2025年是物理学领域取得丰硕成果的一年，基础研究的边界在多个维度上被再次拓宽。权威期刊《物理世界》（Physics World）每年都会评选出年度十大突破，其标准严苛而全面，不仅要求研究成果在“知识或理解上取得重大进步”，还需具备“对科学进步和现实世界应用的至关重要性”。
本文将深度解读本年度入选的十项杰出成就，它们的研究范围横跨浩瀚的宇宙深空、精密的量子操控、颠覆性的材料科学以及与我们生活息息相关的医疗和公共安全领域。
值得一提的是，其中重要的一项由中国团队主导的里程碑式成就，更是为这一年的科学探索增添了浓墨重彩的一笔。
人类对宇宙和生命起源的探索是科学研究的终极动力之一。本章节将探讨两项分别在行星科学和天文学领域取得的重大进展，它们从宏观尺度出发，为我们理解自身在宇宙中的位置提供了全新的视角。
在小行星上发现生命基石
一项由国际合作团队主导的研究，在从小行星“贝努”（101955 Bennu）返回的样本中取得了惊人发现。由Tim McCoy、Sara Russell、Danny Glavin等科学家分析的样本，揭示了这颗近地小行星蕴含着令人难以置信的化学多样性。研究人员在其中识别出了盐、氨、糖、富含氮氧的有机材料，甚至还有富含金属的超新星尘埃痕迹。
这项发现的科学意义极其深远。它为“小行星撞击为早期地球播种生命所需原始成分”这一长期存在的假说提供了有力支持。NASA的OSIRIS-REx任务带回的这些珍贵样本，不仅让我们窥见了生命起源的可能线索，也极大地增进了我们对“贝努”及太阳系其他天体如何从环绕年轻太阳的物质盘中凝聚形成的理解。
首次绘制系外巨行星的“天气图”
德国哥廷根大学的Lisa Nortmann及其同事，利用欧洲南方天文台甚大望远镜上的CRIRES+仪器，为一颗遥远的系外巨行星WASP-127b创建了首张详细的“天气图”。这颗距地球约520光年的气态巨行星，其“天气预报”堪称极端：大气中的风速高达33,000公里/小时，远超太阳系内任何行星，而温度则可超过1000°C。
这项研究的技术创新尤为关键。尽管望远镜无法直接解析行星上特定位置的光线，但团队通过分析恒星光线穿过行星大气层时产生的多普勒频移，成功绘制出了一张粗略但信息丰富的天气图。他们不仅推断出这颗行星的两极比其他区域更冷，还在其大气中探测到了水蒸气的存在，这甚至引发了关于可能存在奇异形态降雨的猜想。这一分析方法为未来深入研究遥远系外行星的大气成分和动态变化开辟了全新的途径。
从对宏观宇宙的探索，我们的视线转向物质最基本的构成单元，那里同样上演着一场对微观世界的精准操控革命。
量子物理学是现代物理学的基石，而对单个粒子和量子态的精准操控，是开发下一代计算、传感和材料科学技术的关键。本章节将聚焦四项在微观尺度上实现前所未有控制的突破。
首个超流体分子的诞生
英属哥伦比亚大学的Takamasa Momose和日本理化学研究所的Susumu Kuma首次在分子（氢分子）层面观察到了超流性：一种零粘滞性的量子现象。理论预测氢分子会在1-2 K的极低温度下进入超流态，但这远低于其13.8 K的冰点。如何让氢在“结冰”之前变成超流体，是困扰科学家近20年的核心挑战。
研究团队的解决方案极具创造性：他们将氢分子簇限制在氦纳米液滴内部，利用液氦的低温环境防止氢分子凝固，并巧妙地在氢分子簇中嵌入一个甲烷分子作为探针。通过监测甲烷分子的旋转状态，他们最终成功探测到了超流性的发生。这项研究对于探索物质从经典行为到量子行为的边界具有里程碑式的意义。
用于生物传感的蛋白质量子比特
在量子传感领域，芝加哥大学的Peter Maurer和David Awschalom团队设计出一种可以在活细胞内直接产生的蛋白质量子比特，并将其用作高精度磁场传感器。传统的量子传感器多基于金刚石中的氮-空位（NV）色心，但其体积较大，难以精确定位到细胞内部。
该团队开发的荧光蛋白质量子比特则克服了这一难题。其核心优势在于：
- 体积微小：直径仅为3纳米。
- 生物兼容：可由细胞在所需位置精确生产。
在性能方面，研究人员利用黄色荧光蛋白本身实现了高达20%的自旋对比度，并在将其表达于细菌细胞内后，测量到了最高8%的对比度。尽管这一性能尚不及成熟的NV传感器，但它实现了NV色心无法完成的任务——在活细胞内部直接进行磁共振测量，为量子生物学开辟了激动人心的前景。
实现对单个反质子的相干量子控制
欧洲核子研究中心（CERN）的BASE合作项目取得了一项重大成就：首次对单个反质子进行了相干自旋谱学分析，实现了对其磁学性质迄今最精确的测量。这项技术突破代表了对反物质前所未有的量子控制水平。
研究人员将高能反质子冷却至极低温，用精密的电磁陷阱捕获单个反质子，并利用微波脉冲操控其自旋状态。其测得的共振峰比以往的测量结果窄了16倍，实现了精度的巨大飞跃。这一成果不仅为精确比较物质（质子）与反物质（反质子）的属性打开了大门，也为检验粒子物理学的标准模型提供了新的工具，甚至可能有助于揭示宇宙中物质远多于反物质这一终极谜题。
捕获史上最高分辨率的单原子图像
由马里兰大学的Yichao Zhang和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Pinshane Huang领导的团队，利用一种名为“电子叠层成像”（electron ptychography）的先进电子显微镜技术，获得了15皮米（pm）的创纪录分辨率，这比单个原子尺寸还要小约10倍。
如此惊人的分辨率使其具备了前所未有的科学价值。研究团队利用该技术，首次直接观察到了扭曲二维材料（二硒化钨）中的一种集体振动：莫尔声子（moiré phasons），并成功验证了相关的理论预测。在此之前，莫尔声子仅存在于理论中。这项技术为深入理解固体物理中的晶格振动现象提供了强大工具，并将在推动新型功能材料的工程设计方面发挥巨大潜力。
对微观世界的深刻理解，必然会催生出具有颠覆性潜力的新材料与新技术，引领我们进入一个全新的物质时代。
材料科学和通信技术的进步是推动社会发展的核心引擎。本节将介绍两项具有巨大应用前景的突破：一项是光纤通信领域的革命性进展，另一项则是由中国科学家实现的、曾被认为不可能的材料学创举。
中空光纤打破40年光传输极限
由Francesco Poletti领导的、英国南安普顿大学和微软Azure Fiber的研究人员合作开发出一种新型中空光纤，彻底改变了传统光纤的设计理念。他们用空气取代了传统光纤的实心玻璃纤芯，并利用精密的玻璃膜结构将光信号反射并约束在空心通道中传输。
其性能优势是革命性的：
- 信号衰减减少35%：这意味着长距离光缆将需要更少的信号放大器。
- 传输速度提高45%：光在空气中的传播速度远快于在玻璃中。
这一突破有望带来更快、更环保的全球通信网络。微软已经开始在其实际网络中测试这些新型光纤，预示着它们未来可能逐步取代现有的海底电缆，重塑全球数据传输的格局。
里程碑式突破：中国科学家首次制备出二维金属
一项由中国科学院物理研究所的张广宇、杜罗军及其同事完成的研究，成功制备出世界上首个真正的二维金属薄片。自石墨烯被发现以来，数百种二维材料相继问世，但它们大多是通过剥离层状材料（层间仅由弱范德华力连接）获得。然而，制造原子级厚度的金属曾被普遍认为“不可能”，因为金属原子在所有方向上都通过强力的金属键紧密结合。
中国团队开创性地开发了一种名为“范德华挤压”（vdW squeezing）的技术。他们将纯金属粉末置于两个单层二硫化钼/蓝宝石构成的“范德华砧”之间加热至熔融，然后施加200兆帕的压力进行挤压，直至冷却形成原子级厚度的金属薄片。利用该技术，他们成功制备了五种二维金属：，其中最薄的样片厚度仅为6.3 Å左右。
研究人员表示，他们的工作仅仅是“冰山一角”。这项技术的诞生，不仅为研究奇异的二维物理现象提供了全新的材料平台，也为未来开发新型电子和量子器件开辟了无限可能。
尖端物理学的突破不仅停留在实验室，更在不断转化为改善人类健康和安全的实用工具，深刻地影响着我们的生活。
物理学研究的最终价值体现在其如何直接服务于社会、改善人类福祉。本节将聚焦于两个截然不同但同样重要的领域——精准癌症治疗和全球灾害预警，展示物理学原理如何转化为拯救生命、保护社区的强大工具。
质子弧形治疗（PAT）首次成功应用于临床
意大利特伦托质子治疗中心的Francesco Fracchiolla及其同事，与瑞典的RaySearch实验室合作，首次成功地将一种名为质子弧形治疗（Proton Arc Therapy, PAT）的新技术应用于临床，为九名癌症患者提供了治疗。传统的质子治疗通常采用笔形束扫描技术，虽然精准，但在有限的治疗时间内，射束的递送方向相对较少。
PAT技术通过让质子束以弧形轨迹、从更多角度递送到肿瘤部位，克服了传统方法的局限，能够更优化地分配剂量。尤为重要的是，该团队在中心现有的质子治疗系统和临床工作流程下完成了所有治疗，这意味着这项更先进的技术无需昂贵的设备升级即可推广，为全球质子治疗中心的普及应用铺平了道路。
基于智能手机的全球地震预警系统
加州大学伯克利分校的Richard Allen与谷歌的Marc Stogaitis等人合作，创建了一个真正意义上的全球性地震预警网络——Android地震警报系统（AEA）。该系统的核心理念是利用全球98个国家数百万部安卓智能手机内置的加速度计作为微型地震仪。
传统地震台网的建设和维护成本高昂，导致许多地震多发区无法覆盖。AEA系统为此提供了完美的低成本解决方案。在2021年至2024年的测试期间，其有效性得到了充分验证：系统平均每月检测到312次地震，并针对4.5级以上的地震，每月平均发送约60次紧急的“采取行动”（TakeAction）警报，覆盖约1800万用户。此外，系统还会向预计经历3-4级震感的地区发送强度较低的“注意”（BeAware）警报。该系统不仅能提供宝贵的预警时间，未来还有望生成实时的地面震动图，为地震后的应急响应提供关键数据支持。
回顾2025年物理学的十大突破，我们看到了一条清晰的脉络：人类的求知欲正同时向最宏大与最微观的两个极端延伸——从探索宇宙的起源与生命的基石，到在量子尺度上实现对单个粒子前所未有的操控。与此同时，这些基础研究的成果正在迅速转化为能够重塑产业格局的颠覆性技术，无论是打破通信极限的中空光纤，还是曾被认为不可能的二维金属。
特别值得一提的是，中国团队在二维金属领域的杰出贡献，彰显了在全球科研合作与竞争的舞台上日益重要的创新力量。从精准的癌症治疗到覆盖全球的地震预警，这些突破最终都指向一个共同的目标：利用物理学的力量解决现实世界的问题，改善人类的福祉。这些仅仅是冰山一角，它们预示着一个由基础科学突破持续驱动的未来，必将不断塑造我们的科技、医疗和社会，值得我们每一个人持续关注与期待。
