fā)現(xiàn)了雙中子星并合引力波,。

在此之前,，2015年9月,、2015年12月、2017年1月以及2017年8月14日,，科學(xué)家們曾先后四次探測到引力波,。其中前三次都是由LIGO單獨完成，第四次則是由LIGO的兩臺干涉儀和Virgo的一臺干涉儀從三個地點幾乎同時探測到,。

而最新的一次發(fā)現(xiàn),，是由全世界多個機構(gòu)的天文學(xué)家聯(lián)合宣布,，并且是科學(xué)家們第一次發(fā)現(xiàn)非雙黑洞并合所產(chǎn)生的引力波,。又因雙中子星并合會產(chǎn)生電磁波，因此,，在這次探測過程中,，科學(xué)家還首次找到了產(chǎn)生引力波信號的源頭。

對于同時觀測到引力波和電磁信號,，業(yè)界有個很形象的比喻,，即人類終于“耳聰目明”了。之前的引力波信號帶動引力場波動,，就如同聲波帶動空氣振動傳播,；而電磁信號能夠?qū)⒖梢姽庑盘杺鞑サ饺搜邸?/p>

8月17日，與第四例引力波事件僅僅相隔3天,，LIGO和Virgo先后檢測到一個新的引力波信號GW170817,。與此同時，正在地球軌道上運行的美國宇航局“費米”伽馬射線望遠鏡也監(jiān)測到一個劇烈的伽馬射線爆發(fā)事件,，這也使得科學(xué)家們將此次引力波出現(xiàn)的區(qū)域框定在一個較小的范圍內(nèi),。

隨后，全球約70個地面及空間望遠鏡從伽馬射線,、X光,、紫外、光學(xué),、紅外和射電等波段開展后續(xù)觀測,，并確認引力波信號來自地球約1.3億光年的長蛇座內(nèi)NGC4993星系。

不僅如此,，科學(xué)家們通過引力波光學(xué)信號的觀測和光譜分析確定,，雙中子星合并的過程還是宇宙中金，鉑,、鈾等重元素的主要來源,。

這次的探測的電磁信號，極有可能是近些年天體核物理學(xué)家關(guān)注的“千新星”（kilonova）,，這種星體形成于雙中子星合并的過程,。而這樣的電磁信號（特定波長的電磁信號），只有某些重金屬元素的衰變才能發(fā)出,。這也意味著雙中子星合并的過程中有這些重金屬元素的產(chǎn)生,。

今年10月，瑞典皇家科學(xué)院將2017年諾貝爾物理學(xué)獎授予三位來自LIGO/VIRGO合作組的科學(xué)家,，以獎勵他們在引力波探測方面取得的成績,。1916年，愛因斯坦在建立廣義相對論后預(yù)言了引力波的存在，時隔一百年之后,，人類才真正的探測到引力波,，這將開啟天體物理的新時代。

隨著LIGO探測精度的不斷提高，引力波探測將成為“常規(guī)”的觀測事件,。人類對于宇宙中的其他天體,，尤其是比較遠或者難以用電磁信號觀測的天體的認識將會被更新，很多物理理論可能需要修正,。

而升級后的LIGO將在明年第三次運行,，相信到時候會有更多的引力波事件被觀測到，配合以電磁波,、宇宙線,、中微子等多種觀測手段協(xié)同觀測，多信使天文學(xué)時代即將到來,。

獲得今年諾貝爾物理學(xué)獎的基普·索恩（Kip S. Thorne）也表示,，明年LIGO可能會發(fā)現(xiàn)黑洞-中子星并和。同時,，未來15-20年過程中,，會有4種不同引力波波段的觀測窗口被打開。包括觀測宇宙最初產(chǎn)生的,，被暴漲放大的引力波,。但將來還需要5-10年時間剝離噪音，才能看到更清晰的引力波,。

“悟空“號與暗物質(zhì)

11月30日,，《自然》雜志公布了中國暗物質(zhì)探測衛(wèi)星“悟空“號的首批探測成果。中國科學(xué)家利用“悟空“號衛(wèi)星獲得了目前世界上最精確的高能電子宇宙射線能譜（能譜是指電子數(shù)目隨能量的變化情況）,，同時,，“悟空”號首次直接測量到了電子宇宙射線能譜在1TeV（1TeV=1萬億電子伏特）處的拐折。

與國際上比,，“悟空”號在1TeV處的觀測分辨率更高,，所以測量結(jié)果也更精確。尤其是其精確的下降行為對于判定部分電子宇宙射線是否來自于暗物質(zhì)起著關(guān)鍵性作用,。

暗物質(zhì)是科學(xué)家們對未知物質(zhì)的一種統(tǒng)稱,，同時也是物理學(xué)界的一大未解之謎，人類目前只能通過引力產(chǎn)生的效應(yīng)感受它的存在,。

2015年12月17日，暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空“號在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射升空,，這也是中國的首顆天文衛(wèi)星,?！拔蚩铡碧柕娜蝿?wù)就是在宇宙線和伽馬射線輻射中尋找暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)，并進行天體物理研究,。

作為一顆暗物質(zhì)探測衛(wèi)星,，“悟空”號其實是一個高能粒子和伽馬射線望遠鏡,，它從頂部到底部一共有四種探測器，頂部是塑料閃爍體探測器,，往下依次是硅陣列探測器,、BGO量能器、中子探測器,。

常進是中科院紫金山天文臺副臺長、暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星首席科學(xué)家，“悟空”號是其在2005年最先提出后開始研制,。他評價“悟空”號衛(wèi)星時說道,，這是世界上第一次到天上去觀察TeV以上的波段，相當(dāng)于打開了宇宙新的觀察窗口,。

“悟空”號衛(wèi)星在軌運行的前530天共采集了約28億顆高能宇宙射線,，其中包含約150萬顆25GeV（1 GeV=10億電子伏特）以上的電子宇宙射線。

根據(jù)人們已知的物理規(guī)律,，來自宇宙空間的粒子能譜是有其特定分布的,。而在以往的暗物質(zhì)探測中，國際上有空間探測器發(fā)現(xiàn)在特定能量段電子會增多,，在能譜曲線上不再單調(diào)下降而是疊加了一個“拐折”,。

但他們通常只測量到“拐折”的上升部分，沒有測量到“拐折”的下降,。而“悟空”號此次不僅探測到能譜的上升過程,，還清楚地看到電子宇宙射線能譜在1TeV處開始下降。這對于研究這些增多的電子非常重要,。

此外,，“悟空”號還觀測到電子宇宙射線能譜在1.4TeV處存在一個“尖銳結(jié)構(gòu)”。中科院紫金山天文臺研究員范一中當(dāng)時分析說,，電子能譜在高能區(qū)突然出現(xiàn)拐折,，一定是有什么“源”影響了它。

這處發(fā)現(xiàn)是之前沒有預(yù)料到的,，但目前統(tǒng)計量還不夠,。等過幾年，統(tǒng)計量高了以后這個現(xiàn)象還在那里，就可以根據(jù)實驗去尋找原因,，看究竟是暗物質(zhì)還是其他天體物理,。但即便不是暗物質(zhì)，也是一些特殊的天體,。

微型中微子探測器

今年8月,，《科學(xué)》雜志公布了一項與中微子有關(guān)的研究成果。美國橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Lab)的科學(xué)團隊利用便攜式中微子探測器首次探測到中微子—原子核相干性散射,，從實驗上驗證了40多年前提出的一項物理學(xué)理論,。

中微子是核物理標(biāo)準(zhǔn)模型中的重要粒子，也是天文學(xué)中重要的觀測對象,，此前業(yè)界已投入大量人力物力對其展開研究,，2015年諾貝爾物理學(xué)獎就授予了對中微子振蕩的研究。

根據(jù)物理學(xué)定律,，粒子間存在4種基本力：引力,、電磁力、弱相互作用力,、強相互作用力,。中微子是一種特殊類型的粒子，只通過引力和弱相互作用力與其他粒子相互影響,，在目前條件下,，這兩種作用力的探測相當(dāng)困難。

1974年,，麻省理工學(xué)院理論物理學(xué)家丹尼爾·弗雷德曼（Daniel Freedman）提出了中微子—原子核相干性彈性散射理論,，認為中微子波長會隨著粒子能量而變化，當(dāng)其處于高能狀態(tài)時,，只與某個質(zhì)子或中子發(fā)生相互作用,；而當(dāng)其處于低能狀態(tài)時，就會與原子核發(fā)生相干性作用,，從而發(fā)出可以檢測到的信號,。

以往，為了觀測到足夠多的中微子,，中微子探測器必須夠大,。為了隔絕宇宙射線及其他可能的背景干擾，中微子的探測儀器時常設(shè)立在地底下,。

在弗雷德曼的理論下,，中微子除與質(zhì)子相互作用外，還能與整個原子核相互作用,。而原子核的尺寸要遠大于質(zhì)子,，這也使得利用尺寸較小的探測器探測中微子成為可能,。

此次取得探測成果的探測器,，就只有奶壺大小,，高度僅為24英寸,。該團隊利用摻雜鈉的碘化銫晶體制成的探測器，對橡樹嶺國家實驗室散裂中子源（Spallation Neutron Source）裝置產(chǎn)生的中微子進行了檢測,。當(dāng)中微子通過時,，碘化銫晶體內(nèi)的原子核會發(fā)生反彈，哪怕信號只有一點點,，碘化銫晶體也能產(chǎn)生可以檢測到的閃光,。

在461天的實驗數(shù)據(jù)中，他們總共觀測到了134次中微子散射事件,。該團隊證實了40多年前弗雷德曼提出的理論,，他們在中微子與原子核的碰撞過程中觀測到了短暫的閃光，這些光產(chǎn)生自原子核被中微子輕輕推動的過程,。

這次實驗的重要性主要在理論預(yù)言的證實上,，但實驗使用的輕便式探測器為觀測中微子提供了一種全新的途徑。如果此后在理論與實驗上有進一步的發(fā)展,，也許中微子的這一性質(zhì)可以啟發(fā)其它能量條件下中微子探測器的設(shè)計,。

卡弗里理論物理研究所物理學(xué)家胡安·科勒（Juan Collar）則提出，這次研究為未來更小的中微子實驗奠定了基礎(chǔ),，也許未來50年后,，中微子技術(shù)會像曾經(jīng)被認為屬于絕對高科技的激光一樣普及。

寫在最后

宇宙之深邃,，遠遠超乎人類目前的認知范圍,。上述三個物理領(lǐng)域的研究也只能說是剛剛開始。

但可喜的是,，在這些重大突破中,，我們看到了越來越多中國科學(xué)家的身影。比如在《自然》雜志評選的2017十大科學(xué)人物中,，中國科學(xué)家潘建偉因在量子通信領(lǐng)域取得的成績名列其中,。中國經(jīng)過多年的積累，在暗物質(zhì),、中微子探索方面已經(jīng)有所突破,，在基礎(chǔ)科學(xué)方面也可以與國際上進行競爭了。

未來,，科學(xué)研究將朝著多學(xué)科,、多領(lǐng)域和全球性的方向發(fā)展,，以往那些散落的、零星的理論預(yù)言以及實驗觀測將會逐漸被驗證,。

但隨著實驗觀測技術(shù)的迭代不斷增速,，科學(xué)家將會面臨巨量實驗數(shù)據(jù)處理的問題。人工智能的發(fā)展將會在未來的科研領(lǐng)域起到重要的輔助作用,，科學(xué)家在科研中所扮演的角色很可能因此而轉(zhuǎn)變,。