杜靈杰指導(dǎo)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)。學(xué)校供圖

　　“年輕人要敢于走出‘舒適區(qū)’、挑戰(zhàn)‘無人區(qū)’，瞄準(zhǔn)最前沿，闖出一條前人未曾走過的道路。方向找準(zhǔn)了，就堅(jiān)定地往前走。”

　　盡管是白天，南京大學(xué)鼓樓校區(qū)的一間實(shí)驗(yàn)室里仍“伸手不見五指”。

　　這里門窗緊閉，沒有任何照明光源，設(shè)備發(fā)出的光亮在黑暗中若隱若現(xiàn)，耳邊不時(shí)傳來機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的嗡鳴聲。南京大學(xué)物理學(xué)院教授杜靈杰站在觀測屏前，緊盯著閃爍的數(shù)據(jù)屏，不放過一絲“蛛絲馬跡”。

　　就在這間黑屋子里，杜靈杰帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)展開了一場追光之旅——在世界范圍內(nèi)首次發(fā)現(xiàn)具有引力子特征的準(zhǔn)粒子，這一從“0”到“1”的重大成果同時(shí)入選了2024年度“中國科學(xué)十大進(jìn)展”和2024年度“中國十大科技進(jìn)展新聞”。

　　不久前，杜靈杰從北京捧回第29屆中國青年五四獎?wù)隆！矮@獎對于我來說，既是一種激勵也是一種責(zé)任跟動力，是在激勵我要瞄準(zhǔn)最前沿、引領(lǐng)新方向，用研究成果拓展認(rèn)知邊界、推動學(xué)科突破。”杜靈杰說。

　　推開量子世界的大門

　　在物理學(xué)領(lǐng)域，存在著一個(gè)近乎傳說的粒子——引力子。自20世紀(jì)30年代提出以來，它一直存在于量子物理學(xué)家的假設(shè)中，尋找引力子關(guān)系到廣義相對論和量子力學(xué)的統(tǒng)一，被視為物理學(xué)的“終極難題”之一。

　　“我們可以將時(shí)空想象為一張彈性布，把蘋果想象成一個(gè)質(zhì)量巨大的物體，放在緊繃的布料上會產(chǎn)生凹陷，如果從布的一邊輕輕地推一個(gè)小球過去，它會朝著凹陷處滾動，這就是我們感知的引力，這種形變的波動類似時(shí)空的‘漣漪’，也就是引力波，這種波動對應(yīng)的粒子就是引力子。”杜靈杰形象地解釋道。

　　一切源于興趣使然。杜靈杰從小就喜歡對自然現(xiàn)象刨根問底，本科時(shí)，他就讀于南京大學(xué)理科強(qiáng)化部。進(jìn)入研究生階段后，與周圍同學(xué)大多選擇實(shí)用性更強(qiáng)的方向不同的是，杜靈杰選擇了當(dāng)時(shí)看似“超前”卻被貼上“沒什么用”標(biāo)簽的量子物理。

　　“我喜歡沉浸在純粹的量子物理世界中自在探索，想要觀察它將給這個(gè)世界帶來什么改變。”談及選擇量子物理的原因，杜靈杰坦言，物理學(xué)純粹而有趣，量子世界充滿了不確定性和可能性，這種“既存在又不存在”的量子態(tài)，令人著迷。

　　興趣，引領(lǐng)著杜靈杰一路攀登科研高峰。碩士畢業(yè)后，杜靈杰選擇去美國攻讀物理學(xué)博士學(xué)位，此后又在哥倫比亞大學(xué)從事博士后研究。在博士后階段，他開始嘗試全新的光學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，開始接觸分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)。

　　其實(shí)，多年前就有科學(xué)家預(yù)言，凝聚態(tài)物質(zhì)中可能存在一種分?jǐn)?shù)量子霍爾引力子，表現(xiàn)為低能模式激發(fā)，也被稱為引力子模或引力子激發(fā)。由于它的行為規(guī)律與引力子類似，被形象地稱為引力子在凝聚態(tài)物質(zhì)中的“投影”。“就像在地球上觀察不到遙遠(yuǎn)星球的細(xì)節(jié)，但可以通過其投下的影子了解它的特性。”杜靈杰說。

　　2019年，不顧海外合作導(dǎo)師的極力挽留，33歲的杜靈杰毅然選擇回國，加入母校南京大學(xué)物理學(xué)院擔(dān)任教授和博士生導(dǎo)師，從零開始搭建實(shí)驗(yàn)室，開展基礎(chǔ)研究工作。

　　“我從來沒想過在國外待一輩子，從規(guī)劃出國的那天起，我就知道我是要回來的，出國學(xué)習(xí)就是為了有朝一日可以報(bào)效祖國。”杜靈杰說。

　　一波三折的發(fā)現(xiàn)歷程

　　杜靈杰回國后面臨的第一個(gè)挑戰(zhàn)，就是從零開始搭建實(shí)驗(yàn)室。

　　實(shí)驗(yàn)需要同時(shí)滿足三個(gè)極限條件：接近絕對零度的超低溫、強(qiáng)于地球磁場數(shù)萬倍的強(qiáng)磁場，以及能捕捉到微弱信號的光學(xué)系統(tǒng)。這樣苛刻的實(shí)驗(yàn)條件聽起來似乎是天方夜譚，而杜靈杰所研究的分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中的集體激發(fā)模式，需要在滿足上述所有極端條件的情況下才能觀測。當(dāng)時(shí)，很多科學(xué)家向這個(gè)領(lǐng)域發(fā)起挑戰(zhàn)，但始終沒有突破。

　　在沒有現(xiàn)成設(shè)備的情況下，杜靈杰硬是帶領(lǐng)學(xué)生們白手起家，自主設(shè)計(jì)并集成組裝了一套極低溫強(qiáng)磁場共振非彈性偏振光散射系統(tǒng)。歷時(shí)3年，他們終于搭建出世界上第一臺能夠觀測“引力子激發(fā)”的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，足有兩層樓高，如同一臺超大號的“顯微鏡”。

　　為了捕捉微弱的光信號，他們需要營造一個(gè)黑暗的環(huán)境，窗戶被厚重的窗簾嚴(yán)絲合縫地遮住，連門縫都用黑膠帶細(xì)心封住。久而久之，這里便有了一個(gè)親切的名字——“黑屋子”。

　　設(shè)備建成后，真正的挑戰(zhàn)才剛剛開始，即便有“利器在手”，量子世界的探索仍舊舉步維艱。“我們的研究工作必須在‘黑屋子’里展開，通常是從早上8點(diǎn)開始，直至次日凌晨一兩點(diǎn)。”杜靈杰坦言，在“黑屋子”里工作并不容易。研究人員需要在黑暗中摸索前行，通過微弱的儀表燈光辨認(rèn)設(shè)備位置，調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù)。有時(shí)，一個(gè)小小的調(diào)整可能需要反復(fù)嘗試數(shù)小時(shí)，而最終的數(shù)據(jù)可能只是一個(gè)微弱的峰值。

　　在杜靈杰看來，尋找引力子就像在一場暴風(fēng)雨中聽心跳，需要把噪聲降到宇宙背景輻射的十億分之一。深夜時(shí)分，當(dāng)學(xué)生們陸續(xù)離開后，杜靈杰還會留下來再檢查一遍設(shè)備參數(shù)，確保萬無一失。“做實(shí)驗(yàn)就像照顧一個(gè)孩子，需要細(xì)心、耐心和恒心。”他常對學(xué)生們說。

　　歷經(jīng)重重困難，杜靈杰終于在海量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了引力子激發(fā)的微弱信號。團(tuán)隊(duì)十分興奮，迅速將觀測結(jié)果形成論文并向《自然》投稿，沒想到卻被回復(fù)“證據(jù)不足”。

　　在隨后一次國際會議上，杜靈杰的發(fā)現(xiàn)再次被國外專家質(zhì)疑，“你怎么知道自旋為2的激發(fā)就一定是引力子模呢？”這一問如同當(dāng)頭一棒，讓杜靈杰意識到研究思路可能錯(cuò)了。

　　因?yàn)榘凑绽碚摚謹(jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中的引力子模最明顯的特征就是自旋為2，杜靈杰陷入了思維定式，前期實(shí)驗(yàn)也循著這一思路展開，“事實(shí)上，引力子模的特征能量同樣重要”。

　　接二連三的打擊讓團(tuán)隊(duì)陷入低谷，杜靈杰內(nèi)心煎熬著，但他仍鼓勵學(xué)生“耐心點(diǎn)兒，沉住氣”，自己依舊一整天“泡”在實(shí)驗(yàn)室里分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

　　功夫不負(fù)有心人。2024年，杜靈杰帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)終于觀察到了引力子模的特征能量證據(jù)，研究成果發(fā)表在《自然》上，這也是世界上首次在分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中觀察到引力子激發(fā)。美國哥倫比亞大學(xué)量子研究院撰文稱贊：“能夠在實(shí)驗(yàn)室研究類似引力子的粒子，有望彌合量子力學(xué)與愛因斯坦相對論之間的鴻溝。”

　　“這只是一個(gè)起點(diǎn)。”杜靈杰說，未來新型電子器件和新型材料將得益于這種對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的深入理解，它將改變世界。

　　“種樹者”的堅(jiān)守與傳承

　　“如果這次實(shí)驗(yàn)最后沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，多年來的努力是‘一場空’怎么辦？”面對質(zhì)疑基礎(chǔ)研究“無用”的聲音，杜靈杰常用“種樹”來比喻：“研究基礎(chǔ)物理就像種樹，要甘愿花時(shí)間施肥、精心養(yǎng)護(hù)，耐心等待它長成參天大樹的一天。”

　　在杜靈杰看來，育人亦是如此。在“黑屋子”實(shí)驗(yàn)室的角落里，有一張簡易的長桌，那是團(tuán)隊(duì)平時(shí)討論問題的地方。杜靈杰經(jīng)常會和學(xué)生們圍坐在這里，共同回顧實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，討論下一步的方案。

　　“杜老師很少直接給我們答案，而是引導(dǎo)我們自己思考。”在博士生楊子灝看來，導(dǎo)師注重了解每名學(xué)生的特點(diǎn)，因材施教，充分激發(fā)大家的潛力，“有時(shí)候討論會一開就是三四個(gè)小時(shí)，每個(gè)人暢所欲言，直到大家找到問題的癥結(jié)所在。”

　　在學(xué)生們眼中，杜靈杰是一個(gè)對科研有巨大熱情的人，對最新研究方向把控很精準(zhǔn)，一旦確認(rèn)目標(biāo)就會迅速著手推進(jìn)，即使遇到再大困難也從未見過他嘆氣。

　　言傳身教中，學(xué)生們學(xué)會了面對困難不退縮。博士生王一帆還記得第一次獨(dú)立搭建光路開展實(shí)驗(yàn)的經(jīng)歷，那段時(shí)間她因無法測出信號而感到絕望，甚至產(chǎn)生了放棄的念頭。杜靈杰鼓勵她不要輕言放棄，并建議她從頭到尾排除整個(gè)系統(tǒng)中的問題，最終發(fā)現(xiàn)是樣品擺放不當(dāng)。按照杜靈杰的思路改進(jìn)后，王一帆成功測出了信號。

　　“我們實(shí)驗(yàn)室的產(chǎn)出速度并不是很快，但比起摘‘低處的桃子’，杜老師更愿意讓我們靜下心來，真正攻克一些處于科學(xué)技術(shù)前沿的問題，不僅是為了滿足最原始的好奇心，也是為了用科研為國家發(fā)展作出貢獻(xiàn)。”王一帆說。

　　身為“85后”的杜靈杰認(rèn)為自己與學(xué)生年齡差距并不大，有許多共同語言。“大家都是年輕人，要敢于走出‘舒適區(qū)’、挑戰(zhàn)‘無人區(qū)’，瞄準(zhǔn)最前沿，闖出一條前人未曾走過的道路。方向找準(zhǔn)了，就堅(jiān)定地往前走。”這是杜靈杰常掛在嘴邊的話。

　　今天的“黑屋子”依然24小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。黑暗中，這群年輕人正在耐心捕捉一種新的量子物態(tài)。在探尋科學(xué)之光的道路上，他們無所畏懼，一往無前。

《中國教育報(bào)》2025年05月27日 第03版