探秘兴义世界地质公园博物馆：科学展陈点亮科普之光

“年轻人要敢于走出(chū)‘舒适区’、挑战‘无人区’，瞄准最前沿，闯出一条前人未曾走过的道路。方向找准了，就(jiù)坚定地往前走。” 尽管是白天，南京大学鼓楼校区的一间(yījiān)实验室里仍(réng)“伸手不见五指”。 这里门窗紧闭，没有任何照明光源，设备发出的光亮在黑暗中(zhōng)若隐若现，耳边不时传来机器运转的嗡鸣声。南京大学物理学院教授杜灵杰站在观测屏前，紧盯着(zhe)闪烁的数据屏，不放过一丝“蛛丝马迹(zhūsīmǎjì)”。 就在这间黑屋子里，杜灵杰带领团队展开了一场追光之旅——在世界范围内首次(shǒucì)发现具有引力子特征的准粒子，这一从“0”到“1”的重大成果同时入选(rùxuǎn)了2024年度“中国科学(kēxué)十大进展(jìnzhǎn)”和2024年度“中国十大科技进展新闻”。 不久前，杜灵杰从北京捧回第29届中国青年(qīngnián)五四奖章。“获奖对于我来说，既是(shì)一种激励也是一种责任跟动力，是在激励我要瞄准最前沿、引领(yǐnlǐng)新(xīn)方向，用研究成果拓展认知边界、推动学科突破。”杜灵杰说。 在物理学领域，存在着一个近乎(jìnhū)传说的粒子——引力子。自20世纪30年代提出以来，它一直存在于量子物理学家的假设中(zhōng)，寻找引力子关系到广义相对论和(hé)量子力学的统一，被视为物理学的“终极难题(nántí)”之一。 “我们可以将时空想象为一张弹性布(bù)，把苹果想象成一个质量巨大的物体，放在紧绷的布料上会产生(chǎnshēng)凹陷，如果从布的一边轻轻地推一个小球过去，它会朝着凹陷处滚动，这就是(jiùshì)我们感知的引力，这种(zhèzhǒng)形变的波动(bōdòng)类似时空的‘涟漪’，也就是引力波，这种波动对应的粒子就是引力子。”杜灵杰形象地解释道。 一切源于兴趣使然。杜灵杰(língjié)从小就喜欢对自然现象刨根问底，本科时，他就读于南京大学理科强化(qiánghuà)部。进入研究生阶段后，与周围同学大多(dàduō)选择实用性更强的方向不同的是，杜灵杰选择了当时看似“超前”却被贴上“没什么(méishénme)用”标签的量子物理。 “我喜欢(xǐhuān)沉浸在纯粹(chúncuì)的量子物理世界中自在探索(tànsuǒ)，想要观察它将给这个世界带来什么改变。”谈及(tánjí)选择量子物理的原因，杜灵杰坦言，物理学纯粹而有趣，量子世界充满了不确定性和可能性，这种“既存在又不存在”的量子态，令人着迷。 兴趣，引领(yǐnlǐng)着杜(dù)灵杰(língjié)一路攀登科研高峰。硕士毕业后，杜灵杰选择去美国攻读物理学博士学位，此后又在哥伦比亚大学从事(cóngshì)博士后研究。在博士后阶段，他开始尝试全新的光学实验研究，开始接触分数量子霍尔效应。 其实，多年前就有科学家预言，凝聚态物质中(zhōng)可能存在一种分数量子霍尔引力子，表现为低能模式激发，也被称为引力子模或引力子激发。由于(yóuyú)它的行为规律与引力子类似，被形象地称为引力子在凝聚态物质中的“投影”。“就像在地球上观察不到遥远星球(xīngqiú)的细节(xìjié)，但可以通过(tōngguò)其投下的影子了解它的特性。”杜灵杰说。 2019年，不顾海外合作导师的(de)极力挽留，33岁的杜灵杰毅然选择回国，加入母校南京大学物理学院担任教授和博士生导师，从零开始搭建实验室(shíyànshì)，开展(kāizhǎn)基础研究工作。 “我从来没想过在国外待一辈子，从规划出国(chūguó)的那天起，我就知道我是要回来(huílái)的，出国学习(xuéxí)就是为了有朝一日可以报效祖国。”杜灵杰说。 杜灵杰回国后面临(miànlín)的第一个挑战，就是从零开始搭建实验室。 实验需要同时满足三个极限条件：接近绝对零度的(de)超低温、强于地球磁场数万倍的强磁场，以及能捕捉到微弱信号的光学系统。这样苛刻的实验条件听起来似乎是天方夜谭，而杜灵杰所研究的分数(fēnshù)量子霍尔效应(xiàoyìng)中的集体激发模式，需要在满足上述所有极端条件的情况下才能观测。当时，很多科学家向(xiàng)这个领域发起(fāqǐ)挑战，但始终没有突破。 在没有现成设备的(de)情况下，杜灵杰硬是带领学生们白手起家，自主设计并(bìng)集成组装了(le)一套极低温强磁场共振非弹性偏振光散射系统。历时(lìshí)3年，他们终于搭建出世界上第一台能够观测“引力子激发”的实验设备，足有两层楼高，如同一台超大号的“显微镜”。 为了捕捉(bǔzhuō)微弱的光信号，他们需要营造一个(yígè)黑暗的环境，窗户被厚重的窗帘严丝合缝地遮住，连门缝都用黑胶带细心封住。久而久之，这里便有了一个亲切的名字(míngzì)——“黑屋子”。 设备建成后，真正的挑战(tiǎozhàn)才刚刚开始，即便有“利器在手”，量子世界的探索仍旧举步维艰。“我们的研究工作必须在‘黑屋子’里展开，通常是从早上8点(diǎn)开始，直至次日凌晨一两点。”杜灵杰坦言(tǎnyán)，在“黑屋子”里工作并不容易。研究人员需要在黑暗中摸索(ànzhōngmōsuǒ)前行，通过微弱的仪表灯光辨认设备位置，调整实验参数。有时(yǒushí)，一个小小的调整可能(kěnéng)需要反复尝试数小时，而(ér)最终的数据可能只是一个微弱的峰值。 在杜(dù)灵杰看来，寻找引力子(zi)就像(xiàng)在一场暴风雨中听心跳，需要把噪声降到宇宙背景辐射的十亿分之一。深夜时分，当学生(xuéshēng)们陆续离开后，杜灵杰还会留下来再检查一遍设备参数，确保万无一失。“做实验就像照顾一个孩子，需要细心、耐心和恒心。”他常对学生们说。 历经重重困难(chóngchóngkùnnán)，杜灵杰终于在海量数据中发现了引力(yǐnlì)子激发的微弱信号。团队十分兴奋，迅速将观测结果形成论文并向(xiàng)《自然》投稿，没想到却被回复“证据不足”。 在随后一次(yīcì)国际会议上，杜灵杰的发现再次被国外专家质疑，“你怎么知道自旋为2的激发就一定是引力子模呢？”这一问如同当头一棒，让杜灵杰意识到(dào)研究思路可能(kěnéng)错了。 因为按照理论(lǐlùn)，分数量子霍尔效应中的引力子模最明显的特征(tèzhēng)就是自旋为2，杜灵杰陷入了思维定式，前期实验也循着这一思路展开(zhǎnkāi)，“事实上，引力子模的特征能量同样重要”。 接二连三的(de)打击让(ràng)团队陷入低谷，杜灵杰(língjié)内心煎熬着，但他仍鼓励学生“耐心点儿，沉住气”，自己依旧一整天“泡”在实验室里分析实验数据。 功夫不负有心人。2024年，杜灵杰带领团队终于观察到了引力子模的(de)特征能量证据，研究成果发表在(zài)《自然》上(shàng)，这也是世界上首次(shǒucì)在分数量子霍尔效应中观察到引力子激发。美国哥伦比亚大学量子研究院撰文称赞：“能够在实验室研究类似引力子的粒子，有望弥合(míhé)量子力学与爱因斯坦相对论之间的鸿沟。” “这只是一个起点。”杜灵杰说，未来新型(xīnxíng)电子器件和新型材料将得益于这种对(duì)物质微观结构的深入理解，它将改变世界。 “种树者”的(de)坚守与传承 “如果这次实验最后没有达到预期目标，多年来的努力(nǔlì)是‘一场空’怎么办？”面对质疑基础研究“无用”的声音，杜灵杰常用“种树”来比喻(bǐyù)：“研究基础物理就像种树，要甘愿(gānyuàn)花时间施肥、精心养护，耐心等待它长成参天大树(cāntiāndàshù)的一天。” 在杜灵杰看来，育人亦是(shì)如此。在“黑屋子”实验室的角落里，有一张简易的长桌，那是团队平时讨论问题(wèntí)的地方。杜灵杰经常会和学生们围坐在这里，共同回顾实验进展，讨论下(xià)一步的方案。 “杜老师很少直接给(gěi)我们答案，而是引导(yǐndǎo)我们自己思考。”在博士生杨子灏看来，导师注重了解每名学生(xuéshēng)的(de)特点，因材施教，充分激发大家的潜力，“有时候讨论会一开就是三四个小时，每个人畅所欲言，直到大家找到问题的症结所在。” 在学生们眼中，杜灵杰是一个对科研(kēyán)有巨大热情的人(rén)，对最新研究方向把控很精准，一旦确认目标就(jiù)会迅速着手推进，即使遇到再大困难也从未见过他叹气。 言传身教中，学生(xuéshēng)们学会了面对困难不退缩。博士生王一帆还记得第一次独立搭建光路开展实验的经历，那段时间她因无法测出信号而感到绝望，甚至产生了放弃的念头。杜灵杰鼓励她不要轻言放弃，并建议她从头到尾(cóngtóudàowěi)排除整个系统中的问题(wèntí)，最终发现(fāxiàn)是样品摆放不当(bùdàng)。按照杜灵杰的思路改进后，王一帆成功测出了信号。 “我们实验室的产出速度并不是很快，但(dàn)比起摘‘低处(dīchù)的桃子’，杜老师更愿意让我们静下心来，真正攻克一些处于科学技术前沿的问题，不仅是为(wèi)了满足最原始的好奇心，也是为了(wèile)用科研为国家发展作出贡献。”王一帆说。 身为“85后”的杜灵杰认为自己与学生年龄差距并不大，有许多共同语言。“大家都是年轻人，要敢于走出‘舒适区’、挑战‘无人区’，瞄准最前沿，闯出一条前人(qiánrén)未曾(wèicéng)走过的道路。方向找准了，就(jiù)坚定地往前走。”这是杜灵杰常挂在嘴边(zuǐbiān)的话。 今天的“黑屋子(wūzi)”依然24小时(xiǎoshí)运转。黑暗中，这群年轻人正在(zài)耐心捕捉一种新的量子物态。在探寻科学之光的道路上，他们无所畏惧，一往无前。（本报记者 焦以璇 通讯员 于玥晗 颜修齐）