科技日报讯 （记者张梦然）英国《物理世界》杂志12月7日公布2023年度十大突破，范围从天文学、医学物理学研究到量子科学、原子物理学等。
在活体组织内生长电极、“数字桥”恢复脊髓损伤患者行走两项医疗相关成果入选此次榜单。瑞典科学家开发了一种直接在活体组织内创建电子电路的方法，将神经组织与电子设备连接，提供了一种研究神经系统复杂电信号或调节神经回路以治疗疾病的方法。另一组瑞士研究团队在患者大脑和脊髓之间开发了一座“数字桥梁”，脊髓损伤的患者在植入手术后，重新获得对腿部运动的直接控制。
基础物理方面，中微子探测质子结构、反物质的重力探索、时间的双缝演示成果入选。美国和加拿大团队展示了如何从塑料靶散射的中微子中，收集有关质子内部结构的信息，进一步阐明中微子如何与物质相互作用。欧核中心的ALPHA-g实验则首次直接观察到反氢原子对重力的反应与物质大致相同，为标准模型之外的新物理学打开了大门。英国团队演示了杨氏双缝时间干涉，可应用于信号处理和通信或光计算的光开关。
天文学研究中，在玻色—爱因斯坦凝聚体（BEC）中模拟膨胀宇宙、早期星系改变宇宙“铁证”入选。德国、西班牙和比利时团队使用BEC模拟了膨胀的宇宙及其内部的量子场，让人们了解真实的宇宙是如何变成今天的样子的。另一组科学家利用詹姆斯·韦布太空望远镜找到了令人信服的证据，证明早期星系导致了早期宇宙的再电离。
材料学领域，首个原子X射线图像、材料中的超音速裂纹入选。美国团队利用同步加速器X射线对单个原子进行成像，能探测到极低水平的有毒物质。以色列团队则发现某些材料中的裂纹传播速度可超过声速，这一结果与之前的实验结果和基于经典理论的预测相矛盾。
此外，大规模量子网络的构建模块亦入选。奥地利和法国团队建造了一个量子中继器，并使用它通过标准电信光纤在50公里的距离上传输量子信息，从而展示了所有单个系统中长距离量子网络的关键功能。
《Physics World》很高兴地公布 2023 年年度十大突破，范围从天文学和医学物理学研究到量子科学、原子物理学等。年度物理学界整体突破将于 12 月 14 日星期四揭晓。
这 10 项突破是由《物理世界》编辑小组选出的，他们筛选了今年在该网站上发布的数百项涉及物理所有领域的研究更新。除了已在 2023 年《物理世界》上报道外 ，入选作品还必须满足以下标准：
下面按照《物理 世界》报道的时间顺序列出了 2023 年十大突破。下周回来看看哪一个赢得了年度物理学世界突破奖。
复杂的混合物正在微制造电路上测试可注射凝胶。（由托尔·巴尔赫德提供）
感谢Xenofon Strakosas、Hanne Biesmans、Magnus Berggren以及林雪平大学、隆德大学和哥德堡大学的同事开发了一种直接在活体组织内创建电子电路的方法。将神经组织与电子器件连接提供了一种研究神经系统复杂电信号或调节神经回路以治疗疾病的方法。然而，刚性电子设备和软组织之间的不匹配可能会损害脆弱的生命系统。相反，该团队使用可注射凝胶直接在体内创建软电极。注射到活体组织后，凝胶中的酶分解体内的内源代谢物，从而引发凝胶中有机单体的酶聚合，将其转化为稳定、柔软的导电电极。研究人员通过将凝胶注射到斑马鱼和药用水蛭中来验证这一过程，凝胶在斑马鱼和药用水蛭中聚合并在组织内生长电极。
致美国罗切斯特大学和加拿大约克大学的蔡特金，以及费米实验室MINERvA的同事实验展示如何从塑料靶散射的中微子中收集有关质子内部结构的信息。中微子是亚原子粒子，以很少与物质相互作用而闻名。因此，当博士后研究员蔡提出可以观察到塑料中质子偶尔散射的中微子时，人们产生了怀疑。该团队面临的巨大挑战是在更大的中微子背景下观察从孤立质子（氢核）散射的中微子信号，这些中微子从束缚在碳原子核中的质子散射。为了解决这个问题，他们模拟了碳散射信号，并小心地将其从实验数据中减去。除了提供对质子结构的见解之外，
致德国海德堡大学的 Celia Viermann 和Markus Oberthaler以及Stefan Floerchinger德国耶拿大学以及西班牙马德里康普顿斯大学、德国波鸿鲁尔大学和比利时布鲁塞尔自由大学的同事使用玻色-爱因斯坦凝聚态 (BEC) 来模拟膨胀的宇宙其中的量子场。在这个模拟系统中，凝聚态代表了宇宙，而穿过凝聚态的声子则扮演了量子场的角色。通过改变 BEC 中原子的散射长度，研究小组使“宇宙”以不同的速率膨胀，并研究了声子如何在其中传播密度波动。宇宙学理论预测，类似的效应导致了早期宇宙中大规模结构的形成，因此模拟的宇宙可能会产生有价值的见解，让我们了解真实的宇宙是如何变成今天的样子的。
致伦敦帝国理工学院的Romain Tirole和Riccardo Sapienz及其同事演示了杨氏双缝时间干涉。托马斯·杨(Thomas Young) 19 世纪对光波干涉的观察是物理学史上最具标志性的实验之一，为光的波动理论提供了基础支持。虽然该实验和其他类似实验涉及光通过空间中的一对窄缝的衍射，但英国和其他地方的研究人员表明，使用双缝在时间上实现等效效果是可能的。时间模拟涉及固定动量但变化的频率。一种材料中，两条狭缝迅速出现，然后一个接一个地消失，应该会导致入射波在空间中保持其路径，但在频率上扩散。研究人员通过快速连续两次打开和关闭半导体镜的反射率并沿着从镜反射的光的频谱记录干涉条纹来实现这一目标。他们发现干扰发生在不同频率的波之间，而不是不同的空间位置之间。这项工作可能有多种应用，例如用于信号处理和通信或光计算的光开关。
恢复控制大脑和脊髓之间的数字桥梁帮助瘫痪者自然行走。（由 CHUV/吉尔斯·韦伯提供）
感谢洛桑联邦理工学院 (EPFL) 的Grégoire Courtine 、洛桑大学医院和 EPFL 的Jocelyne Bloch 、 CEA-Leti's Clinatec 的Guillaume Charvet以及同事们在大脑和脊髓之间建立了一座“数字桥梁”这使得瘫痪的人能够自然站立和行走。脊髓损伤会断开大脑和负责行走的脊髓区域之间的通讯，从而导致永久性瘫痪。为了恢复这种通信，该团队开发了一种脑-脊柱接口，包括两个可植入系统：一个用于记录皮质活动并解码用户移动下肢的意图；另一个用于记录大脑活动并解码用户移动下肢的意图。另一个用于电刺激控制腿部运动的脊髓区域。该团队在一名 38 岁的男子身上测试了该系统，该男子 10 年前因自行车事故造成脊髓损伤。植入手术后，这座桥使参与者能够重新获得对腿部运动的直观控制，使他能够站立、行走、爬楼梯和穿越复杂的地形。
致本·兰宁以及奥地利因斯布鲁克大学和法国巴黎萨克雷大学的同事建造了一个量子中继器，并使用它通过标准电信光纤在 50 公里的距离上传输量子信息，从而展示了量子中继器的所有关键功能单个系统中的长距离量子网络。该团队利用一对被捕获的钙 40 离子创建了量子中继器，这些离子在受到激光脉冲照射后会发射光子。这些光子中的每一个都与其“母”离子纠缠在一起，然后被转换为电信波长并沿着单独的 25 公里长的光纤发送。最后，中继器交换两个离子上的纠缠，使两个纠缠光子相距 50 公里——大约是创建具有多个节点的大规模网络所需的距离。
美国阿贡国家实验室的Saw Wai Hla和Volker Rose及其同事利用同步加速器 X 射线对单个原子进行成像。直到最近，使用同步加速器 X 射线扫描隧道显微镜可以分析的最小样本量为阿克，约为 10,000 个原子。这是因为单个原子产生的 X 射线信号极其微弱，传统探测器的灵敏度不足以检测到它。为了解决这个问题，该团队在传统的 X 射线探测器上添加了一个锋利的金属尖端，该探测器放置在待研究样品上方仅 1 nm 处。当尖锐的尖端在样品表面移动时，电子穿过尖端和样品之间的空间，产生电流，这本质上检测到每个元素独特的“指纹”。这使得该团队能够将扫描隧道显微镜的超高空间分辨率与强 X 射线照明提供的化学灵敏度结合起来。
前往艾格峰合作使用詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 找到了令人信服的证据，证明早期星系导致了早期宇宙的再电离。再电离发生在大爆炸后约 10 亿年，涉及氢气的电离。这使得原本被氢吸收的光能够传播到今天的望远镜。再电离似乎是随着局部气泡的生长和合并而开始的。这些气泡可能是由辐射源产生的，一种可能性是它来自星系中的恒星。艾格峰研究人员使用 JWST 的近红外相机来观察穿过电离气泡的古代类星体发出的光。他们发现星系位置和气泡之间存在相关性，
感谢以色列耶路撒冷希伯来大学的Meng Wang、Songlin Shi 和Jay Fineberg ，他们发现某些材料中的裂纹传播速度可以超过声速。这一结果与之前的实验结果和基于经典理论的预测相矛盾，经典理论认为超音速裂纹扩展是不可能的，因为材料中的声速反映了机械能穿过材料的速度。该团队的观察结果可能表明存在所谓的“超剪切”动力学，其受不同于引导经典裂缝的原理的控制，正如美国德克萨斯大学奥斯汀分校的迈克尔·马德(Michael Marder) 近 20 年前所预测的那样。
向下：ALPHA-g 的筒状闪烁体正在欧洲核子研究中心组装。（由欧洲核子研究组织提供）
前往ALPHA 合作以证明反物质对引力的反应与物质的反应方式大致相同。物理学家利用 CERN 的 ALPHA-g 实验首次直接观察到自由落体的反物质原子——反氢原子，由与反电子结合的反质子组成。这是在一个高的圆柱形真空室中完成的，其中反氢首先被保存在磁阱中。反氢从陷阱中释放出来并在室壁上湮灭。研究小组发现，释放点下方发生的湮灭事件多于释放点上方发生的事件。在考虑了反氢的热运动后，研究小组得出结论，反物质会下落。令人着迷的是，反氢因重力而产生的加速度约为正常物质所经历的加速度的 75%。尽管该测量的统计显着性较低，
今年的前十名中，值得一提的是在美国造价 35 亿美元的国家点火装置(NIF) 工作的物理学家，他们去年年底在我们选出 2022 年获奖者后在该实验室进行了工作（因此错过了也是我们 2023 年突破性的选择）。2022 年 12 月 13 日，该实验室宣布，受控核聚变反应产生的能量超过了反应所需的能量。2022 年 12 月 5 日进行的激光射击从含有两种氢同位素的微小颗粒中释放了 315 万焦耳 (MJ) 的能量，而这些激光传递到目标的能量为 2.05 MJ。这次净能量增益的演示标志着激光聚变的一个重要里程碑。
1901年至2023年间，诺贝尔物理学奖共授予225位诺贝尔物理学奖获得者117次。约翰·巴丁是唯一一位曾于1956年和1972年两次获得诺贝尔物理学奖的获得者。这意味着共有224人获得诺贝尔物理学奖。曾获得诺贝尔物理学奖。单击链接以获取更多信息。
