二十世紀一零年代如何永遠地改變了物理學？
2023-04-01 03:59:27 3
這十年不僅是物理學的裡程碑，也是歷史上一系列裡程碑式的轉折點。
20世紀的十年對於新知識來說是不可思議的十年，但更重要的是，這十年的發現及其明顯的缺點改變了物理學家對各自領域的思考方式。粒子物理學和天體物理學已經進入了一個新時代，這將重塑研究人員從事科學研究的方式。基於量子力學框架的新技術可能標誌著計算、材料科學和能量處理方法的重大變革。
史丹福大學粒子物理和天體物理學副教授娜塔莉·阿託羅告訴吉本:「看來我們正處於範式轉變之中。雖然不清楚我們將何去何從，但我認為過去10年將被視為我們對物理學的理解在未來50年發生重大變化的開始。」
這個計算機模擬顯示了兩個黑洞碰撞產生的引力波。
來源:模擬極限空項目(美國航天局空美國航天局)
找到最小的物質
這十年給科學家對大小事物的理解帶來了根本性的變化。也許最值得注意的是瑞士日內瓦大型強子對撞機(直徑17英裡的粒子加速器和對撞機)的科學家們發現了希格斯玻色子的證據。這是粒子物理中心理論描述的最後一個粒子，被稱為標準模型。
在1964年之前，一些理論可以很好地描述宇宙，但是他們有一個問題:他們預測一些粒子應該是無質量的，物理學家已經知道這些粒子是無質量的。然後，六位科學家(最著名的是彼得·希格斯)發表了三篇論文來解決這個問題。他們闡述了一種機制，通過這種機制，質量可以出現在攜帶力的粒子中，這種粒子被稱為規範玻色子，所以那些解釋宇宙的理論仍然有效。這種機制需要另一種粒子的存在，希格斯玻色子。儘管進行了許多研究，希格斯玻色子直到最近十年才被發現。
緊湊型量子線圈中粒子碰撞實驗的示意圖，這是發現希格斯玻色子的主要方法。
歐洲核研究組織的大型強子對撞機是歷史上最大的科學實驗，於2008年發射。2012年7月4日，來自世界各地的研究人員擠滿了禮堂和報告廳，聽著大型強子對撞機的研究人員最終宣布，他們已經在兩個實驗性建築大小的探測器——環形儀器(ATLAS)和緊湊型量子線圈(CMS)中發現了希格斯玻色子存在的證據。許多人吹捧標準模型預測的所有粒子都已經找到，所以模型是完整的...但是它真的完整嗎？
第四代直線加速器
資料來源:羅伯特·赫拉迪勒，莫妮卡·馬加爾/普羅斯託迪奧22
"標準模型的完成意味著結束嗎？"帕蒂·麥克布萊德是費米國家加速器實驗室的傑出科學家，也是歐洲核研究中心外川智子線圈合作項目的副發言人，他告訴吉本，「不是這樣。」仍然有許多未解之謎。事實上，宇宙中大約96%的東西仍然不能用標準模型來解釋。
標準模型假設每個標準粒子都可能有一個超級伴侶:每個玻色子對應一個費米子，每個費米子對應一個玻色子。在圖中，費米子在水平線的上方，它對應的玻色子在水平線的下方。
資料來源:《新科學家雜誌》
大型強子對撞機自2012年以來異常安靜。從那以後，從標準模型試驗中獲得了大量有趣的結果，但是在希格斯玻色子之後沒有發現新的粒子。物理學家希望歐洲粒子物理研究所能找到其他粒子的證據，比如超對稱夥伴。預計這些粒子將提供一個答案...為什麼重力比其他力弱得多(想想看，地球的整個重力不能阻止冰箱磁鐵從地面拾起回形針),同時，它們也可以作為暗物質的真實身份，暗物質可能是構成宇宙腳手架的神秘物質，但尚未被直接觀察到。儘管仍有大量大型強子對撞機數據需要篩選，大型強子對撞機有望升級以保持更高的碰撞率，但科學家們開始懷疑他們是否能找到這些粒子存在的證據。
但是有一天，這些罕見的發現可能會被視為物理學史上的一個轉折點。粒子物理學家已經開始以新的方式尋找粒子。例如，與使用高能強大的超級對撞機相比，科學家更喜歡使用高精度實驗來測試各種標準模型預測，方法是尋找與理論預測的微小但有統計意義的偏差。這也鼓勵理論家跳出固有的思維模式，尋找對暗物質等的新解釋。
"為了將粒子加速器推向更高的能量，技術變得越來越具有挑戰性."為了找到新的粒子，芝加哥大學天文和天體物理學系的喬希·弗裡曼教授告訴吉本:「粒子物理學界已經意識到我們需要多樣化的方法...這將是一個具有挑戰性的問題。當你遇到一個具有挑戰性的問題時，你會想要使用你工具箱裡的所有工具，因為新物理學有點害羞。」
時間空紋波
當空紋波圖
資料來源:戴文·亨策(美國航天局空美國航天局)
這十年也最大程度地改變了物理學。一個多世紀前，阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論預言，高能事件會發出一種擾動，當它通過0+自身時會形成光速的波，即所謂的引力波。科學家們長期以來一直在尋找超新星或雙黑洞相互環繞和碰撞產生的引力波。當一顆名為PSR 1913+16的雙星脈衝星(一顆旋轉的中子星)被發現時，這種引力波的間接證據首次出現。幾年後，科學家們意識到它的軌道周期正在以廣義相對論預測的同樣方式縮短，這樣一個系統會因為引力波而失去能量。然而，儘管進行了其他搜索，直接證據仍然沒有出現。
直到這十年。2015年9月14日美國東部時間上午5:51，兩個直角設施記錄了探測器中激發光的相位變化。兩個直角設施，一個在華盛頓州，另一個在路易斯安那州，每一個都結合了一對距離直角一英裡多的隧道。這些擺動是由兩個質量分別是太陽29倍和36倍的黑洞引起的。它們相距13億光年，相互纏繞並融合，將引力波傳播到地球。
隨後進行了更多的觀察，但也許更具突破性的發現是在2017年，當探測器(現在加入了義大利的一個類似的處女座實驗)同時測量引力波時，世界各地的望遠鏡發現了無線電、紫外線和紅外線，所有這些光輻射都來自同一時刻空。能量爆炸是兩顆中子星(城市大小的死星)碰撞的結果。這一事件讓科學家們了解了元素周期表中一些最重元素的起源，並且有朝一日可能有助於解決當前物理學中關於宇宙加速速度的「危機」。
這一顛覆性的發現是多信使天文學的標誌——也就是說，在天文學中，科學家使用光波和其他粒子或波來探測和觀察光源。該望遠鏡最初只使用可見光，然後擴展到其他波長的電磁輻射，如x光或無線電波。現在補充觀測站可能包含來自粒子太空的數據，例如中微子或引力波。
「這是多信使天文學的黃金時代，」哈佛大學科學史物理教授彼得·加裡森告訴吉本。
黑洞的探索也經歷了一個分水嶺。科學家操作事件地平線望遠鏡(世界各地射電望遠鏡的集體合作)瞄準M87星系中心的65億個太陽質量黑洞。這產生了世界上第一個黑洞圖像，或者更準確地說，是黑洞投射在它後面的物體上的陰影。儘管研究人員早就發現了這些物體扭曲光線的證據——這些龐然大物的扭曲程度是如此之深，以至於光線無法逃脫它們的引力——但這一觀察為我們提供了最佳視角。科學家希望這一發現能開啟黑洞科學的新時代，他們能更好地理解超大質量黑洞中心噴射出的巨大物質射流。
視界望遠鏡捕捉到了M87星系中心的黑洞。在它的視界附近，由圍繞它旋轉的熱氣體產生的輻射在強大的重力作用下勾勒出它的輪廓。
「黑洞可以在宇宙尺度上塑造現象，」加利森說。「我們看到這些物體在大爆炸後的短時間內發光。它們就像可見宇宙邊緣的燈塔，向我們閃爍著它們的光芒。了解這些噴流的起源對於更好地掌握可能影響星系中物質分布的物體具有重要意義。」
現實世界中的物理學
在過去的十年裡，天體物理學和粒子物理學中有一個不為人知的英雄——越來越多的機器學習算法被用來對巨大的數據集進行分類。多羅告訴吉本說，沒有機器學習，黑洞圖像就不可能存在——這十年，它在粒子物理學中的應用正經歷一個「轉折點」。
這十年也迎來了一個基於粒子物理學中奇怪事物(如量子計算機)的新技術時代。麻省理工學院數學家彼得·舒爾在舒爾的因式分解算法之後告訴吉本:「我認為這十年絕對是量子計算機能夠將科幻變成現實的十年。」
2019年10月18日，國際商業機器公司研究中心主任達裡奧·吉爾(Dario Gill)站在公司位於紐約約克高地的研究設施Q System 1前。
這些量子器件是理察·費曼在1981年提出的。他們致力於使用原子的奇怪和顛覆性概率數學，而不是非常規邏輯來解決一些普通計算機無法解決的問題。具體來說，科學家希望有一天他們能夠模擬分子的行為，或者使用新的數學調整來運行一些複雜的算法。基本上，這些機器只通過擲硬幣來產生概率分布。這些硬幣可以被能量脈衝對半推動。與傳統的概率規則不同，當你把「硬幣」加在一起時，這些量子概率可能有負號，導致比普通硬幣翻轉更複雜的概率分布。
直到2007年，耶魯大學的物理學家才發明了「超導量子比特」，這是一個超導線圈，是人造原子和量子計算的最小單位。國際商業機器公司和谷歌都開發了50多臺量子機器，在處理某些問題時，它們開始顯示出比傳統計算機更快的速度。與此同時，其他公司也推出了類似雷射固定的原子大小的設備。為這些機器提供軟體工具或硬體組件的整個公司生態系統也在增長。
除了奇特的隨機數發生器，這些機器可能需要幾十年的時間才能實現它們相對於傳統機器的優勢。在它們由於外部振動或輻射而失去原始量子之前，很難控制它們。它們仍然可能產生錯誤的結果——例如，一個二進位字符串應該輸出0到1。研究人員現在正致力於糾錯，將多個量子位結合起來，創造出一個優秀的「合理的」不容易出錯的量子位。物理學家夢想的真正「容錯」的通用量子計算機可能需要數百萬個量子位才能實現其全部潛力。
但是物理學家希望他們能發現這些小的、有噪音的設備的用途，它們仍然在做一些有趣的事情，即使它們做得不是很好。早在2017年，加州理工學院的物理學家約翰·威望宣布，我們已經進入了一個量子計算的新時代，即眾所周知的嘈雜介質量子技術(NISQ)時代。
這十年來，科學家們也將量子力學的奇異性融入到新的傳感技術中。中國科學家還發射了一顆衛星，利用量子力學的數學原理對中國和奧地利之間的視頻通話進行加密。除了量子物理之外，研究人員可能已經創造了第一種在幾乎室溫下沒有電阻就能導電的材料——這是另一個醞釀了幾十年的發現。就在去年，科學家們發現他們只需一次革命就可以在兩層石墨烯中開啟或關閉超導，這一發現引發了二維系統的後續研究熱潮。
20世紀的十年可能不是物理學史上最好的十年。畢竟，20世紀初有幾十個新發現，其中許多完全顛覆了科學家關於宇宙最大和最小尺度的觀點。這也不是一個充滿驚喜的時代，它的許多發現已經醞釀了很多年。然而，不可否認的是，回顧這十年，歷史學家將會看到整個物理學領域的範式轉變，包括改變歷史進程的新技術、實驗方法和思維方式。
麥克布賴德說:「我認為這是物理學的偉大十年。」
瑞安·曼德爾鮑姆
作者:葉
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