□本报记者 陈欢欢
杨振宁曾说，上世纪20年代是物理学“遍地黄金”的年代——爱因斯坦26岁时一年能写出3篇震惊世界的文章；到上世纪40年代，“黄金”被掘走了，但还有“白银”，高能物理、基本粒子物理领域也能出成就。如今，黄金、白银时代都过去了，当代研究者还能做些什么？
总结2009年的物理学进展也许可以回答这个问题。
岁末年初，中科院理论物理研究所欧阳钟灿院士、北京大学核物理学院教授孟杰在接受《科学时报》记者采访时，盘点了2009年物理学大事记。对于上述问题，欧阳钟灿认为：“物理继续引领21世纪的技术革命毋庸置疑。”
核物理迎接大发展
“低碳”是2009年的一大流行词。2009年，新能源和其他能源、环境科技正在以迅雷不及掩耳之势迅猛发展，这也印证了北京大学甘子钊院士2007年作出的物理学从IT向ET（环境、能源科技）发展的判断。
作为新能源的一个重要方向，2020年我国核电将达40GW，比重提高到4%～5%。目前，我国新开工建设核电站8个，核准规模3140万千瓦，成为世界在建核电规模最大的国家。
为提高核能利用率，我国已在原子能科学研究院投入26亿元，建成核能发展的第4代堆型——快中子堆试验电站，年发电25万千瓦。
据孟杰介绍，国际热核聚变实验堆（ITER）计划使人类迈出了从受控热核聚变研究走向实用的关键一步。而利用核能的另外一种方式就是衰变能。近年来，原子核的同核异能态受到越来越多的关注。自然界中存在很多寿命几天、几年甚至长达几十年的同核异能素，如果可以在受控触发下衰变，就能按需释放能量，成为一种潜在的清洁能源。
2009年，元素周期表上又增加一个新成员，德国科学家Sigurd Hofmann领导的研究小组发现的112号元素被国际纯粹与应用化学联盟所承认。为了纪念哥白尼（Nicolaus Copernicus），他们建议将112号元素命名为copernicium，简称Cp或者Cn（待定）。
过去十多年中，俄罗斯杜布纳联合核子研究所的研究小组报道了从113到116和118号元素的合成。但由于缺乏独立验证，这些元素是否存在一直存疑。2009年9月，美国劳伦斯伯克利国家实验室的科学家利用实验，终于验证了俄罗斯科学家关于114号元素合成的实验。而且，该实验还表明了俄罗斯科学家系列工作的正确性。
在医学应用方面，2009年11月2日，德国海德堡离子束治疗中心(HIT)正式运行。基于德国重离子研究中心（GSI）开发的新型癌症治疗设备，HIT每年可以治疗1300名病人。在我国，兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)提供的高能碳离子束成功实现了深层肿瘤（体内深度2～10厘米）重离子治疗。这是该实验室继2006年11月浅层肿瘤重离子治疗以来取得的新突破。
近期，中国科学家在核物理基础研究方面也取得了几项重要进展，如研究结果被Nature等选评为“研究亮点”。2009年，孟杰由于在原子核手性、磁转动和巨晕等方面的原创性贡献荣获2009年度海外华人物理学会“亚洲成就奖”。
孟杰表示，中国科学家一直在核物理的理论研究领域有相当的国际竞争力，中国科学家的名字在国际学术会议被提及的频次逐年增加；2009年持续在国际高水平杂志上发表有影响力的文章，逐步形成群体效应，并推出持久系统的工作。
高能粒子物理
东隅已逝桑榆非晚
2009年11月20日，经过长达14个月的维修和加固之后，LHC恢复正常运转，并于23日首次实现了第一束质子束流贯穿整个对撞机。12月8日晚又成功实现一次总能量高达2.36TeV的质子流对撞，使LHC成了目前世界上能量最高的粒子加速器。按计划LHC将在2010年第一季度实现7TeV能级的粒子对撞。
在美国，费米国家加速器实验室CDF和D0实验室科学家们一起合作，在Tevatron加速器粒子对撞实验中观察到了单个顶夸克的产生。单顶夸克的产生涉及到弱核力，很难用实验进行证明。这距离1995年首次发现顶夸克对已经过了大约14年。
在以色列，物理学家斯蒂恩豪尔等人在实验中形成一个能够捕获声音的声学黑洞。创造人造黑洞具有非常重要的意义，能够促使科学家用“玻色—爱因斯坦”冷凝原子模拟星体去验证霍金辐射理论。
2009年12月7日，美国“低温暗物质搜寻计划”（CDMS）小组在Nature发表文章称，已经在他们安装的高敏感探测器（CDMS-Ⅱ）发现了两个事件，特点与预期中科学暗物质中的重粒子“弱作用重粒子”（WIMP）疑似吻合。虽然现有结果不够显著，但可以说，人们已经站在了暗物质发现的边缘！
2009年我国高能物理也相当活跃。5月6日，中国最大的大科学装置和大科学平台“上海光源”首批7条光束线和实验站开始向用户试开放；北京正负电子对撞机二期（BEPCII）7月17日顺利通过国家验收，主要性能指标亮度已比改造前提高30多倍，是工作在相同能量区域的美国康奈尔大学的对撞机CESR纪录的5倍；以推动在我国的锦屏山建设地下实验室探测暗物质为主旨的香山科学会议于10月底召开；中国唯一的核科学领域国家重点实验室——北京大学核物理与核技术国家重点实验室顺利通过科技部验收；尤其值得一提的是，科技部2009年批准了挂靠在中科院理论物理所的暗物质暗能量研究的“973”项目。另外，国家“十一五”期间重点建设的大科学装置中国散裂中子源（CSNS）将于2010年开工建设，建成后，CSNS将进入世界四大散裂中子源行列。
“应该说，从国内外的进展来看，高能粒子物理研究事业处在东隅已逝桑榆非晚的状况。”欧阳钟灿评价说。
凝聚态物理挑战极限
凝聚态物理虽然是小学科，但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。“这点只要掂掂每月《物理评论》B、E的重量，量一量《物理评论快报》‘软硬’凝聚态物理目录的长度，就可证实。”欧阳钟灿说。
如果把量子信息也归为凝聚态物理，2009年，《物理世界》列出的9项最佳成果中有5项是凝聚态物理，其中4项为：
1.室温下的硅自旋电子器件（Nature，11月26日）。在以电子电荷为信息载体的半导体技术走到量子极限的今天，物理学家正在进行一场用电子自旋代替电荷的革命。2009年，荷兰屯特大学的一个小组研制出一种基于硅的“三端子”器件，成功演示了在室温下对两个电子和它们带正电的空穴的自旋极化的成功注入、操纵和检测。他们的发现表明，硅在自旋电子学中仍然是人类最爱的材料。
2.石墨烷诞生。英国曼切斯特大学研究人员1月30日在Science发表研究结果称，他们已经在石墨烯的基础上成功制造出一种新的材料——石墨烷。石墨烯是他们在2004年发现的，不仅是已知材料中最薄的，还异常稳定、牢固，在室温下传递电子的速度比已知导体都快。石墨烷没有改变或损害石墨烯自身的特殊构造，但却是完全绝缘的。现代半导体产业已经使用了涉及整个元素周期表的材料，但是否有一种材料能够满足电子产品的所有要求呢？石墨烯可能就是这种奇妙的材料。
3.月球发现水。9月17日NASA公布，“月球勘测轨道飞行器”（LRO）上的月球辐射实验（Diviner）发现月球极地环形山永久阴影区的温度仅有33K（-240℃）,这一温度可以储存水冰或者氢数十亿年。一周之后，NASA的科学家宣布搭载在印度“月船”1号上的月球矿物探测器在月球的极区发现了水分子。10月8日NASA“月球环形山观测和传感卫星”（LCROSS）冲击了月球南极附近卡比奥环形山，溅射出100多公斤水。
4.原子远距取信。异地取物一直仅存在于科幻小说中，如今量子通信研究却使它成了物理新词汇。2009年1月，美国马里兰州大学Christopher Monroe及其同事制造出一台能够将镱离子状态从实验室一侧传送到另一侧的传送机，这种新手段能够成为量子中继器的基础，进而实现任何距离内的量子通讯和量子计算机的信号传输。
在上述几个领域中，我国都有不少科学家、研究项目在跟进，在《物理评论快报》发表成批论文已非罕事。“但可惜的是在国际上提出概念性突破、令外国人跟进的还不多见。”欧阳钟灿不无遗憾地指出。
不过这种状况正在改变，如在新一轮超导热中，中国科学家后来居上，达到铁基超导研究的最前沿。2009年日本《应用物理》发表了铁基高温超导体发明者、东京工业大学细野秀雄的文章，其中特别提到中国科学院、中国科大上述研究把铁基超导临界温度达到55K的贡献并引用了他们的论文。
而在2009年我国凝聚态物理研究中，最为突出的当属中国科学技术大学在量子通信方面获得的进展。
量子计算机面世不遥远
量子通信网产业化见曙光
与传统计算机不同，量子计算机运用的是并行计算，能够大大提高计算效率、处理大容量数据。例如分解500位的自然整数，目前最快的计算机需要几十亿年才能完成，而量子计算机只需要1分钟。因此，量子计算机一旦横空出世，将攻破现有计算机全部密码体系，成为兵家必争的战略高地。但是，量子计算机究竟何时能够面世谁也说不准。
2009年，美国国家标准技术研究院的科学家们让这一梦想不再遥远。他们研制出的世界首台可编程通用量子计算机被英国《物理世界》杂志评选为2009年物理学唯一一项“年度突破性成就”。
据悉，这台可编程量子计算机中的量子逻辑门均已编码成为一个激光脉冲，用铍离子存储量子比特。当激光脉冲量子逻辑门对量子比特进行简单逻辑操作时，铍离子就开始旋转运行。在进行了大量实验之后，科学家们最终验证，该芯片基本可以按既定程序工作。由于量子比特比传统计算机中的“0”和“1”比特可以存储更多信息，因此量子计算机的运行效率和功能也将大大突破传统计算机。
在国内，中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室杜江峰小组也取得了可喜成果。他们和香港中文大学教授刘仁保合作，通过电子自旋共振实验技术，在国际上首次通过固态体系实验实现最优动力学解耦，极大提高电子自旋相干时间。这一成果发表在2009年10月29日出版的Nature上。
更令人振奋的是，中科大潘建伟团队利用自主研发的光量子程控开关，成功研制5节点的星型量子通信网络，实现了全功能运行，建成了中国第一个可实际应用的量子通信网络。这个全球首个城域量子通信网络2009年8月在合肥建成，并将逐步往产业化方向发展。
高锟获诺贝尔物理学奖的启示
2009年，又一位华裔科学家获得了诺贝尔奖。他就是获诺贝尔物理学奖的高锟。“在祝贺与钦佩之外，高锟获奖背后的启示值得我们学习和反思。”欧阳钟灿提醒说。
高锟因在光纤传输方面所取得的开创性成就而获奖，同他一起获奖的博伊尔和史密斯因发明CCD传感器而获奖。高锟的发明使玻璃制成了比头发丝更细的光纤，取代铜导线作为长距离通讯线路，使光信号代替电信号；CCD图像传感器终结了胶片的时代，使光学影像从模拟信号转化为数字信号。正是他们的发明引起了世界通信技术革命，使人类进入了数字通信时代，数码相机、数字电视、宽带网络、3G等新技术新产业，无不建立在他们的创新成就之上。
“高锟的获奖提醒人们：2009年物理的关键词是‘应用’。”欧阳钟灿说。
2009年10月7日在香港中文大学为前校长高锟举行的庆功会上，杨振宁说：“几年前，诺贝尔奖委员会一改向来比较重视基础科学的做法，把物理学奖颁给两名德国人，表扬他们发现的新物理现象（巨磁阻效应）把DVD容量增加了好几千倍。今年又把物理学奖颁给高锟，正好显示诺贝尔奖委员会越来越重视应用科学。”他还说，综观近100多年来所有重要的奖项，其趋势都是从基础科学向应用科学发展。
高锟夫人黄美芸在替高锟发表获奖演讲时，回忆了高锟在质疑声中坚持了自己的信念，最后使光纤通信得到世人认可的经验。
40多年前，高锟总是因为醉心于光纤研究而很晚回家，以至年幼的子女总要在餐桌前等爸爸回来才能开饭。高锟总是说：“别生气，我们做的是非常振奋人心的事情，有一天它会震惊世界的。”而黄美芸则生气地讽刺：“是吗？那你会因此获得诺贝尔奖吗？”
“对比一下，我们的年轻科研人员做到了吗？有没有经常接到太太催回家吃饭的电话？”欧阳钟灿认为，国内年轻物理工作者应当学习高锟全身心投入的精神。
1966年7月，高锟及其合作者的题为《光频介质光纤表面波导》的论文发表在Proceedings of Institute of Electrical Engineers。这一日期现在被视为光纤通信的诞生日期。然而，欧阳钟灿指出，这篇奠定光纤大业的论文居然是非SCI出生，“对比一下今天国内盛行的评价制度，这样一篇非SCI的IEE论文，对‘杰青’、‘长江特聘’、国家奖的评委们来讲简直是‘不堪入目’”。
这篇论文发表后，并没有引起太多的重视，但是BPO（英国邮电总局）和英国国防部立即支持。随后的若干年间，高锟四处奔走宣传他的观点，面对着普遍的怀疑，他坚持着，逐渐说服了别人。后来，康宁公司经过几年的努力最终使光纤走向产业，而康宁公司也从中获得了巨大回报——到上世纪90年代，康宁高纯度光纤玻璃制作经验使它成为液晶平板玻璃供应商的龙头老大，在我国更是独此一家别无分号。
对比现时国内，产学研结合的链条始终难以打通。欧阳钟灿给出的建议是：科研人员学学高锟的坚守，企业学学康宁的魄力，官员们学学BPO和英国国防部的前瞻。
结语
4年前，中科院院长路甬祥在第16届第三世界科学院院士大会上作了题为《百年物理学的启示》的报告，指出物理学在21世纪仍然是新世纪技术发展的带头科学。
“盘点2009年的物理进展，物理继续引领21世纪的技术革命毋庸置疑。但国内物理学界如何加快自身发展，关键还要解决理论联系应用的问题，并调整论文导向到结合国家需求的艰苦转换。”欧阳钟灿说。
最后，欧阳钟灿引用了《科学时报》2009年12月22日对八部门共同举行的聂荣臻诞辰110周年纪念座谈会的报道与物理学界的同仁共勉：“对目前科技界种种不良现象，周光召给予了严肃批评，如产学研结合没有得到根本改善，科学界协作精神不强，学术氛围不够浓；国力增强了，但没有与之相称的重大科研成果出现；科技投入增加了、队伍壮大了，但投入产出比可能不及聂荣臻领导时期。”
《科学时报》 (2010-2-11 A1 要闻)
