“黑房子”里的星辰大海

杜靈杰，南京大學(xué)物理學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，1986年出生于江蘇鎮(zhèn)江，2001—2004年在鎮(zhèn)江第一中學(xué)就讀，2004年通過保送進(jìn)入南京大學(xué)理科強(qiáng)化班學(xué)習(xí)，2019年在南京大學(xué)物理學(xué)院擔(dān)任教授和項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。

2024年，杜靈杰帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在量子物理領(lǐng)域取得重大進(jìn)展，首次觀察到引力子在凝聚態(tài)物質(zhì)中的準(zhǔn)粒子，為在凝聚態(tài)物質(zhì)中研究量子引力相關(guān)物理問題開辟了新的視野，這一重大成果入選2024年度“中國科學(xué)十大進(jìn)展”和“中國十大科技進(jìn)展新聞”。

覺醒：從渾噩的少年到“別人家的孩子”

上重點(diǎn)高中、保送南大、國外留學(xué)……這一路閃閃發(fā)光的履歷使得杜靈杰獲得了“學(xué)霸”的稱號，讓人認(rèn)為他的求學(xué)之路很順利。其實(shí)，他并不是生來就是“別人家的孩子”，變化來自于他的覺醒，找到內(nèi)驅(qū)力。

“我就是出生于一個(gè)普通家庭的普通孩子，父母都是工人，文化水平不高，并沒有給我什么特別的教育。小時(shí)候我很渴望知識，但也沒有太多的書籍可以閱讀。”杜靈杰說，那時(shí)候，他最喜歡干的事就是躺在床上神游太空，陷入對宇宙是怎么產(chǎn)生的、什么是時(shí)間、什么是空間等種種問題的思考中。

“我喜歡發(fā)呆和思考。這個(gè)習(xí)慣至今保持?！倍澎`杰說。

可是他的初中生活并不順利，成績在全班排名倒數(shù)。他回憶說，那時(shí)的自己缺乏目標(biāo)和動力，每天渾渾噩噩。突然有一天，他想改變這種狀態(tài)，成為優(yōu)秀的人，開始覺醒。找到了內(nèi)在的動力，不需要父母和老師敦促，他主動學(xué)習(xí)，每天熬夜刷題到凌晨一兩點(diǎn)，早上六七點(diǎn)起床繼續(xù)學(xué)習(xí)。有了內(nèi)在動力，他也沒覺得這樣學(xué)習(xí)有多辛苦，反而有一種不服輸、迎難而上的勁頭。他的努力沒有白費(fèi)，最終他考上了市重點(diǎn)高中的強(qiáng)化班。

探索：發(fā)現(xiàn)興趣、明確方向

中考是杜靈杰經(jīng)歷的唯一的升學(xué)考試了，此后，他就被一路保送。但是，這看上去耀眼的“一路開掛”并沒有人預(yù)先就知道，只是一步步走著，就走成了這樣的“劇本”。

高中階段，杜靈杰繼續(xù)保持著之前的學(xué)習(xí)勁頭，他發(fā)現(xiàn)自己對數(shù)學(xué)和物理特別感興趣，知識點(diǎn)很容易理解，還能滿足他對世界的探索欲望。只要自己愿意投入時(shí)間和精力，就能在這兩個(gè)科目上取得好成績。他享受學(xué)習(xí)的過程，成績也穩(wěn)步提升，到高三的時(shí)候，成績已經(jīng)名列全班前幾名了，后來獲得保送南大的資格，進(jìn)入南京大學(xué)理科強(qiáng)化班學(xué)習(xí)。

進(jìn)入大學(xué)后，杜靈杰探索的腳步仍未停歇。他發(fā)現(xiàn)了幾件對他的人生來說至關(guān)重要的事：第一，相比進(jìn)社會找工作， 他更喜歡做科學(xué)研究；第二，他不適合做理論研究，而是更適合從事實(shí)驗(yàn)研究工作。

了解到自己適合和不適合的事情之后，杜靈杰逐漸明確了未來的職業(yè)方向，即從事實(shí)驗(yàn)科學(xué)的研究。實(shí)驗(yàn)科學(xué)是物理學(xué)的基礎(chǔ)，也是他真正感興趣的方向。

因?yàn)楫?dāng)時(shí)國內(nèi)的實(shí)驗(yàn)物理科學(xué)仍在發(fā)展中，因此他計(jì)劃出國讀博士，學(xué)習(xí)國外更先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)科學(xué)技術(shù)，未來歸國可以更好地服務(wù)祖國。

“我喜歡做規(guī)劃，一旦方向明確，就給自己設(shè)立目標(biāo)，既有長期目標(biāo)，也有中短期的目標(biāo)，會分階段規(guī)劃、靈活調(diào)整。”杜靈杰說。

杜靈杰如規(guī)劃的那樣，在南大研究生畢業(yè)后，去往美國萊斯大學(xué)攻讀物理學(xué)博士學(xué)位。

歸來：科研報(bào)國，不負(fù)時(shí)代

讀研時(shí)，杜靈杰選擇了量子物理方向，這個(gè)選擇出乎很多人的意料，因?yàn)榱孔恿W(xué)當(dāng)時(shí)還不像現(xiàn)在這么熱門，很多人對它的前景并不看好。但在杜靈杰看來，物理學(xué)純粹而有趣，對物理的興趣一直引領(lǐng)著他前行，“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?！?/p>

2011年，他拿到美國萊斯大學(xué)的全額獎學(xué)金，出國攻讀物理學(xué)博士學(xué)位，之后在哥倫比亞大學(xué)從事博士后研究。

在國外的幾年里，杜靈杰取得了不菲的科研成績，多次以第一作者、通訊作者身份在知名國際學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表高水平論文，在拓?fù)浼ぷ咏^緣態(tài)、半導(dǎo)體人工晶格等領(lǐng)域取得不俗突破。

在美國的學(xué)習(xí)經(jīng)歷開闊了杜靈杰的視野，也讓他更加堅(jiān)定了在量子物理領(lǐng)域深耕的決心。他始終心系祖國，國外雖然在實(shí)驗(yàn)科學(xué)方面有更先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)，但也存在一些問題，比如科研體制相對短視，更注重短期成果，可是基礎(chǔ)研究往往需要長期的投入和耐心，國內(nèi)的科研環(huán)境和政策支持更適合他從事基礎(chǔ)研究。

“我從來沒想到在國外待一輩子，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?！倍澎`杰說。

奇跡：在科研“無人區(qū)”的探索

穿過金銀街的薔薇花樹和時(shí)尚小店，便是南京大學(xué)鼓樓校區(qū)唐仲英樓，杜靈杰的實(shí)驗(yàn)室就在這里。

想象一下，你剛剛在金銀街的小吃攤前大快朵頤，享受著南京大學(xué)鼓樓校區(qū)周邊的煙火氣，而后，穿過芬芳撲鼻的薔薇花樹，進(jìn)入了一個(gè)全新的世界——這便是2019年杜靈杰回到南大任教時(shí)第一時(shí)間搭建的“黑房子”。

走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，你會發(fā)現(xiàn)這里和外面的熱鬧形成了鮮明對比，這里安靜得只能聽到機(jī)器的輕微轟鳴聲。杜靈杰的實(shí)驗(yàn)室被稱為“黑房子”，不是因?yàn)樗幧?，而是因?yàn)樗锩娌刂慌_超級先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備——大型光譜輸運(yùn)聯(lián)動設(shè)備。這臺設(shè)備搭建就花了整整三年時(shí)間，在全世界也是唯一的一臺，可以說是科研界的“獨(dú)一份”。

“這里是超高真空，溫度是20mk，比宇宙的溫度高0.02度?！倍澎`杰介紹著，臉上帶著自豪的微笑。他們在這里研究的是二維電子氣，這種神奇的物質(zhì)在極低的溫度下會表現(xiàn)出一些新奇的物態(tài)。通過照光，讓光子和這些物態(tài)發(fā)生反應(yīng)，科學(xué)家們就能探測到這些新物態(tài)的存在。

2024年3月，杜靈杰團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)震驚學(xué)術(shù)界的研究成果：他們首次觀察到了引力子激發(fā)——分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中涌現(xiàn)的引力子。這種引力子是諾貝爾物理學(xué)獎得主Haldane等人在理論上預(yù)言的，可以理解為一種兩維空間中的有質(zhì)量引力子，因?yàn)槠湓趯?shí)驗(yàn)上表現(xiàn)為低能模式激發(fā)，所以也被稱為引力子?；蛞ψ蛹ぐl(fā)，但多年來一直沒有人能在實(shí)驗(yàn)中觀察到。杜靈杰團(tuán)隊(duì)的這一發(fā)現(xiàn)，就像是在黑暗中點(diǎn)亮了一盞明燈，為量子物理的相關(guān)研究開辟了新的方向。

事情要追溯到2019年，那時(shí)杜靈杰在分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中意外觀察到了一種新的集體激發(fā)，后來理論物理學(xué)家推測這一新的激發(fā)可能是分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中涌現(xiàn)的引力子。這觸發(fā)了杜靈杰率領(lǐng)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中去探尋這類神秘準(zhǔn)粒子的存在。由于這種準(zhǔn)粒子行為規(guī)律與引力子（身處三維空間）類似，而分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)是通過半導(dǎo)體量子阱這種兩維電子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，也就是說少了一個(gè)空間維度，所以它被形象地稱為引力子在凝聚態(tài)物質(zhì)中的“投影”。但找到這一“投影”、弄清背后機(jī)制的實(shí)驗(yàn)非常艱難，該實(shí)驗(yàn)對設(shè)備要求極高而且看似矛盾，一直極富挑戰(zhàn)性，一度被人認(rèn)為是不可能完成的。

這一年，杜靈杰從國外回到南京大學(xué)，第一時(shí)間建立了量子極端測量實(shí)驗(yàn)室。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從無到有，自主設(shè)計(jì)、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)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)室就像一個(gè)“黑房子”，把溫度、磁場、震動等實(shí)驗(yàn)條件都推向了極致。在這個(gè)“黑房子”里，杜靈杰和他的團(tuán)隊(duì)夜以繼日地工作，最終用完整的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，向世界宣告他們首次發(fā)現(xiàn)了引力子激發(fā)，這也是全球首次觀察到具有引力子特征的準(zhǔn)粒子。

“基礎(chǔ)研究主要是面向未知的?！倍澎`杰感慨，“國家和南大給了我們很大的自由空間，我們可以花幾年時(shí)間搭建儀器設(shè)備，可以沉下心來從事基礎(chǔ)研究。這些年來，真的能感覺到國家對基礎(chǔ)研究投入的重視?！?/p>

如今，在這個(gè)“黑房子”里，機(jī)器仍在24小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，杜靈杰和他的團(tuán)隊(duì)正向一種新的量子物態(tài)發(fā)起挑戰(zhàn)。

對話

《風(fēng)流一代》：從杜博士到杜博導(dǎo)、杜教授，你現(xiàn)在有了學(xué)生，也帶著學(xué)生團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了“奇跡”，你有什么團(tuán)隊(duì)管理的秘籍嗎？

杜靈杰：沒有秘籍，我是85后，比我的學(xué)生也就大個(gè)十來歲。我常常跟我的學(xué)生們說，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，引領(lǐng)新方向，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。

《風(fēng)流一代》：整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程漫長而曲折，但你都輕描淡寫，是什么支持著你不著急出論文、埋頭“黑屋子”記錄數(shù)據(jù)；不關(guān)注榮譽(yù)得失，專注光電信號每一刻的變化？

杜靈杰：對純粹的物理世界的興趣，引領(lǐng)著我不斷去拓展新的領(lǐng)域、研究新的課題、探索自然科學(xué)的奧秘。而且，我得到了來自國家、江蘇省和南大堅(jiān)定的科研支持、充足的經(jīng)費(fèi)保障。尤其是近年來江蘇省科技廳牽頭成立的江蘇省物理科學(xué)研究中心，給了我們長期穩(wěn)定的資助，這樣我們就可以專心干科研。

當(dāng)時(shí)如果留在美國，我不可能從事現(xiàn)在這個(gè)引力子方面的研究，因?yàn)檫@東西是未知的，根本不知道幾年能有結(jié)果。

《風(fēng)流一代》：在普通大眾眼里，量子物理學(xué)家的工作很深奧，量子物理很神秘，它在我們的生活中有應(yīng)用嗎？

杜靈杰：其實(shí)量子已經(jīng)滲透在我們生活中了，比如手機(jī)上的一些半導(dǎo)體材料、醫(yī)院里的磁共振成像都用到了量子物理，多媒體教學(xué)使用的激光筆的激光本身也跟量子力學(xué)有關(guān)。量子物理的每一次創(chuàng)新突破最終勢必能推動國家科技的進(jìn)步，改變?nèi)嗣裆畹姆绞健?/p>

《風(fēng)流一代》：你認(rèn)為你的工作意義是什么？

杜靈杰：我主要從事基礎(chǔ)研究，基礎(chǔ)研究的成果往往是很難預(yù)測的，并且有時(shí)越是不能被預(yù)測的東西，往往越重要。基礎(chǔ)研究主要解決“0到1”的問題，它不能立刻告訴我們這個(gè)有什么用，但是可以拓展我們對世界的認(rèn)知邊界，相當(dāng)于把“毛坯房”給搭出來?；A(chǔ)研究看起來離我們的日常生活較遠(yuǎn)，但卻是整個(gè)科學(xué)體系的源頭和所有技術(shù)問題的總開關(guān)，所以對這個(gè)世界哪怕多一點(diǎn)點(diǎn)認(rèn)知，最終都會帶來指數(shù)級的技術(shù)進(jìn)步和造福全人類的好處。

《風(fēng)流一代》：如今AI正在風(fēng)行，你如何看待人工智能的發(fā)展？

杜靈杰：AI是一個(gè)非常有用的工具，尤其在處理大量數(shù)據(jù)和復(fù)雜計(jì)算方面，AI可以幫助科研人員更高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和模型構(gòu)建，從而節(jié)省時(shí)間和精力，專注于更有創(chuàng)造性的研究工作。比如，在實(shí)驗(yàn)物理中，AI未來可以幫助處理大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，快速找到潛在的規(guī)律和趨勢。盡管AI在處理已知問題和模式方面表現(xiàn)出色，但在面對全新的、未知的問題時(shí)，AI往往捉襟見肘，因?yàn)槠淙狈φ嬲膭?chuàng)造力。未來的發(fā)展方向是人類與AI協(xié)作，而不是AI完全取代人類。人類的創(chuàng)造力和判斷力在解決復(fù)雜問題時(shí)不可替代。

《風(fēng)流一代》：你對未來有什么樣的計(jì)劃嗎？

杜靈杰：科研永遠(yuǎn)在路上，創(chuàng)新沒有完成時(shí)。做好眼前的工作，一步一步地往前走。作為科研工作者，我希望自己的研究成果能對國家高科技發(fā)展有所助力，能為人類生活變得更美好做出一點(diǎn)點(diǎn)貢獻(xiàn)。