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丁洪谈高能物理学家获百万美元大奖:小科学走向大装置成趋势
时间:2019-09-10 15:06:02来源:澎湃新闻
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提要:王贻芳和陆锦标领导的大亚湾中微子实验合作组在中国广东大亚湾核电站附近首次发现了一种新的电子中微子振荡模式,精确测量了它们由于振荡现象而引起的消失概率。
丁洪谈高能物理学家获百万美元大奖:小科学走向大装置成趋势

  “虽然我事先没有听到一点风声,但这个结果对我来说并不惊奇。”谈起新鲜出炉的“未来科学大奖”物质科学奖得主,中国科学院物理研究所研究员、北京凝聚态物理国家研究中心首席科学家丁洪笑着对澎湃新闻记者表示。他曾经担任前三届“未来科学大奖”的评委。“这是中国物理学近年来在国际上非常有影响力的一个成果。”

  随着中国首个由科学家和企业家群体共同发起的世界级科学大奖颁至第四届,中科院高能物理研究所研究员王贻芳和美国加州大学伯克利分校教授陆锦标成为继清华大学教授薛其坤和中科大教授潘建伟之后捧起100万美元奖金的物理学家。

  王贻芳和陆锦标领导的大亚湾中微子实验合作组在中国广东大亚湾核电站附近首次发现了一种新的电子中微子振荡模式,精确测量了它们由于振荡现象而引起的消失概率。

  日本与加拿大的科学家曾在本世纪初发现已知三种中微子之间的两种振荡,并摘得了2015年的诺贝尔物理学奖。大亚湾发现的第三种振荡的有趣之处在于,它预示着中微子有可能破坏宇称与正反粒子联合对称性(CP)。物理学家普遍认为新型CP破坏的存在是解释观测宇宙中物质远多于反物质以及物质世界形成的必要条件。

  王贻芳得知获奖后表示,高能物理是非常基础的研究,这个奖励是对基础科学研究的肯定,也是对团队中300多位科学家长达十多年工作的肯定。

 

  需要大装置是学科发展趋势

  丁洪自称是高能物理的外行,但他非常崇拜高能物理。这门学科研究宇宙的基本组成和宇宙的起源,并涉及到暗物质、暗能量等神秘的未知。不过,近年来实验高能物理确实陷入了一定的瓶颈。随着认知边界的开拓,高能物理学家需要更高的实验能量、更大的加速器。

  “上世纪40年代到60、70年代可能是高能物理的黄金期,不断有新的加速器出现,极快地推动许多历史性的发现。现在标准模型中基本上该发现的都发现了,要超出标准模型的都是未知。”

  另一方面丁洪也有着乐观的展望,存在着非常多的未知,意味着可能产生非常大的突破。

  “我觉得现在可能是黎明前的黑暗,实验突破可能需要靠世界科学家的集体力量,个人和小团队的力量是不够的。但人类对知识的追求永无止境,这也是人区别与其他动物的根本。”

  清华大学天文系主任毛淑德通过现场电话连线告知王贻芳得奖的情况时,发生了一段小插曲。他打趣道:“听说您也在推动更大的项目,有了未来大奖的钱,经费是不是就够了,可以开工了?”

  王贻芳也笑着回应称“这点钱当然是不够”。

  所谓“更大的项目”,指的是王贻芳近年来坚持呼吁上马的环形正负电子对撞机(CEPC),通常被称为“中国大型对撞机”,代表着中国高能物理学界的勃勃雄心。

  但这台大科学装置的造价需以几百亿元起步,杨振宁数次公开质疑其必要性。

  对此,丁洪表示:“在根本上,我对建大科学装置抱有支持的态度,因为这是给全世界的科学家使用,增加全人类的知识,这是整个科学界的共识。”

  丁洪关注的“北京高能光源”已于今年在怀柔科学城开工建设,他为这一全球最亮的同步辐射光源起到了重要推动作用。该项目的承建方,正是由王贻芳领导的中科院高能所。此外,丁洪也担任国际首个综合极端条件实验装置的首席科学家。

  可以说,越来越多曾经的“小科学”正在走向“大科学”时代,包括丁洪从事的凝聚态物理领域。他本人做出的许多重要成果都依赖公共的大科学装置。例如,丁洪在2015年首次利用同步辐射在固体材料中发现外尔费米子,入选了美国《物理评论》125周年推出的49篇精选论文。

  无论是凝聚态物理学家“看”固体材料,还是生物医学家“看”蛋白质结构,都需要镜头更精致,才能看得更清楚。

  “事实上大科学装置不仅是高能物理需要,也是许多学科的需要,已经成为一种学科发展的大趋势了。粒子物理一开始也不需要大装置,最初是用气泡室研究宇宙射线中的高能粒子,最早的回旋加速器在实验室里就能摆下。”丁洪说道。

  “所以随着研究发展,科学家自然会需要更大型、更精致的设备。中国未来可能需要一批大型设备来推动相关学科的发展。”

  不过,相对于光源,大型对撞机的造价有数量级上的差异。既然是增加全人类知识,那是否可以在联合国的框架下去做这个事情?丁洪举例道,俗称“人造太阳”的国际热核聚变实验堆计划(ITER)就是一个国际合作的范本,中国在其中承担了9%的采购包制造任务。“应该说,现在国际合作建大科学装置是非常有潜力的。”

 

  拓扑量子比特可能是量子计算机的“三极管”

  近期丁洪在拓扑量子计算方向做出了一系列新成果,从某种意义上也借鉴了高能物理的思路和知识。在量子场论的叙述中,基本粒子和准粒子具有相当的统一度。它们可以用同样的手段方式,形成同样的表现。

  “我们现在越来越把固体材料看作一个固体宇宙。”

  微观的量子态在器械上很难操作,现在量子计算的一大主流思路,就是利用超导态这一宏观的量子态。不过,超导量子比特虽然具备了纠缠态、叠加态等量子计算必要的属性,但也继承了量子态的弱点:非常脆弱,极易被干扰。

  之前学界曾提出50个量子比特即可实现量子霸权,即在特定问题上的表现超过世界上最好的超级计算机。“但现在的情况根本不可能,你需要用更多的量子比特去保护这50个。”

  包括丁洪在内的一批凝聚态物理学家借鉴了粒子物理学家寻找的“正反同体”的马约拉纳费米子,想到把一个量子比特“一分为二”,在具备量子态基本特点的同时克服了稳定性方面的弱点,有望用50个量子比特实现真正的量子霸权。

  丁洪相信,纯粹用超导比特很难造出大规模的量子计算机。“如果有人造出拓扑量子比特,那相当于造出了量子计算机的‘三极管’。”

  他欣慰地注意到,国内在拓扑量子方向上发展迅速,从理论、材料到实验方面都做出了很好的成绩。

  满三年卸任未来科学大奖科学委员会委员后,丁洪接下了一个新任务:作为程序委员会主席筹划未来科学大奖周。

  在为其五天的活动中,生命科学奖、物质科学奖、数学与计算机科学奖的得主不仅会作学术报告、与青少年发生对话,还会邀请近百位顶尖科学家参与讨论,其中院士级别的占到26%。

  丁洪剧透道,诺奖得主、量子霍尔效应发现者冯克利青(Klaus von Klitzing)欣然接受了邀请,石墨烯超导“魔角”的发现者、中科大神童曹原的导师Pablo Jarillo-Herrero亦然。此外,引发广泛关注的“黑洞拍照团队”也会不负众望地出席。

  借此,丁洪希望不仅给相关专业的青年科研工作者带去启发和激励,也不忘科学传播的价值。在以往的公众科学活动中,他意外发现中小学生的家长和产业界人士具有极大的热情。为此,大奖周将奉上前沿的科学讯息和激动人心的科学时刻。

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作者系虞涵棋

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