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(gǎnyú)走出‘舒适区’、挑战‘无人区(wúrénqū)’，瞄准最前沿，闯出一条前人未曾走过的道路。方向找准了，就坚定地往前走。” 尽管是白天，南京大学鼓楼校区的一间实验室里(lǐ)仍“伸手不见五指(shēnshǒubùjiànwǔzhǐ)”。 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若隐若现，耳边不时传来机器(jīqì)运转的嗡鸣声(míngshēng)。南京大学物理学院教授杜(dù)灵杰站在观测屏前，紧盯着闪烁的数据屏，不放过一丝“蛛丝马迹”。 就在这间黑屋子(zi)里，杜灵杰带领团队展开了一场追光之旅(zhīlǚ)——在世界范围内首次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了2024年度“中国科学十大进展(jìnzhǎn)”和2024年度“中国十大科技进展新闻(xīnwén)”。 不久前，杜灵杰从北京捧回第(dì)29届中国青年五四奖章。“获奖对于我来说(láishuō)，既是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)新方向，用(yòng)研究成果拓展认知边界、推动学科突破。”杜灵杰说。 在物理学(wùlǐxué)领域，存在着一个近乎传说的粒子(zi)——引力子。自20世纪30年代提出以来(yǐlái)，它一直存在于量子物理学家的假设中，寻找引力子关系(guānxì)到广义相对论和量子力学的统一，被视为物理学的“终极难题”之一。 “我们可以(kěyǐ)将时空想象为一张(yīzhāng)弹性布，把苹果想象成一个质量巨大的(de)物体，放在紧绷的布料上会产生凹陷，如果从布(cóngbù)的一边轻轻地推一个小球过去，它会朝着凹陷处滚动，这就是我们感知(gǎnzhī)的引力，这种形变的波动类似时空的‘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(dù)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(nánjīngdàxué)理科强化部。进入研究生阶段后，与周围同学大多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“没什么用”标签的量子物理(wùlǐ)。 “我(wǒ)喜欢沉浸在纯粹(chúncuì)的量子(liàngzǐ)物理(wùlǐ)世界中自在探索，想要观察它将给这个世界带来什么改变。”谈及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(xìngqù)，引领着杜灵杰(língjié)一路攀登科研高峰(gāofēng)。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博士后研究。在博士后阶段，他开始(kāishǐ)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，凝聚态物质中可能存在(zài)一种分数(fēnshù)量子(zi)霍尔引力子，表现为低能模式激发，也被(bèi)称为引力子模或引力子激发。由于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的细节，但可以(kěyǐ)通过其投下的影子了解它的特性。”杜灵杰说。 2019年，不顾海外(hǎiwài)合作导师(dǎoshī)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，开展基础研究工作。 “我从来(cónglái)没想过在国外(guówài)待一辈子，从规划出国的那天起，我就知道(zhīdào)我是要回来的，出国学习就是为了有朝一日可以报效祖国。”杜灵杰说。 杜灵杰回国后面临的(de)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(tiáojiàn)：接近绝对零度的超低温、强于地球磁场数万倍(bèi)的强磁场，以及能捕捉到微弱信号(xìnhào)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(kēxuéjiā)向这个领域发起挑战，但始终没有突破。 在没有现成设备(shèbèi)的情况下，杜灵杰硬是带领学生们白手起家，自主设计并集成组装了一套极(jí)低温强磁场共振非(fēi)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”。 为了捕捉微弱的(de)光信号(xìnhào)，他们需要营造一个黑暗的环境，窗户被厚重的窗帘严丝合缝地遮住，连(lián)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——“黑屋子”。 设备建成后(hòu)，真正的(de)挑战才刚刚开始，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(xūyào)在黑暗中摸索(ànzhōngmōsuǒ)前行，通过微弱的仪表灯光辨认(biànrèn)设备位置，调整实验(shíyàn)参数。有时，一个小小的调整可能需要反复尝试数小时，而最终的数据可能只是一个微弱的峰值。 在杜灵杰看来，寻找引力子就像在一场暴风雨中听心跳，需要(xūyào)把噪声降到宇宙背景辐射的十亿分之一。深夜时分(shífēn)，当学生们陆续离开后，杜灵杰还会(háihuì)留下来再检查一遍设备参数(cānshù)，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(zhōngyú)在海量数据中发现了引力子激发的微弱信号。团队十分兴奋，迅速将观测结果形成论文(lùnwén)并向《自然》投稿，没想到却被回复“证据不足”。 在随后一次国际会议上，杜灵杰的发现(fāxiàn)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(shì)引力子模呢？”这一问如同当头一棒，让杜灵杰意识到研究思路(sīlù)可能错了。 因为按照理论，分数量子霍尔效应中的引力(yǐnlì)(yǐnlì)子模最明显的特征就是自旋为2，杜灵杰陷入了思维定式，前期实验也循着这(zhè)一思路展开，“事实上，引力子模的特征能量同样重要”。 接二连三的打击让(ràng)团队陷入低谷(dīgǔ)，杜灵杰内心煎熬(jiānáo)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特征能量(néngliàng)证据，研究(yánjiū)成果发表在《自然》上，这(zhè)也(yě)是世界上首次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，有望弥合量子力学与爱因斯坦(àiyīnsītǎn)相对论之间的鸿沟。” “这只是一个起点。”杜灵杰说，未来(wèilái)新型电子器件和新型材料将得益于这种对物质微观结构的(de)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(de)努力是‘一场空’怎么办？”面对质疑基础(jīchǔ)研究“无用”的声音，杜灵杰常用“种树”来比喻：“研究基础物理就像(xiàng)种树，要甘愿花时间施肥、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的地方。杜灵杰经常会和学生(xuéshēng)们围坐在这里，共同回顾(huígù)实验进展，讨论下一步的方案。 “杜老师很少直接给我们(wǒmen)答案，而是引导我们自己(zìjǐ)思考。”在博士生杨子灏看来，导师注重了解(liǎojiě)每名学生的特点，因材施教，充分激发大家的潜力，“有时候讨论会(tǎolùnhuì)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(men)眼中，杜灵杰是一个对科研有(yǒu)巨大热情的人，对最新研究方向(fāngxiàng)把控很精准，一旦确认目标就会迅速着手推进，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(de)经历(jīnglì)，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(páichú)整个系统中的问题，最终发现是样品摆放不当。按照杜灵杰的思路(sīlù)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(shì)很快，但比起摘‘低处的桃子’，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(qiányán)的问题，不仅是为了(wèile)满足(mǎnzú)最原始的好奇心，也是为了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(niánlíng)差距并不大，有许多共同语言。“大家都是(shì)(shì)年轻人，要敢于走出‘舒适区’、挑战‘无人区’，瞄准最前沿，闯(chuǎng)出一条前人未曾走过的道路。方向找准了，就坚定地往前走。”这是杜灵杰常挂在嘴边的话。 今天的“黑屋子”依然24小时运转。黑暗中，这群年轻人正在耐心捕捉一种(yīzhǒng)新的量子物态。在探寻科学之光的道路(dàolù)上，他们无所畏惧(wúsuǒwèijù)，一往无前。（本报记者 焦以璇 通讯员 于玥晗 颜修齐）