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(miáozhǔn)最前沿，闯出一条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，南京大学(nánjīngdàxué)鼓楼(gǔlóu)校区的一间实验室里仍“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杜灵杰站在观测屏(píng)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(le)一场追光之旅——在世界范围内首次发现具有引力子特征的准(zhǔn)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“中国十大科技进展新闻”。 不久前，杜(dù)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、引领新方向，用(yòng)研究成果拓展认知边界、推动学科突破(tūpò)。”杜灵杰说。 在物理学(wùlǐxué)领域，存在着一个近乎传说(chuánshuō)的粒子——引力子。自(zì)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，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”之一。 “我们可以将时空想象为一张弹性布，把苹果想象成一个质量巨大的物体，放在(fàngzài)紧绷的布料上会产生凹陷，如果(rúguǒ)从布的一边轻轻地推一个小球过去，它会朝着凹陷处滚动，这就是我们感知的引力(yǐnlì)，这种形变的波动类似时空的‘涟漪’，也就是引力波(yǐnlìbō)，这种波动对应的粒子就是引力子。”杜灵杰形象地解释道(dào)。 一切源于(yuányú)兴趣使然(shǐrán)。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。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，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)。 “我喜欢沉浸在(zài)纯粹的量子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(chōngmǎn)了不确定性和可能性(kěnéngxìng)，这种“既存在(cúnzài)又不存在”的量子态，令人着迷。 兴趣，引领着(zhe)杜灵杰(língjié)一路攀登科研高峰。硕士毕业后，杜灵杰选择去(qù)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(níngjùtài)物质中可能存在一种分数量子(liàngzǐ)霍尔引力子，表现为低能模式激发，也被称为引力子模或(huò)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(guānchá)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(língjié)说。 2019年，不顾海外合作导师的(de)极力挽留，33岁(suì)的杜灵杰毅然选择回国，加入母校南京大学(nánjīngdàxué)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的，出国学习(xuéxí)就是为了有朝一日可以报效祖国。”杜灵杰说(shuō)。 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(sìhū)是天方夜谭(tiānfāngyètán)，而杜灵杰所研究的分数量子霍尔效应中的集体激发模式，需要在满足上述所有极端条件的情况(qíngkuàng)下才能观测。当时，很多科学家向(xiàng)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，杜灵杰硬是带领学生们白手起家(báishǒuqǐjiā)，自主设计并集成组装了一套极低温强磁场共振非弹性(tánxìng)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(yǐnlì)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(xiǎnwēijìng)”。 为了捕捉微弱(wēiruò)的光信号，他们需要营造一个黑暗的环境，窗户被(bèi)厚重的窗帘严丝合缝地遮住，连门缝都用黑胶带(jiāodài)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(de)挑战才刚刚开始，即便有“利器在(zài)手”，量子世界(shìjiè)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(wēiruò)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(líkāi)后(hòu)，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(shíyàn)就像照顾一个孩子，需要细心、耐心和恒心(héngxīn)。”他常对学生们说。 历经重重困难，杜(dù)灵杰终于在海量数据中(zhōng)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向《自然》投稿，没想到却被(bèi)回复“证据不足”。 在随后一次(yīcì)国际会议上(shàng)，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(zimó)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(de)引力(yǐnlì)子模最明显的特征就是自旋为2，杜(dù)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”。 接二连三的打击(dǎjī)让团队陷入低谷(dīgǔ)，杜灵杰内心煎熬着，但他仍鼓励学生“耐心点儿，沉住气”，自己依旧一整天“泡”在实验(shíyàn)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(yǐnlì)子模的特征能量证据，研究(yánjiū)成果发表在《自然》上(shàng)，这也(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(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。” “这只是一个起点。”杜灵杰说，未来(wèilái)新型电子器件和新型材料将(jiāng)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(nǔlì)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：“研究基础物理就像种树，要甘愿花(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(yùrén)亦是(shì)如此。在“黑屋子”实验室的角落里，有一张(yīzhāng)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(zhíjiē)给我们答案，而是引导我们自己思考(sīkǎo)。”在(zài)博士生杨子灏看来，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，直到大家找到问题的症结所在。” 在(zài)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(guāng)路开展实验的(de)经历，那段时间她因(yīn)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，最终发现是样品摆放(bǎifàng)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(zhāi)‘低处的桃子’，杜老师更愿意让我们静下心来，真正攻克(gōngkè)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，也是为了用科研为国家发展作出贡献。”王一帆说。 身为“85后”的(de)杜(dù)灵杰认为(rènwéi)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(yītiáo)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(de)“黑屋子”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(jiāoyǐ)璇 通讯员 于玥晗 颜修齐）