物理学家宣称实现了“无漏洞”的贝尔不等式实验。奖给荷兰代尔夫特理工大学的Bas Hensen、Ronald Hanson与同事们,他们进行了既没有局域性漏洞也没有探测性漏洞的贝尔不等式测量。他们的实验涉及位于相距1.28公里的金刚石中的纠缠的自旋,然后测量自旋之间的关联。金刚石之间距离这么远,以及自旋测量相对容易,保证了整个实验是无漏洞的,——实验结果证实了看似怪异的量子力学纠缠概念。注释:贝尔不等式说的是,某些自旋之间的关联在经典力学中必然低于某个上限,而这个上限是量子力学能够达到的。因此如果测量结果违反贝尔不等式,就说明经典力学是错误的,量子力学是正确的。1982年,阿斯佩克特等人做了这样的实验,结果确实违反贝尔不等式。后来又有许多研究组用各种方法重复这个实验,结论大都一致。但以前的实验都存在漏洞,或者是局域性漏洞,或者是探测性漏洞,也就是说,经典力学原则上还是有可能解释实验结果,因此较起真来,结论还不能完全确定。这两种漏洞有某种互补性,缩小一个漏洞就会扩大另一个漏洞,因而以前一直不能同时消灭两者。现在通过巧妙的实验设计和高超的技术手段,第一次同时克服了这两个漏洞,所以可以说是对贝尔不等式测量的盖棺定论。这是一项重大的进步,但如果要问,对大多数科学家的观念有什么影响?回答是没有影响,因为从1930年代以来,绝大部分科学家早就相信量子力学了,都用不着贝尔的不等式和阿斯佩克特的实验。量子力学的纠缠概念对公众来说很怪异,对科学界来说却是老生常谈,否定它才出人意料,肯定它只是再次证实常识。这类实验是以更突出的矛盾、更高的可靠性来检验一个已经被广泛接受的理论。如果结果是否定性的,整个科学界就会轰动,大家需要重新构建物理学大厦了。现在的结果都是肯定性的,量子力学再一次被证明为正确,那对大多数人来说就只是满足好奇心而已。当然,实验在技术上的进步是很重要的,例如在相距这么远的金刚石之间保持纠缠的方法。
首次探测到来自太阳系外行星的可见光。奖给葡萄牙天体物理与空间科学研究院与波尔图大学的Jorge Martins及其在葡萄牙、法国、瑞士、智利的同事们,他们首次测量了由一颗系外行星反射的高分辨率光谱信号。该团队使用了高精度径向速度行星搜寻设备(在欧洲南方天文台下属的La Silla天文台),研究来自51飞马座b星的光,——它是在1995年发现的。利用他们发展的新技术,Martins和同事们能够测量这颗行星的质量、轨道倾角和反射率,这些数据可以用来推断行星表面和大气的成分。按:我们以前只能观测到恒星的光,看不到太阳系外行星的光,也就对系外行星的成分一无所知,甚至连它们是固态、液态还是气态都不清楚。这个项目大大增进了我们对系外行星的了解,说不定能找到适合人类生存的星际移民目的地。
LHCb(“大型强子对撞机的美丽”,Large Hadron Collider beauty)宣称发现两个五夸克态。奖给欧洲核子研究组织(CERN)的LHCb协作组,他们表明五个夸克可以在被称为五夸克态的粒子中被束缚在一起。五夸克态的存在是在1970年代被首次预言的,在21世纪是争议的对象。今年,当两个质量约为4400 MeV/c2的五夸克态从大型强子对撞机的质子碰撞中涌现出来时,这个问题终于解决了。两个信号的统计显著度都超过9σ,远高于粒子物理中确认一个发现的黄金标准5σ。注释:质子和中子这样的重子是由三个夸克组成的,在重子之间传递相互作用的介子是由两个夸克组成的。夸克从来不会单独出现,因为把两个夸克分开时要耗费的能量太大,超过夸克质量对应的能量,于是会产生新的夸克。那么有没有多于三个夸克组成的粒子呢?理论预测了四个和五个夸克组成的粒子,但一直没有被证实。现在终于发现了五夸克态,可喜可贺。
硫化氢在203 K下是超导温度最高的超导体。奖给马克斯·普朗克化学研究所和约翰尼斯·古腾堡大学(都位于德国美因茨)的Mikhail Eremets和同事们,他们发现了第一种在地球表面能自然出现的温度下超导的材料。该团队发现,150万个大气压的极端压强下的硫化氢直到203 K都是超导体,这个温度比南极洲记录到的最低温度要高19K。虽然还需要进一步的研究来理解为什么这个材料会超导,这项发现可能已经为超导的圣杯即室温超导体铺平了道路。注释:超导体就是电阻为零的材料,在其中传输的电流永远不会衰减,有许多奇妙的应用前景。然而到目前为止,超导都只能在很低的温度下实现,能超过液氮温度(77 K,即零下196摄氏度)就算“高温超导”了。这项工作一下子把超导温度提高了几十度,甚至都超过了地球表面的最低温度,这是个重要的里程碑。当然离实用还很远,因为150万大气压的压强是个严重障碍。2014年,吉林大学的马琰铭和崔田两个研究组各自通过理论计算预测了硫化氢的超导性,马琰铭等人预测H2S在160 GPa的压强下(1 GPa约等于1万大气压)超导温度为80 K,崔田等人预测H3S(H2S与H2的复合物)在200 GPa下超导温度在191 K至204 K之间。Eremets等人大幅引用和致谢了崔田和马琰铭的结果,参见知社学术圈的《Nature: 中国学者预测的203K超导体被实验证实 | 颠覆所有极限!》(http://chuansong.me/n/1848797)和《关于中国学者预测203K超导体被实验证实的补充说明》(http://chuansong.me/n/1851448)。中国科学家对这项发现也有重要贡献,不过由于所用的理论是传统的BCS超导理论,计算的难度并不很大,而实验的难度要大得多,所以实验家的荣誉高于理论家的荣誉。