回首2019年，如果一定需要一個總結詞，對大多數來說可能是 covid-19（新型冠狀病毒肺炎), 這種傳染病來勢洶洶，其對世界的影響是如此之大，讓大千世界的其他一切都黯然失色。但是對於科學家來說，2019年也見證了很多科技成就的誕生。

一 首張黑洞照片問世。

人類拍到的第一張黑洞照片.jpg

1915年，愛因斯坦廣義相對論首次預言了黑洞的存在，1970年美國的“自由”號人造衛星在天鵝座X-1上發現了第一個黑洞，此後人類就一直為了“看見”黑洞而努力。2019年4月10日晚9點，數百名科學家參與合作的“事件視界望遠鏡（EHT）”專案在比利時布魯塞爾、智利聖地亞哥、中國上海和臺北、日本東京和美國華盛頓，全球六地同時召開新聞釋出會，釋出了人類拍到的首張黑洞照片。

哈勃太空望遠鏡拍攝的M87星系，及其中心黑洞產生的噴流.jpeg

該黑洞位於室女座星系團中超大質量星系M87中心，距離地球5500萬光年，質量為太陽的65億倍。照片中闇弱區域即為“黑洞陰影”。透過對比觀測得到的影象和愛因斯坦相對論和黑洞吸積理論預測到的影象，兩者之間的吻合程度完美驗證了愛因斯坦的廣義相對論。實現了長久以來人類“看見”黑洞的夢想。

二 科學家首次在“超級地球”大氣層發現水蒸氣；

哈勃望遠鏡.png

2019年9月11日，加州大學洛杉磯分校的研究人員利用美國宇航局/歐空局的哈勃太空望遠鏡，首次在名為K2-18b的太陽系外行星的大氣層中發現了水蒸氣。K2-18b行星位於獅子座方向，距離地球111光年，環繞一顆質量只有太陽三分之一的紅矮星執行，公轉時長為33天，可能是有外星生命存在的“放大版地球”，被形容為可能是“超級地球”，也就是可能支撐生命的巨大岩石行星。

超級地球

該行星位於其恆星的宜居範圍內，這一重大發現意味著此岩石行星的表面可能不僅存在著液態水，甚至還有可能孕育了一片海洋。是第一顆人類已知有水的系外行星，也是目前所知的宜居可能性最大的系外行星。

詹姆斯·韋伯望遠鏡

將於2021年發射的詹姆斯韋伯太空望遠鏡（JWST）和2020年底發射的大氣遙感紅外系外行星望遠鏡（ARIEL）將進一步探索研究K2-18 b行星上是否有人這一課題。

三 首次觀測到三維量子霍爾效應；

三維量子霍爾效應及電荷密度波示意圖。

20世紀80年代初，量子霍爾效應在二維電子體系中被發現，在凝聚態物理中催生出了一個越趨活躍的研究領域。早在1987年，Bertrand Halperin（波特蘭·霍爾珀林）從理論上就預言了三維量子霍爾效應的存在和它的測量特徵。

ZrTe5的晶格結構實驗測量的費米麵形狀該費米麵是封閉的表徵該電子體系的三維特性三維量子霍爾現象.png

2019年5月9日，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心國際功能材料量子設計中心（ICQD）和物理系教授喬振華與南方科技大學教授張立源、新加坡科技設計大學教授楊聲遠、美國佛羅里達州立大學教授楊昆、麻省理工學院教授Patrick A. Lee以及布魯海文國家實驗室教授Genda Gu等在《自然》上發表文章，他們在碲化鋯（ZrTe5）塊體單晶體材料中首次觀測到三維量子霍爾效應的明確證據，並指出該效應可能是由於磁場下相互作用產生的電荷密度波誘導的。

在這個效應中，由於維度的不同，現象背後的微觀物理機制也展現其新穎與誘人的方面。該發現有望為未來的凝聚態物理的發展注入新的活力。

四 熱傳遞的第四種方式：實現聲子真空傳熱；

熱傳遞的傳統方式

我們知道，熱量的傳遞途徑一般分為三種，即熱傳導、熱對流、熱輻射；

熱傳導又稱導熱， 屬於接觸傳熱，由物體中分子、原子或它們的組成部分的相互碰撞、轉動、震動等熱運動使熱量從物體中溫度較高部位傳遞到溫度較低部位或傳遞到與之接觸的溫度較低的另一物體的過程。

熱對流又稱對流，也屬於接觸傳熱，是指流體各部分之間發生相對位移，冷熱流體相互摻混引起熱量傳遞的方式。（透過流動介質熱微粒由空間的一處向另一處傳播熱能的現象。

熱輻射，透過電磁波來傳遞能量的方式，是非接觸能量傳遞方式，在真空中也能進行，而熱傳導和熱對流在真空中是無法進行的。

量子漲落使得聲子可以在真空中傳遞熱量.jpeg

近日科學家發現了第四種熱傳遞方式，即奈米範圍內，量子波動傳播。

1948年，荷蘭物理學家 Hendrik casimir（亨德里克·卡西米爾）基於量子力學提出“凱西米爾效應”，預測即使在沒有物質存在的真空裡面，仍然能發生能量漲落。也就是說在量子物理學家看來，真空並不是一片真正的“虛空”，而是充滿了量子漲落，這種量子波動也會引起聲子耦合，從而促進熱傳遞。但一直沒有被證實。

熱傳遞示意圖.jpeg

2019年12月香港大學校長張翔教授帶領的加州大茡伯克利分校科硏團隊透過實驗驗證了這一假說，證明了完全真空隔開的兩個物體之間的量子波動可引起熱傳導，熱能可以跨越幾百奈米的完全真空空間。

這一成果，不僅是對經典物理學的顛覆，更將對計算器晶片和其他在設計上以散熱為關鍵考慮的奈米級電子元件產生深遠的影響，對於高速計算器和大資料儲存的發展也非常重要，也昭示著聲音也可能在真空中傳播。但需要指出的是：這種傳播目前只是在幾百奈米的範圍內。

五 首次證實水結冰過程中“臨界冰核”的存在；

相變是指自然界的物質在特定條件下會自發從一個狀態變成另一狀態，例如，低溫下的水會結成冰，近百年前美國物理學家吉布斯等人提出“經典成核理論”，即相變需要經過“成核”過程。

12月19日中國科學院化學研究所、中國科學院大學及河北工業大學研究人員王健君等人證實了水結冰過程中臨界冰核的存在，並給出了臨界冰核的尺寸和過冷溫度的相互關係。

(a) 不同奈米片冰成核能力的突變.png

他們發現含有8奈米尺寸氧化石墨烯的水滴，在攝氏零下27.6度時結冰；含有11奈米氧化石墨烯的水滴，在攝氏零下17.6度就開始結冰。

(b) 氧化石墨烯表面冰成核自由能壘的突變.png

最終，他們從一系列的資料中獲得定量關係，當成核溫度和奈米氧化石墨烯尺寸的乘積等於200時，水結冰。也就是說，奈米顆粒尺寸在促進冰成核能力方面的尺寸閾值現象是普遍的，與過冷溫度成反比關係，而幾乎不依賴於奈米顆粒的種類、表面化學性質等特徵。

“結冰”作為一個自然界的普遍現象，這一發現可以對地球上的氣候、地質及生命過程產生巨大影響，在化學工業、低溫生物學、材料科學等領域也會發揮著至關重要的作用，而一個意外之喜是，這一發現還有助於研發更美味的冰激凌，相信看到這裡的讀者都會感到開心吧。