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(de)道路。方向找准了，就(jiù)坚定地往前走。” 尽管是白天(báitiān)，南京大学鼓楼校区(xiàoqū)的一间实验室里仍“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(ruòyǐnruòxiàn)，耳边不时传来机器运转的嗡鸣声。南京大学物理学院教授(jiàoshòu)杜灵杰站在观测屏前，紧盯着闪烁的数据屏，不放过一丝“蛛丝马迹”。 就在这间黑屋子里，杜灵杰带领团队展开(zhǎnkāi)了一场(yīchǎng)追光之旅——在世界范围内首次发现(fāxiàn)具有引力子特征的准(zhǔn)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”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届中国青年五四奖章。“获奖对于我来说，既是(shì)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(tuòzhǎn)认知边界、推动学科(xuékē)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(yǐnlì)子。自(zì)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。 “我们可以将(jiāng)时空想象为一张弹性布，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，如果从布的一边轻轻地(qīngqīngdì)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(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(cóngxiǎo)就喜欢对自然现象刨根问底，本科时，他就读于(jiùdúyú)南京大学理科强化部。进入研究生阶段后，与周围同学大多选择实用性更强的(de)方向不同(fāngxiàngbùtóng)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。 “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(língjié)坦言(tǎnyán)，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(zhe)杜灵杰一路(yīlù)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博士后研究(yánjiū)。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(yùyán)，凝聚态物质中可能存在一种分数(fēnshù)量子霍尔引力子，表现为低能(dīnéng)模式激发，也被称为引力子模或引力子激发。由于它(tā)的行为规律与引力子类似，被形象地(dì)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(wǎnliú)，33岁的杜灵杰(língjié)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(yánjiū)工作。 “我从来没想过在国外待一辈子(yībèizi)，从规划出国的那天起，我就知道我是要回来的，出国学习就是为了有朝一日可以报效祖国(bàoxiàozǔguó)。”杜(dù)灵杰说。 杜灵杰回国后面临的第一个挑战，就是从零开始搭建实验室(shíyànshì)。 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量子霍尔效应中的集体激发(jīfā)模式(móshì)，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(zhègè)领域发起挑战，但始终没有突破(tūpò)。 在没有现成设备的(de)情况下，杜灵杰硬是带领学生们(men)白手起家，自主(zìzhǔ)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上第一台能够(nénggòu)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”。 为了捕捉微弱的光信号，他们需要营造一个黑暗的环境，窗户被厚重的窗帘(chuānglián)严丝合缝(yánsīhéfèng)地遮住，连门缝都用黑胶带细心封住。久而久之，这里便(biàn)有了一个亲切的名字——“黑屋子”。 设备建成后，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(jǔbùwéijiān)。“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(cìrì)凌晨一两点。”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(cānshù)。有时，一个(yígè)小小的调整可能需要反复(fǎnfù)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(zi)就像在一场暴风雨中听心跳，需要把噪声降到宇宙背景(bèijǐng)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(yībiàn)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(hé)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(shùjù)中发现了引力子激发的(de)微弱信号。团队十分兴奋，迅速将观测结果形成论文并向《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(de)发现再次被国外专家质疑，“你怎么知道(zhīdào)自旋为2的激发就(jiù)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(zhōng)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(sīlù)展开，“事实上，引力子模的特征能量同样重要”。 接二连三的打击让团队陷入低谷，杜灵杰(língjié)内心煎熬着(zhe)，但他(tā)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(le)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(shìjiè)上首次在分数量子霍尔(huòěr)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(lèisì)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(zhǐshì)一个起点(qǐdiǎn)。”杜灵杰说，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(zhě)”的坚守与传承 “如果(rúguǒ)这次实验最后没有达到预期目标，多年来的努力是‘一场空’怎么办？”面对质疑基础研究“无用”的声音(shēngyīn)，杜灵杰常用“种树(zhòngshù)”来比喻：“研究基础物理就像种树，要甘愿花时间施肥、精心养护(yǎnghù)，耐心等待它长成参天大树的一天。” 在杜灵杰看来，育人亦是如此。在“黑(hēi)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(hé)学生们围坐在这里，共同回顾实验进展，讨论下一步的方案(fāngàn)。 “杜老师很少直接给我们答案，而是引导我们自己思考。”在(zài)博士生杨子灏看来(kànlái)，导师注重了解每名学生的特点，因材施教，充分激发大家(dàjiā)的潜力，“有时候讨论会一开就是三四个(sānsìgè)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(dù)灵杰是一个对科研有巨大热情的人，对最新研究方向把(bǎ)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(tànqì)。 言传身教中，学生们学会了面对(miànduì)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)(de)经历，那段时间她因无法测出(cèchū)信号而感到绝望，甚至产生了放弃的念头。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(wǒmen)实验室的(de)产出速度并不是(búshì)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的问题，不仅是为了(wèile)满足最原始的好奇心，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(de)杜灵杰认为自己与学生年龄差距并不大，有许多(xǔduō)共同语言。“大家(dàjiā)都是年轻人，要敢于走出‘舒适区’、挑战‘无人区’，瞄准最前沿，闯出一条前人未曾走过的道路。方向找准了，就坚定地(dì)往前走。”这是杜灵杰常挂在嘴边的话。 今天的“黑(hēi)屋子”依然24小时运转(yùnzhuàn)。黑暗中，这群年轻人正在耐心捕捉一种新的量子(liàngzǐ)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）