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，闯出一条前人未曾走过的道路(dàolù)。方向(fāngxiàng)找准了，就坚定地往前走。” 尽管是(shì)白天，南京大学鼓楼校区的一间实验室里仍(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若隐若现，耳边不时传来机器运转的嗡鸣声。南京大学(nánjīngdàxué)物理学院教授杜灵杰站在观测屏前(píngqián)，紧盯着闪烁的数据屏，不放过一丝“蛛丝马迹(zhūsīmǎjì)”。 就在这间黑屋子里，杜(dù)灵杰带领团队展开了一场追光之旅——在世界范围内首次发现具有引力子特征的(de)准粒子，这一从“0”到(dào)“1”的重大成果同时入选了2024年度“中国(zhōngguó)科学十大进展”和2024年度“中国十大科技进展新闻”。 不久前，杜(dù)灵杰从(cóng)北京捧回第29届中国青年五四奖章(jiǎngzhāng)。“获奖对于我来说，既是一种激励(jīlì)也是一种责任跟动力，是在激励我要瞄准最前沿、引领新方向，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(lǐngyù)，存在着一个近乎传说的粒子——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(nántí)”之一。 “我们(wǒmen)可以将时空(shíkōng)想象为一张弹性布，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)形变的波动类似(lèisì)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，他就读于南京大学理科强化部(bù)。进入研究生阶段后，与周围同学大多选择实用性更强的(de)方向不同的是(shì)，杜灵杰选择了当时看似“超前”却(què)被贴上“没什么用”标签的量子物理。 “我喜欢(xǐhuān)沉浸在纯粹的量子(liàngzǐ)物理世界中自在探索，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(jì)存在又不存在”的量子态(liàngzǐtài)，令人着迷。 兴趣(xìngqù)，引领着杜灵杰一路(yīlù)攀登科研高峰。硕士(shuòshì)毕业后，杜灵杰选择去美国攻读物理学博士学位，此后(cǐhòu)又在哥伦比亚大学从事博士后研究。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(wùzhì)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(bèi)称为引力子模或引力子激发。由于它的(de)行为(xíngwéi)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(dǎoshī)的极力挽留(wǎnliú)，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(kāizhǎn)基础研究工作。 “我从来没想过在国外待一辈子，从规划出国的(de)(de)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报效祖国。”杜(dù)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(jíxiàn)条件：接近绝对零度的超低温、强于地球磁场数万倍的强磁场(qiángcíchǎng)，以及(yǐjí)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量子霍尔效应中(zhōng)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(guāncè)。当时，很多科学家向这个领域发起挑战，但始终没有突破。 在没有现成设备的情况下，杜灵杰硬是带领(dàilǐng)学生(xuéshēng)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非弹性偏振光散射系统。历时3年，他们终于搭建出世界(shìjiè)上第一台能够观测“引力子激发”的实验(shíyàn)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遮住，连门缝都用(yòng)黑胶带细心(xìxīn)封住。久而久之，这里便有(yǒu)了一个亲切的名字——“黑屋子”。 设备建成后，真正的挑战才刚刚开始(gānggāngkāishǐ)，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(hēi)屋子(wūzi)’里展开，通常是从早上8点开始，直至次日凌晨(língchén)一两点。”杜灵杰(língjié)坦言，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(yǒushí)，一个小小的调整可能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。 在杜灵杰看来，寻找引力子就像(xiàng)在一场暴风雨(bàofēngyǔ)中听(tīng)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，当学生们陆续离开后，杜灵杰还会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，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并(bìng)向(xiàng)《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(língjié)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(yídìng)是引力子模呢(ne)？”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(wèi)按照理论，分数量子霍尔效应(xiàoyìng)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，“事实上，引力子模的特征能量同样重要”。 接二连三的(de)打击让团队陷入低谷，杜灵杰内心煎熬着，但他仍鼓励学生“耐心点儿，沉住气”，自己依旧(yījiù)一整天(yīzhěngtiān)“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证据，研究成果发表在《自然》上(shàng)，这也是世界上首次(shǒucì)在分数(fēnshù)量子霍尔效应(xiàoyìng)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(liàngzǐlìxué)与爱因斯坦相对论之间的鸿沟。” “这只是一个起点。”杜灵杰说，未来新型电子器件和新型材料将得益于(déyìyú)这种对物质微观结构的深入理解，它(tā)将改变世界。 “种树者”的坚守与传承(chuánchéng) “如果这次实验最后(zuìhòu)没有达到预期目标，多年来的努力是‘一场空’怎么办(zěnmebàn)？”面对质疑基础研究“无用”的声音，杜灵杰常用“种树”来比喻：“研究基础物理就像种树，要(yào)甘愿花(huā)时间施肥、精心养护，耐心等待它长成参天大树的一天。” 在杜灵杰看来，育人亦是如此。在“黑屋子”实验室的角落里(jiǎoluòlǐ)，有一张简易的长桌，那是团队平时讨论问题的地方(dìfāng)。杜灵杰经常会和学生们围坐在(wéizuòzài)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(dáàn)，而是(érshì)引导我们自己思考。”在博士生杨子灏看来(kànlái)，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，一旦确认目标就会迅速(xùnsù)着手推进，即使遇到再大(zàidà)困难也从未见过他叹气。 言传身教中，学生们(men)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(dājiàn)光(guāng)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，并建议她从头到尾排除整个系统中的问题，最终发现是样品(yàngpǐn)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(shíyànshì)的产出速度并不是很快，但比起摘‘低处的桃子’，杜老师更愿意(yuànyì)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(wèile)满足最(zuì)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(qū)’、挑战‘无人区’，瞄准最前沿，闯出一条(yītiáo)前人未曾走过的道路。方向(fāngxiàng)找准了，就坚定地往前走。”这是杜灵杰常挂在(zài)嘴边的话。 今天(jīntiān)的“黑屋子”依然24小时运转。黑暗中，这群年轻人正在(zài)耐心捕捉一种新(xīn)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）