有開始就有結(jié)束。9月15日，在土星工作了整整13年的卡西尼號(hào)探測(cè)器燃料耗盡，在向地球發(fā)出最后一串信號(hào)后加速俯沖入土星大氣層，終結(jié)了自己的生命。它一共拍攝并傳回了數(shù)十萬(wàn)張圖片，留下了635GB的科學(xué)數(shù)據(jù)，為人類認(rèn)識(shí)土星、探索太陽(yáng)系積累了極其寶貴的資料。

　　如果說(shuō)引力波和卡西尼是歐美物理學(xué)界的驕傲，本年度中國(guó)物理和天文學(xué)界的表現(xiàn)也毫不遜色，亮點(diǎn)紛呈。空間科學(xué)衛(wèi)星大放異彩，相繼實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)，取得了世界領(lǐng)先的研究成果。以FAST為首的地面大科學(xué)裝置蓄勢(shì)待發(fā)，直指國(guó)際基礎(chǔ)研究最前沿。

　　中國(guó)物理，我們開始看到質(zhì)的飛躍。

　　量子通信領(lǐng)跑者 

　　12月19日凌晨，《自然》雜志發(fā)布的2017年度十大人物，盤點(diǎn)在過(guò)去一年對(duì)科學(xué)產(chǎn)生重大影響的十位科學(xué)家，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉因?yàn)樵诹孔油ㄐ蓬I(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)赫然在列。

　　量子通信在理論上有著近乎完美的保密性，有望成為未來(lái)通信的基本形式。然而常規(guī)光纖或近地自由空間會(huì)造成信道損失，導(dǎo)致量子通信的距離一直被限制在百公里量級(jí)。由潘建偉擔(dān)任首席科學(xué)家的全球首顆量子通訊衛(wèi)星“墨子號(hào)”于2016年8月發(fā)射，2017年圓滿實(shí)現(xiàn)三大科學(xué)目標(biāo)：千公里級(jí)星地雙向量子糾纏分發(fā)、衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)、地面到衛(wèi)星的單光子量子比特的隱形傳態(tài)。他們的論文分別作為封面文章發(fā)表在《科學(xué)》和《自然》雜志，被《自然》審稿人稱為“十分令人激動(dòng)的消息”，“證明量子技術(shù)已經(jīng)突破了天空的限制，也是中國(guó)在物理科學(xué)方面的投資及努力的證明”。

　　捕捉暗物質(zhì) 

　　中國(guó)科學(xué)家在暗物質(zhì)探測(cè)領(lǐng)域正在取得快速進(jìn)展，或?qū)⒏膶憵v史。

　　我們所在宇宙的絕大部分是不可見的。其中有25%的物質(zhì)被科學(xué)家們稱為“暗物質(zhì)”，它們可能由一類未知粒子組成，不受電磁力的影響，僅通過(guò)引力場(chǎng)與已知物質(zhì)發(fā)生作用。

　　為了捕捉暗物質(zhì)，一種方法是利用在空氣中提純的惰性元素氙（Xe）作為探測(cè)媒介來(lái)尋找暗物質(zhì)，以在中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的“熊貓計(jì)劃”（PandaX）為代表。2017年8月，該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、上海交大鴻文講席教授季向東在國(guó)際高能粒子天體物理大會(huì)上公布了最新暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，第二次刷新了暗物質(zhì)粒子性質(zhì)限制的世界紀(jì)錄。

　　另外一種是空間利用暗物質(zhì)碰撞湮滅會(huì)同時(shí)產(chǎn)生普通物質(zhì)和反物質(zhì)（如正負(fù)電子對(duì)）的原理進(jìn)行間接探測(cè)。2015年底中國(guó)發(fā)射了“悟空號(hào)”暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星。與AMS-02、Fermi等同類項(xiàng)目相比，“悟空”首次觀測(cè)了TeV以上的高能宇宙射線，并獲取了目前世界上精度最高的宇宙線探測(cè)結(jié)果。項(xiàng)目首席科學(xué)家、紫金山天文臺(tái)常進(jìn)研究員及其團(tuán)隊(duì)11月30日在《自然》雜志上發(fā)表的論文稱，他們還測(cè)量到能譜在約1.4 TeV處的一個(gè)可疑信號(hào)。耗資僅1億美元的“悟空號(hào)”目前在軌運(yùn)行狀態(tài)良好，將繼續(xù)收集數(shù)據(jù)，進(jìn)一步證實(shí)該可疑信號(hào)的真實(shí)性及其是否與暗物質(zhì)湮滅相關(guān)。

　　FAST初具威力 

　　在中國(guó)西南喀斯特地貌中落成的地球上單體直徑最大、靈敏度最高的射電望遠(yuǎn)鏡FAST，被媒體渲染為尋找地外生命的利器。

　　過(guò)去的一年，F(xiàn)AST的工程師和科學(xué)家們爭(zhēng)分奪秒地開展調(diào)試工作，目標(biāo)是在500米尺度上實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)的測(cè)量和控制精度。至今年夏末已完成望遠(yuǎn)鏡的功能性調(diào)試，包括首次跟蹤觀測(cè)、換源、編制掃描等工作。

　　目前，F(xiàn)AST已累計(jì)試觀測(cè)1440小時(shí)，超額完成500小時(shí)的計(jì)劃觀測(cè)任務(wù)，發(fā)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)脈沖星候選體17顆，其中通過(guò)國(guó)際認(rèn)證9顆。

　　“FAST的成功來(lái)得有點(diǎn)太快了，讓世界措手不及”，德國(guó)馬普學(xué)會(huì)射電天文研究所所長(zhǎng)Michael Kramer說(shuō)。FAST發(fā)現(xiàn)的脈沖星將在精確測(cè)量、未來(lái)導(dǎo)航技術(shù)、探測(cè)引力波等方面起到關(guān)鍵作用。

　　然而，令人遺憾的是，在成果公布之前的9月15日，耗盡畢生心血建成FAST的首席科學(xué)家、總工程師南仁東，因病逝世。

　　12米口徑望遠(yuǎn)鏡之爭(zhēng) 

　　關(guān)系中國(guó)天文學(xué)下一代科研平臺(tái)的12米口徑光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡建設(shè)方案之爭(zhēng)，引起軒然大波。

　　中國(guó)目前擁有的最大通用型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡僅為一臺(tái)2.4米口徑、隸屬于云南天文臺(tái)的“歐洲制造”，無(wú)法滿足迅速增長(zhǎng)的國(guó)內(nèi)使用需求。在發(fā)改委年初公布的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃中，“大型光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡”赫然在列，并高居第二的位置。

　　計(jì)劃中的12米口徑光學(xué)/紅外望遠(yuǎn)鏡不僅能大大減輕我國(guó)對(duì)國(guó)外大望遠(yuǎn)鏡的依賴，如能盡快建成，還可趕在下一代30米級(jí)望遠(yuǎn)鏡之前成為世界最大。然而，關(guān)于到底該采取哪種技術(shù)方案，卻在關(guān)鍵時(shí)候產(chǎn)生了分歧。

　　以南京天光所為首、有著郭守敬望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)建造經(jīng)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)主張采用四鏡系統(tǒng)，以提高成像質(zhì)量，推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新。另一派卻質(zhì)疑包含未驗(yàn)證技術(shù)的四鏡系統(tǒng)的可靠性，強(qiáng)烈主張采用國(guó)際通行的簡(jiǎn)單、成熟的三鏡系統(tǒng)。雙方各執(zhí)一詞，互不相讓。兩次專家評(píng)審的結(jié)果大相徑庭，越發(fā)加劇業(yè)內(nèi)爭(zhēng)論。隨著國(guó)內(nèi)外媒體對(duì)此事的曝光和熱烈討論，12米口徑望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目目前處于擱置狀態(tài)，前途未卜。

　　凝聚態(tài)物理穩(wěn)步推進(jìn) 

　　中國(guó)在凝聚態(tài)物理，尤其是高溫超導(dǎo)電性、量子反常霍爾效應(yīng)、拓?fù)洳牧吓c物態(tài)等重要領(lǐng)域走在國(guó)際前沿。

　　2017年，中國(guó)科學(xué)家繼續(xù)積極探尋極端條件下的微觀世界。實(shí)驗(yàn)方面，穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置于9月底在合肥通過(guò)驗(yàn)收，使我國(guó)成為世界第五個(gè)擁有穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)的國(guó)家。同期，綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置在北京懷柔動(dòng)工，以期在實(shí)驗(yàn)室更好地達(dá)成低溫度、高磁場(chǎng)、高壓強(qiáng)等極端物理?xiàng)l件。理論方面，除了進(jìn)一步發(fā)展已有的辦法，如密度矩陣重整化群和蒙特卡羅方法，中國(guó)物理學(xué)家也開始嘗試新的途徑，如利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)嘗試解決量子多體問題。

　　展望2018，期待嫦娥四號(hào)能按原計(jì)劃升空，首次實(shí)現(xiàn)月球背面軟著陸；期待12米望遠(yuǎn)鏡塵埃落定，已完成概念設(shè)計(jì)的環(huán)形對(duì)撞機(jī)扎實(shí)穩(wěn)健推進(jìn)。第二批空間科學(xué)衛(wèi)星正在路上，值得關(guān)注。

　　天地之大，比我們能想象到的還多得多。在認(rèn)識(shí)世界的道路上，我們正在不斷前進(jìn)。（辛玲系中科院院刊記者、副主編 李健系Springer Nature物理學(xué)與天文學(xué)高級(jí)編輯）