最強磁場
打破連續磁場記錄的“小大電感線圈”
圖片來源：Hahn et. al. / Nature (2019)
無論是醫學（磁共振成像）、製藥（核磁共振），還是粒子加速器（如大型強子對撞機）和聚變裝置（如ITER）等領域，都需要用到非常強的磁場。近20年來，45T（特斯拉）一直是所能得到的最高直流磁場。然而，這一記錄是由一塊重達35噸的巨大磁鐵所創造的。
今年，美國國家高磁場實驗室（MagLab）的研究人員創造了該實驗室有史以來最高的連續磁場——45.5T。這一新紀錄是由一個被稱為“小大電感線圈”的高溫超導磁體創造的，而且MagLab的設備質量僅為390克。
這一實驗設計本是為了獲取更高的磁場，但磁鐵在破紀錄的運行中遭到損壞。儘管如此，這一突破意味著它有望被應用在各種科學和工業上。
卡西米爾效應
微小物體的“量子陷阱”
圖片來源：Zhao et. al. / Science (2019)
來自加州大學伯克利分校的張翔首次利用卡西米爾效應捕捉到了微小物體。他們找到了一種方法，能使由相同材料構成的兩個物體之間的卡西米爾效應在短距離處發生逆轉（吸引力或排斥力），在長距離內維持穩定，從而讓兩個物體互不接觸地維繫在特定距離上。
卡西米爾效應這種奇異的現象最初是在1948年被提出的，它指的是兩個相鄰的微小表面會在量子漲落的影響下會受到力的作用，當兩個表面之間的距離非常小時，這種力通常都是會使它們越靠越近的吸引力，因為表面之間可以存在的量子漲落非常有限，所以更大的來自外部的推力會使兩個表面之間產生吸引力。就在卡西米爾效應被提出不久之後，就有其他物理學家開始思考是否有方法能將吸引力轉化成排斥力。
2010年，麻省理工學院的一個團隊提出，應該存在可以讓吸引力和排斥力相互抵消的方法，從而在兩個表面之間建立一種平衡態。然而一直沒有人能實現這一目標。直到今年，張教授和他的團隊在《科學》雜誌上發表論文宣佈他們已經做到了這一點。
他們在利用可以調節的卡西米爾力，在沒有能量輸入的情況下，將一小片金箔控制在金和特氟隆表面之間。測量這種微小的力是光學計量學的一個勝利，而且這種測量為理解卡西米爾力是如何影響微型機械設備的操作提供了更好的思路。如果這種力能被進一步控制，它將有望具有更加實際的應用。[2]
今年12月，張教授的研究團隊再次利用卡西米爾效應，首次證明了一種能使熱量穿過真空的全新機制。他們通過實驗證明，聲子可以在量子漲落的影響下穿過真空間隙，讓被真空隔開的物體之間產生熱傳遞。
圖片來源：XIANG ZHANG/UNIV. OF CALIFORNIA, BERKELEY [3]
量子霸權
谷歌正式宣佈實現量子霸權
○ 圖片來源：Erik Lucero
今年10月，谷歌在《自然》雜誌中發表論文，正式宣佈他們首次利用量子計算機，用比在經典超級計算機少得多的時間完成了一項計算。這種超越經典計算機的“量子霸權”是由53個可編程的超導量子比特組成的量子計算機實現的。他們的結果表明：量子計算機已經達到了可以執行任何經典計算機都無法與之匹敵的計算任務的地步。
在論文中，谷歌稱他們的Sycamore處理器用200秒的時間，完成了一項世界上最好的超級計算機需要1萬年才能做到的計算。谷歌表示，他們採用了完全有別於經典計算機的方式來解決計算問題。這一差別意味著，每當量子計算機哪怕只是增加了一個量子比特，經典計算機的體積就必須翻倍才能跟上它的速度。當量子計算機實現70個量子比特時，一個經典的超級計算機將需要佔據一個城市的面積才能跟上。
儘管來自IBM的反對聲音稱，超級計算機的實際執行時間更有可能只需要2.5天，而不是谷歌所說的1萬年。但這一進展仍然彰顯了量子計算所擁有的明顯優勢。
重力
全新的重力測量術
○ 圖片來源：Sarah Davis
一般來說，標準的測量重力的方法是讓物體在封閉的管道中墜落，然後用儀器測量它們的運動速度。這類方法除了只能讓研究人員能對重力有一個非常淺顯的瞭解之外，還常常淪為無意中產生的雜散磁場的犧牲品。
今年，加州大學伯克利分校的研究人員發明一種新的測量重力的方法，這種方法完全不涉及物體的掉落，而是通過在一個小的腔體內向空氣中釋放一團銫原子，然後用閃光燈讓其中的一些原子處於疊加態；再用激光將所有原子都固定在空中。他們的“量子重力儀”將原子懸浮在一個光學阱中，讓原子與引力場相互作用長達20秒。利用每個原子在重力影響下的波粒二象性，測量原子雲在空間中首先垂直分離、再重新結合時所產生的干涉圖樣。通過比較原子之間二象性的差異，就能夠測量出重力。這種方法提高了測量的靈敏度，為可用於地球物理勘探、基本力的靈敏探測等各種應用鋪平了道路。[5]
超導
向室溫又靠近了50℃
○ 圖片來源：Drozdov et al.
超導材料能以100%的效率導電，它們具有非常廣泛的應用，從醫學上的核磁共振成像儀，到量子通訊。超導現象最早發現於1911年，當時人們通過低於4K的水銀捕捉到了這一效應。然而，由於絕大多數超導態都只在這樣的極低溫度（接近絕對零度）下存在，因此一些應用一直受到阻礙。
一直以來，物理學家都致力於尋找能在接近室溫的溫度下運作的超導現象。今年5月，《自然》期刊刊登了一篇里程碑式的超導研究，一個由德國馬普所的研究人員領導的國際合作項目報告了幾個新發現的關鍵結果，證實了當向富含氫的氫化鑭化合物施予的壓強超過一百萬倍的地球大氣壓強時，氫化鑭會在250K（即零下23℃）時變成超導態，這比此前的超導最高溫度記錄高出了將近50℃。
在未來幾年內，該領域的實驗方向可能會集中在尋找其他富氫加壓材料的超導性。鑑於目前已在如此巨大的壓強下進行過測試的富氫材料只有一小部分，因此我們現在似乎可以對在不久的將來就能實現高溫超導抱有更大的期待。[6]
中微子
新的質量上限
宇宙中存在著大量的中微子，但我們對它們的質量仍處於未知。瞭解中微子的質量對宇宙學模型來說具有重大意義，它助於解決諸如為什麼宇宙中物質比反物質多這樣的謎題。今年，中微子實驗KATRIN對中微子的質量設定了一個上限——1.1 eV，將之前從直接進行的質量測量中得出的最佳上限削減了一半。
為了估算中微子的質量，實驗對氚衰變為氦-3原子核、電子和反中微子的放射性衰變進行了檢測。根據發射電子的能量，他們估測了反中微子的質量。經過5年多的測量，KATRIN的靈敏度已經提高了5倍，可以探測到0.2eV的質量範圍。[7]
中子滴線
夢寐以求的“鈉”元素
○ 圖片來源：APS / Joan Tycko
多年來，許多物理學家一直在探索一種與稀有同位素有關的極限，這種極限被稱為“中子滴線”。它指的是對於具有一定質子數量的原子核來說，它能束縛的中子數量是有限的，一旦超過這個極限，原子核便會停止粘合在一起。簡單地說，它定義了元素的穩定和不穩定同位素之間的邊界。
今年，日本的研究人員自20多年來首次延長了這一中子滴線。在此之前，在元素週期表的118種已知元素中，科學家只知道其中8種最輕元素的中子滴線。在將鈣核粒子流輸入到粒子加速器中，一次又一次地撞向金屬鈹長達數小時之後，他們找到了迄今為止的最重同位素——氟-31、氖-34，以及鈉-39。
這一結果可以幫助物理學家更好地理解自然界中可能與不可能之間的界限。接下來，研究人員計劃在兩年內投入使用新一代稀有同位素測量設施，這將有望將滴線延伸至鎂元素，即元素週期表中的第12種元素。
反物質
反物質量子干涉首次登場
○ 圖片來源：S. Sala et al. / Science Advances 2019
雙縫實驗是物理學中最經典的實驗之一，它證實了光和物質同時具有波和粒子的特性，這種二象性最早是由
德布羅意在1923年提出的。疊加原理是量子力學的主要假設之一。從電子到中子到分子，物理學家用越來越複雜的物體來進行實驗，但直到今年，科學家才第一次用正電子（也就是電子的反物質）進行了干涉實驗。[9]他們讓一束正電子通過一個週期放大的雙光柵Talbot–Lau干涉儀中，證實了反粒子具有波的行為，且能經歷量子干涉。
他們還觀察到一種衍射模式，這種模式會隨著正電子束能量的變化而變化，這正是量子理論所能預測而經典物理學無法解釋的現象。干涉圖樣對能量依賴性證明了它的量子力學起源，從而證明了正電子的波的特性。
這樣的測量對於檢驗弱等效原理和CPT定理非常重要。未來，或許也能夠為解答宇宙中物質和反物質的不對稱性提供新的線索。
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