物理科技新闻《物理世界》揭晓2024年度十大科学突破

用户投稿 2025年12月21日 11:56:01 7 0

《物理世界》揭晓2024年度十大科学突破

来源：科技日报

图片来源：美国得克萨斯大学达拉斯分校

图片来源：美国佐治亚理工学院/中国天津大学

图片来源：谷歌量子AI公司

本报记者张梦然

世界知名的学术期刊《物理世界》2024年度十大科学突破于12月12日揭晓。中国两项科研成果入选：自带“开关”的半导体石墨烯，以及从月球背面返回的第一批样本。

《物理世界》编辑团队回顾了今年以来报道过的所有科学发现，并挑选出他们认为最重要的10项。这些突破必须满足以下标准：知识或理解上的重大进步、对科学进步和/或实际应用开发的重要性，以及受到读者普遍关注。这十大突破如下。

吸光染料将皮肤变成“透明窗”

皮肤是一种散射介质，是不透明的。但美国得克萨斯大学达拉斯分校与斯坦福大学的联合团队，在活体小鼠头部和腹部皮肤上涂抹水与柠檬黄的混合液，让这些区域变得透明。该过程在动物试验中可逆，有望在广泛的医学诊断中发挥重要作用。

激光冷却正电子

欧洲核子研究中心（CERN）与日本东京大学团队成功演示了正电子的激光冷却技术。通过将正电子冷却至低温，团队不仅能够更精确地研究这些反粒子，还能显著提高反氢（由正电子和反质子组成的反原子）的产量，预计可增加一到两个数量级。这一成就也标志着在理解和研究反物质领域的一个重要进展。

肺细胞建模用于个性化放疗

放射疗法是肺癌治疗的一种有效手段，但其对健康组织有潜在损害。英国、德国及美国科学家组成的联合团队开发了一个计算模型，在纳米尺度上模拟了肺泡接受辐射的过程。该模型能够依据传递给每个细胞的辐射剂量及其分布情况，预测细胞的存活或死亡，并评估从数小时到数年时间段内辐射损伤的程度。该模型将优化肺癌的放射治疗方案。

半导体石墨烯自带“开关”

中国天津大学与美国佐治亚理工学院团队，攻克了长期以来阻碍石墨烯电子学发展的关键技术难题：通过对外延石墨烯生长过程的精确调控，成功在石墨烯中引入了带隙，创造了一种新型稳定的半导体石墨烯。同样在今年，英国曼彻斯特大学团队利用石墨烯能够同时传导质子和电子的特性开发了新型器件，其中质子电流被用来执行逻辑操作，而电子电流则用于编码部分内存。这些成果被认为是开启石墨烯芯片制造领域大门的重要里程碑。

单个原子核衰变探测

美国耶鲁大学团队开发了一种技术，通过将放射性铅-212原子嵌入微米尺寸的二氧化硅球中，测量这些原子核衰变时从球体逸出所产生的反冲，以此来检测单个氦核的衰变。这项技术提供的高灵敏度，也使中微子的检测成为可能。

两种不同原子核描述首次统一

美国麻省理工学院、德国明斯特大学等国际研究团队，首次成功统一了两种不同的原子核描述方式。他们将粒子物理学中关于原子核由夸克和胶子构成的观点，与传统核物理学中将原子核视为相互作用的质子和中子集合的观点结合起来。这标志着人们对于原子核结构及强相互作用的理解取得了重要进展。

小型低成本钛蓝宝石激光器

美国斯坦福大学团队开发了一种紧凑的单晶钛蓝宝石—绝缘体的光学器件。该激光器只需一个简单的绿色LED作为泵浦源，成本和占地面积降低了3个数量级，功耗降低了两个数量级，且能够调整激光的波长。未来人们有望将钛蓝宝石激光器从大型实验室设备转变为便携式、低成本的工具。

量子纠错能力向实用化迈进

来自美国哈佛大学、麻省理工学院和QuEra计算公司的团队，以及谷歌量子AI团队，分别展示了有效的量子纠错技术。前者在一个拥有48个逻辑量子比特的原子处理器上进行演示；而后者则在超导芯片中实现了低于表面码阈值的量子纠错。为了使量子计算机能够成为实用的问题解决工具，有效地纠错至关重要。这两个团队通过使用截然不同的系统展示他们的量子纠错方法，意味着量子计算机向实用化迈出了重要一步。

利用纠缠光子编码和增强图像

两个国际研究团队展示了量子技术在光学领域的潜力。法国索邦大学的研究人员开发了一种使用量子纠缠将图像编码进一束光的方法。在另一项合作研究中，索邦大学与英国格拉斯哥大学科学家联手，探索了如何利用纠缠光子来提升自适应光学成像的质量。这些成果推动高精度成像技术的进步。

月球背面首批样本返回

2024年6月25日，中国嫦娥六号月球探测器首次完成人类从月球背面采样的壮举，携带1935.3克样品返回地球。11月15日，中国科学家采用嫦娥六号月球样品做出的首批两项独立研究成果，同时刊登在国际学术期刊《自然》与《科学》杂志上。两项研究首次揭示月球背面约28亿年前仍存在年轻的岩浆活动，填补了月球玄武岩样品在该时期的记录空白。

十二年前的今天，太空也能上物理课了！

2013年6月11日，在酒泉卫星发射中心，神舟十号载人飞船搭载着聂海胜、张晓光、王亚平3名航天员，在长征二号F遥十运载火箭的托举下，成功发射升空。此次任务标志着我国天地往返运输系统首次应用性太空飞行拉开了序幕，我国载人航天工程迎来了新的阶段。

中国载人航天的阶段性跨越

在神舟十号发射之前，我国已经成功实施了多次载人航天任务，为此次应用性飞行奠定了坚实的基础。从2003年神舟五号首次载人飞行，到2012年神舟九号实现载人交会对接，中国载人航天工程按照“三步走”战略稳步推进。

神舟五号的成功，让中国成为世界上第三个独立将人送入太空的国家，实现了中华民族千年的飞天梦想。神舟六号实现了“多人多天”飞行，航天员在太空停留的时间更长，开展了更多的科学实验。神舟七号完成了太空行走，使中国成为世界上第三个掌握空间出舱活动技术的国家。神舟八号和神舟九号则分别进行了无人和载人交会对接试验，突破和掌握了空间交会对接技术，为建造空间站奠定了关键技术基础。

神舟十号任务是在前期任务成功的基础上，进一步考核和验证天地往返运输系统的功能和性能，特别是载人飞船的可靠性和安全性。与以往任务相比，神舟十号飞船在技术上进行了多项改进和优化，提高了飞船的综合性能和任务适应性。例如飞船的推进系统进行了改进，提高了推进剂的利用效率；测控通信系统进行了升级，增强了天地通信的可靠性和稳定性。

天地往返运输系统的实战检验

此次神舟十号任务的主要特点是“应用性飞行”，这意味着我国载人航天工程从前期的试验性飞行阶段转入了实际应用阶段。天地往返运输系统是载人航天工程的核心组成部分，它包括载人飞船、运载火箭、发射场、测控通信系统和着陆场等部分，其主要功能是将航天员和物资安全地送入太空，并将他们安全地返回地球。

在应用性飞行中，神舟十号飞船承担了多项任务。首先，它要将3名航天员安全地送入太空，并与天宫一号目标飞行器进行交会对接，形成组合体。在组合体飞行期间，航天员将在天宫一号内开展一系列的科学实验和技术试验，包括空间医学实验、空间材料科学实验、空间环境探测等。这些实验和试验将为后续的空间站建设和运营积累宝贵的经验。

其次，神舟十号飞船还要进行货运补给试验，将地面上的物资和设备运送到天宫一号内，为航天员的生活和工作提供保障。这是中国首次进行载人飞船的货运补给试验，标志着中国天地往返运输系统不仅能够运送航天员，还能够运送物资，实现了“人货共运”的功能。

神舟十号任务中，最引人注目的莫过于首次太空授课活动。2013年6月20日上午10时04分至10时55分，女航天员王亚平在聂海胜和张晓光的协助下，在天宫一号内进行了为期51分钟的太空授课。这是中国载人航天史上的首次太空授课，也是全球范围内第二次太空授课（第一次由美国女宇航员芭芭拉·摩根于2007年在国际空间站进行）。

航天员王亚平在“天宫一号”开展基础物理实验，展示失重环境下物体运动特性、液体表面张力特性等物理现象

太空授课活动通过电视直播和网络传播，让数亿观众近距离感受到了太空的神奇和魅力。王亚平通过简单的物理实验和生动的讲解，向观众展示了失重环境下的物体运动规律、液体表面张力等现象，激发了公众对航天科学的兴趣和热情。

精准测控与完美配合

神舟十号任务的成功实施，离不开各个系统的精准测控和完美配合。在发射阶段，长征二号F遥十运载火箭按照预定的程序和参数，将神舟十号飞船准确地送入了预定轨道。在飞船飞行过程中，地面测控通信系统对飞船进行了实时跟踪和监测，及时掌握飞船的飞行状态和参数，并向飞船发送指令和数据，确保飞船按照预定的轨道和计划飞行。

在交会对接阶段，神舟十号飞船与天宫一号目标飞行器通过自主控制和地面引导相结合的方式，成功实现了交会对接。这是中国第三次进行载人交会对接试验，也是首次在光照区进行交会对接，对测控通信系统和飞船的控制能力提出了更高的要求。经过多次的模拟演练和实际操作，航天员和地面控制人员密切配合，成功完成了交会对接任务。