2010年12月12日，作为中国首个极深地下实验室，中国锦屏地下实验室在四川雅砻江锦屏水电站正式投入使用，这个世界岩石覆盖最深的实验室的启用，标志着中国已经拥有开展物理学重大基础前沿科学研究的自主地下实验平台。
据介绍，该实验室是清华大学和二滩水电开发有限责任公司合作，利用二滩公司为建设水电站修建的锦屏山隧道建成的，其垂直岩石覆盖达2400米，是目前世界上岩石覆盖最深的地下实验室。 新华社供图
拿着铅笔和胶带做实验的两位物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在2010年收获了世人瞩目的诺贝尔物理学奖，他们用小学生都能掌握的方法获得了世界上最薄的材料——石墨烯。
诺贝尔奖获得者李政道曾说，科学家不能看到别人站在浪头上再去追逐这个浪头，等赶上了，这个浪头也过去了。要分析什么是新浪头，创造新浪头。
如果说2009年物理学的关键词是“应用”，那么回顾2010年，用“探索和发现”来形容物理学，特别是国内物理学的发展会更为贴切。
凝聚态物理：铁基高温超导、拓扑绝缘体、冷原子一个都不能少
“从2008年铁基高温超导体被发现以来，在过去的两年多时间中进展相当迅速，也是凝聚态物理中研究的重点。”中科院物理所研究员、北京凝聚态国家实验室首席科学家丁洪在接受《科学时报》记者采访时表示，凝聚态物理作为技术发展的主力载体，其研究在当今物理界占有最大的份额。
在2010年，中国科学家的工作受到国际同行肯定。
“我们最近做的一项很重要的工作，2011年1月发表在《自然—物理》上，主要是研究超导配对的对称性问题，跟超导体的机理相关。2010年在美国《科学》杂志上也发表了一篇相关的论文。”丁洪说。
在2010年，铁基高温超导的温度并没有提高，目前最高还是55K～56K。但铁基材料还是引起了轰动，原因是其或许有助于解决长期以来的奥秘——铜氧化物是如何超导的。关键问题是这两类超导体的工作原理是否相同。
丁洪表示，虽然温度没有提高，但科学家对铁基高温超导体的物理性质、超导配对和超导机理的理解更加深入。实际上，研究清楚铁基高温超导体的机理是十分困难的，这与25年前发现的铜氧化合物超导体有些类似，同样在物理上非常难理解。
“最近有一个很大的突破，中科院物理所研究员陈晓龙课题组做出了新的铁基超导体，含有硒但不再含有剧毒的砷，温度可以达到30K，所以为未来超导的应用解除了一些限制。”在丁洪看来，新材料的发现是重要的突破，因为这种新的铁基高温超导体看起来跟以前所有的铁基高温超导体都不一样，其机理正在研究中。
拓扑绝缘体是一种新的量子物质态，完全不同于传统意义上的“金属”和“绝缘体”。这种物质态的体电子态是有能隙的绝缘体，而其表面则是无能隙的金属态。拓扑绝缘体的研究也是凝聚态物理研究中最热的一个方向。
中科院物理所研究员方忠、戴希等人发现，在拓扑绝缘体材料的薄膜中通过掺杂过渡金属元素可以实现量子化的反常霍尔效应。这里最关键的问题是通过磁性掺杂，借助Van Vleck顺磁性，可以实现磁性的拓扑绝缘体，磁性居里温度可以达到70K的量级。论文2010年7月发表在美国《科学》杂志上。
通过第一性原理计算和理论分析，他们发现这一磁性原子掺杂体系与一般的稀磁半导体有明显的不同，这里不需要有载流子，体系仍然保持着绝缘体的状态，且可以实现铁磁的长程有序态。而且由于薄膜中掺杂原子的自旋极化与强烈的自旋—轨道耦合，在这一体系中无需外加磁场，也无需相应的朗道能级，在适当的杂质掺杂浓度和温度下，就可以观察到量子化的反常霍尔效应。这一发现为低能量耗散的新型电子器件设计指出了一个新的发展方向。
“这个工作主要是预研，有可能在拓扑绝缘体上实现一个新的量子态。其最大特点就是不用外加强磁场也能实现量子霍尔效应。我们的理论是用材料固有的自旋—轨道耦合实现材料内部磁场的作用。”戴希向《科学时报》记者解释说。
方忠认为，拓扑绝缘体在某种程度上把物理和数学结合起来了。但过去实现量子霍尔的条件极为苛刻，需要很强的外磁场和极低的温度。这使得其在实际中基本不可能实现。
“当时我们有一个非常直接的想法，就是能不能找到一些材料有合适的结构，可以在室温下实现量子霍尔效应。”方忠对《科学时报》记者说，2010年他们所做的工作都是朝这个方向努力。
但戴希也坦言，这还只是预研，有些实验组正在往这方面努力，如果实验能实现的话将是科学上一个非常大的突破，因为实验做起来的难度会非常大。
他们表示，拓扑量子计算是实现量子计算最有前途的方向之一。而如果能在现在的器件制造中应用量子霍尔效应，很有可能会改变现在的半导体工业。
在冷原子研究方面，从第一次实现之后，其发展是非常令人吃惊的。丁洪认为，以前要制备冷原子非常困难，基本要把温度降到绝对零度，但通过十几年的发展，现在科学家已经有方法来制备冷原子。
“冷原子的研究进展对理论、应用都十分具有价值。现在国内做得比较好的是中国科大教授潘建伟。”丁洪说，冷原子可以用来做原子钟，对国防、量子通讯等领域非常重要。
天文和天体物理：何时“吹散”那“两朵乌云”
暗物质与暗能量的存在几乎颠覆了人们以前对宇宙的认识，堪称新世纪物理学的“两朵乌云”，对这两个问题的研究必将再次带来新的认识突破。
中科院理论物理所研究员吴岳良和周宇峰向《科学时报》记者表示，目前，暗物质的存在证据全部来自天文观测，其存在是通过其引力效应间接推断出来。暗物质参与的相互作用可表现为暗物质湮灭到常规物质或与其发生碰撞和散射。这启发人们到高能宇宙射线和地下极低本底探测仪器中去寻找暗物质留下的踪迹。目前，全世界已经有多个暗物质卫星探测实验和数十个暗物质地下探测实验在积极工作中。
最近几年暗物质空间和地下探测实验均取得了重大进展。中国科学院紫金山天文台参与的ATIC空气球探测器结果显示，在高能区正负电子的总能谱有明显的超出背景现象。其后的美国Fermi LAT卫星实验以前所未有的高精确度，再次测量了正负电子的总能谱，其结果也显示超出现象，但能谱较平缓，与ATIC的测量结果并不完全一致。
在暗物质地下探测方面，实验的灵敏度正在大幅提高，已经对某些流行的暗物质理论模型，如最小超对称模型，给出了一定的限制。2009年末，CDMS实验组宣布发现了两个可能的暗物质与核子碰撞的事例。引起了广泛关注。但目前还不能排除是统计误差引起的。近期同样位于明尼苏达的CoGeNT实验也宣称观察到轻的暗物质粒子的可能迹象。
吴岳良和周宇峰认为，2010年，实验方面的进展极大地推动了对暗物质的理论研究。
针对近期实验结果的暗物质理论模型和唯象分析研究处于极为活跃的状态，目前世界各国都在集中力量研究暗物质和暗能量。国际上许多进行精确宇宙学研究和探测暗物质暗能量的地面和空间的实验正在计划和筹建中。
我国也正在积极推进暗物质方面的研究工作。在积极参与暗物质暗能量探测国际合作组并作出了重要成果的基础上，2010年科技部“973”计划项目“暗物质暗能量的理论研究与实验预研”正式启动，将充分利用理论研究与实验探测设计相结合和多学科交叉融合的优势，积极发挥理论先行的作用，突破探测器的关键技术，优化实验方案设计，为推进我国大科学目标的建设作出贡献。
2010年12月，我国锦屏山暗物质探测实验室正式投入运行。该实验室具有得天独厚的有利条件，是目前为止世界上最深的地下探测实验室。多家研究单位将在这里展开新一轮的暗物质探测实验，将为最终解开暗物质之谜作出贡献。
生物物理学：中国科学家与世界并进
光学显微镜可以观测生物分子的动力学特性，但是无法获取原子结构信息；电子显微镜可以拍摄生物分子的静态结构，但是无法获取动力学信息。为了突破这一技术限制，日本金泽大学生物物理实验室教授安藤敏夫领导的实验组，大大改进了高速原子力显微镜技术，直接观测到了肌球蛋白V在轨道上行走的完整过程。
“肌球蛋白V是细胞中负责输运的有两条‘腿’的分子马达，每一步跨越大约36纳米的长度。”中科院理论物理所研究员王延颋向《科学时报》记者介绍说，该实验组的原子力显微镜以每幅146.7毫秒的速度直接拍摄到了肌球蛋白V“行走”的具体过程，为验证以前针对肌球蛋白V运动提出的设想的微观机制提供了直接的实验证据。这一技术有望应用于对其他类型生物分子的运动的直接观测。
计算机分子动力学模拟日益成为对生物分子进行理论研究的重要工具，但是分子动力学方法所能模拟的时间尺度通常难以超过1微秒，而许多生物学过程需要微秒至毫秒量级的时间完成。
2010年，美国的D.E.Shaw研究组设计并实现了一台专用于分子动力学模拟的计算机，并用其对特定的蛋白质折叠过程进行了长达1毫秒的模拟。模拟结果与已有的实验数据符合得非常好。
王延颋表示：“这一成果不但凸显了分子动力学模拟在生物研究中的重要性，也为现有的经验力场对生物分子长时间模拟的适用性提供了直接证据。”
短链核酸在一些生物过程中起着非常重要的作用，例如它们可以在细胞内影响内源基因的功能。因为短链核酸很容易被降解，对它们的保护和存储非常重要。在脂质与短链核酸的混合物lipoplex中，短链核酸被挤压在一起，从而避免被降解。
中国科学院物理研究所研究员李明领导实验组用低角度X射线散射的实验手段研究了一种包含有单股寡脱氧核苷酸的lipoplex在固体支撑物上的结构性质。研究表明，当单股寡脱氧核苷酸的浓度低于0.16时，lipoplex呈现均匀结构；在更高浓度下，lipoplex出现相分离，分为寡脱氧核苷酸含量多和含量少的两个相。这一研究成果为更有效地存储和利用短链核酸提供了重要信息。
许多生物分子会自发组装成二十面体的结构，例如HIV会组装形成二十面体的病毒壳。关于生物分子为什么倾向于二十面体而非其他多面体结构，一直缺乏合理的解释。
中国科学院理论物理研究所的博士研究生周莉在导师欧阳钟灿院士指导下，运用Lenosky格点模型估算了5种自然界可以稳定存在的规则凸多面体的弹性能量。计算表明二十面体具有最小的表面弹性能，这或许是生物分子选择组装成二十面体的主要原因。这一能量分析方法还有望推广到研究其他非规则多面体结构的情形。
粒子物理学：大型强子对撞机或将带来“黄金时代”
欧洲核子研究中心CERN的大型强子对撞机（LHC）于2009年11月已开始正式运行，并从2010年3月30日进行了质心能量为7TeV的对撞。大量理论研究表明，在LHC探测的能区将很可能发现超出标准模型的新物理。
中科院理论物理所研究员李田军向《科学时报》记者表示，一旦LHC确认了新物理现象，粒子物理将进入一个黄金时代。
粒子物理学是研究自然界的基本粒子及其相互作用的学科。粒子物理标准模型的建立，是20世纪物理学最伟大的成就之一，它几乎与目前所有的实验相符合。为了将电弱规范对称性破缺到电磁相互作用并给三代费米子质量，科学家们引入标量黑格斯粒子。但到目前为止，黑格斯粒子始终没有被发现。
根据介绍，LHC将寻找黑格斯粒子并解释物质质量起源。同时它将检验超对称标准模型是否正确。特别是在某些参数空间可检验超对称标准模型中的暗物质，并测量规范玻色子的超对称伴侣的质量。
另外，LHC也将研究以下基本问题：第一，自然界是主要由物质如重子组成。按照量子场论，通常物质都存在相应的反物质。按照暴涨理论，物质和反物质在早期宇宙都能产生。物质和反物质成对湮灭成能量，如光子，问题是宇宙演化后自然界主要是由物质组成。LHC的底夸克探测器（LHCb）将研究物质和反物质的不同，这有助于我们理解物质和反物质不对称。
第二，按照暴涨理论，极早期宇宙是由非常热和密度非常高的基本粒子组成，包含夸克和胶子（规范玻色子），这形成夸克和胶子等离子体。LHC的大型离子对撞机（ALICE）将重新制造类似的夸克和胶子等离子体，并研究相应的性质。这有助于我们理解极早期宇宙。
第三，超弦理论预言了额外空间维度。如果额外空间维度很大，我们能自动解释规范等级问题，并且在大型强子对撞机上探索大的额外空间维度。
新粒子物理模型构造主要围绕规范等级问题展开。人们对新物理目前主要有三类猜测：1.超对称；2.黑格斯粒子是复合粒子；3.额外空间维度。除去以上3种可能性，还有一些属于上述想法的混合。超对称是一种玻色子和费米子之间的对称性，故在超对称标准模型中每一标准模型粒子都有其相应的超对称伴侣。由于自旋统计关系，它能最自然解释规范等级问题。超对称标准模型是目前最好的新粒子物理模型。
引力相互作用：基本的还是诱导的？
黑洞热力学深刻揭示了热力学和引力理论存在某种联系。时空的动力学（引力）和热力学定律存在本质的联系吗？
2005年，中科院理论物理所研究员蔡荣根及其合作者成功推导出了描述时空动力学的复利德曼方程。该研究成果被2006年诺贝尔物理学奖获得者Smoot和知名引力学家、加拿大滑铁卢大学教授Mann等认为：为引力理论和热力学的本质联系提供了新的证据，推进了相关研究。蔡荣根等进一步系统地研究了宇宙动力学和热力学的联系，建立了宇宙学表观视界的热力学。特别是证明了宇宙学的表观视界像黑洞的事件视界一样存在霍金辐射。该论文被英国《经典和量子引力》杂志编委会推荐为该杂志2009～2010年度亮点论文之一。
“这些研究成果毫无疑问地暗示了引力理论和热力学理论存在深刻的内在联系。”蔡荣根向《科学时报》记者表示。
在前人工作的基础上，2010年初，世界知名的荷兰理论物理学家爱里克·佛灵德提出引力不是一种基本相互作用，而是一种熵力的观点。佛灵德的论文引起了世界理论物理学界的极大反响。包括诺贝尔物理学奖获得者如G.'tHooft、D.Gross、G.Smoot等一批世界著名的理论物理学家对佛灵德的工作表现出了极大兴趣并给出了高度评价，认为是对引力本质的深刻认识。与此同时，也有一些物理学家认为佛灵德的工作存在逻辑循环，没有给出新的思想。
佛灵德的工作也引起了中国物理学家的极大兴趣，在宇宙学、黑洞物理、引力理论本身等许多方面对佛灵德的思想进行了考察，在国际高水平的学术杂志上发表了许多有意义的研究工作。
《科学时报》 (2011-2-11 A1 要闻)
