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‘舒适区’、挑战‘无人区’，瞄准最前沿，闯出一条(yītiáo)前人未曾走过的道路(dàolù)。方向找准了，就坚定地往前走。” 尽管是白天(báitiān)，南京大学鼓楼校区的一间实验室(shíyànshì)里仍“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(zài)黑暗中若隐若现，耳边不时传来机器运转的嗡鸣声。南京大学物理学院(xuéyuàn)教授杜灵杰站在观测(guāncè)屏前，紧盯着闪烁的数据屏，不放过一丝“蛛丝马迹”。 就在这间黑屋子里，杜灵杰带领团队展开了一场追光之旅——在世界范围(fànwéi)内首次发现具有引力子特征的准粒子，这一(zhèyī)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”和2024年度“中国十大科技(kējì)进展新闻(xīnwén)”。 不久前，杜灵杰从北京捧回(huí)第29届中国青年五四奖章。“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(miáozhǔn)最前沿、引领新方向，用研究成果拓展认知边界、推动(tuīdòng)学科突破。”杜灵杰说。 在物理学领域，存在(cúnzài)着一个近乎传说的粒子——引力子。自20世纪30年代提出以来，它一直(yìzhí)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(kěyǐ)将时空想象为一张弹性布，把苹果想象成(chéng)一个质量巨大的物体，放在紧绷的布料上会(huì)产生凹陷，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，这就是我们感知(gǎnzhī)的引力(yǐnlì)，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。杜灵杰从小就喜欢对自然现象刨根问底，本科时(shí)，他就读于南京大学理科强化部。进入研究生阶段后，与(yǔ)周围同学大多选择实用性更强的(de)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(biāoqiān)的量子物理。 “我喜欢沉浸在纯粹(chúncuì)的量子物理(wùlǐ)世界中自在探索，想要观察它(tā)将给这个世界带来什么改变。”谈及选择量子物理的原因(yuányīn)，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，引领着杜灵杰一路攀登科研高峰。硕士毕业后，杜灵杰选择(xuǎnzé)去美国攻读(gōngdú)物理学博士学位，此后又在哥伦比亚大学(gēlúnbǐyàdàxué)从事博士后研究。在博士后阶段，他(tā)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(duōnián)前就有科学家(kēxuéjiā)预言，凝聚态物质中(zhōng)可能(kěnéng)存在一种(yīzhǒng)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，但可以通过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极力挽留，33岁的杜灵杰毅然选择回国，加入母校(mǔxiào)南京大学物理(wùlǐ)学院担任教授和博士生导师，从零开始搭建(dājiàn)实验室，开展基础研究工作。 “我从来没想过在(zài)国外待一辈子，从规划(guīhuà)出国的那天起，我就知道我是要回来的，出国学习就是为了有朝一日可以(kěyǐ)报效祖国。”杜灵杰说。 杜灵杰回国后面临的第一个(dìyígè)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(bèi)的强磁场，以及能捕捉到微弱(wēiruò)信号的光学系统(guāngxuéxìtǒng)。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(yìngshì)带领学生们白手起家，自主设计并集成组装了一套极低温强磁场共振(gòngzhèn)非弹性偏振光散射系统。历时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(gāo)，如同一台超大号的“显微镜”。 为了捕捉微弱的光信号，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(dì)遮住(zhù)，连门缝都用(yòng)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，真正(zhēnzhèng)的挑战才刚刚开始，即便(jíbiàn)有(yǒu)“利器在手”，量子(liàngzǐ)世界的探索仍旧举步维艰。“我们的研究工作必须在‘黑(hēi)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。研究人员需要在黑暗中摸索前行，通过微弱的仪表灯光辨认设备位置，调整实验参数。有时，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(zhǐshì)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(bàofēngyǔ)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，当学生们(men)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(duì)学生们说。 历经重重困难，杜灵杰终于在海量数据中发现了引力子激发的微弱信号。团队(tuánduì)十分兴奋，迅速将观测(guāncè)结果形成论文并向《自然》投稿，没想到却被回复(huífù)“证据不足”。 在随后一次国际(guójì)会议上，杜灵杰的发现再次被国外专家(zhuānjiā)质疑，“你怎么知道自旋为2的激发(jīfā)就一定是引力子模呢？”这一问如同当头一棒，让杜灵杰意识到研究思路可能错了。 因为按照理论，分数量子霍尔效应中的引力子模最明显(míngxiǎn)的特征就是自旋(zìxuán)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，“事实上(shìshíshàng)，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)，杜灵杰内心煎熬着，但他仍鼓励学生“耐心(nàixīn)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(gōngfūbùfùyǒuxīnrén)。2024年，杜灵杰带领团队终于(zhōngyú)观察到了引力子模的特征(tèzhēng)能量(néngliàng)证据(zhèngjù)，研究成果发表在《自然》上，这也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相对论之间的鸿沟。” “这只是一个(yígè)起点。”杜(dù)灵杰说，未来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深入理解，它将改变世界。 “种树者”的坚守与(yǔ)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？”面对质疑基础研究“无用”的声音，杜灵杰常用“种树”来比喻：“研究基础物理就(jiù)像种树，要甘愿花(huā)时间施肥、精心养护(yǎnghù)，耐心等待它长成参天大树的一天。” 在杜灵杰(língjié)看来，育人亦(yì)是如此。在“黑屋子”实验(shíyàn)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们围坐在这里，共同回顾实验进展，讨论下一步的方案。 “杜老师很少直接给我们答案，而是引导我们自己思考(sīkǎo)。”在博士生杨子灏(hào)看来，导师注重了解每名(měimíng)学生的特点，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(zhídào)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有(yǒu)巨大热情的人，对最新研究方向把控(kòng)很精准，一旦确认目标(mùbiāo)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经历，那段时间(duànshíjiān)她因无法测出信号而感到绝望，甚至(shènzhì)产生了放弃的念头(niàntou)。杜(dù)灵杰鼓励她不要轻言放弃，并建议她从头到尾排除整个系统中的问题，最终发现是样品(yàngpǐn)摆放不当。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(de)产出速度并不是很快，但比起摘‘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，不仅是为了满足最原始的好奇心，也是为了用(yòng)科研(kēyán)为国家发展作出贡献。”王一帆说。 身为“85后”的杜(dù)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(zuìqiányán)，闯(chuǎng)出一条前人未曾(wèicéng)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(yīrán)24小时运转。黑暗中，这群年轻人正在耐心(nàixīn)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(yīwǎngwúqián)。（本报记者 焦以璇 通讯员 于玥晗 颜修齐）