21世紀10年代，這十年，物理學發生了什麼？
2023-04-01 03:57:00 2
這十年不僅標誌著物理學史上的一個轉折點，也標誌著一系列的轉折點。
21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，這十年的發現及其巨大的缺失改變了物理學家在各自領域的思維方式。粒子物理學和天體物理學已經進入了一個新時代，這將重塑研究人員進行科學研究的方式。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。
計算機模擬顯示引力波是由兩個黑洞的碰撞產生的。
史丹福大學粒子物理和天體物理學副教授娜塔莉亞·託羅在接受《天文學在線》採訪時表示:「感覺我們正處於一個範式轉變的過程中。」。「目前還不清楚我們將走向何方，但我認為，從現在開始的過去10年將被視為我們對物理學的理解發生重大轉變的開始。」
尋找最小的物質
在過去的十年裡，科學家對尺寸的理解發生了根本性的變化。也許最值得注意的是在瑞士日內瓦的大型強子對撞機(17英裡的圓形粒子加速器和對撞機)中發現了希格斯玻色子。這是粒子物理中心理論描述的最後一個粒子，稱為標準模型。
在1964年之前，一些理論很好地描述了宇宙，但是他們有一個問題:他們預測一些物理學家已經知道有質量的粒子應該是無質量的。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，詳細闡述了一種質量可以出現在被稱為「規範玻色子」的帶電粒子中的機制，這樣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，希格斯玻色子直到這十年才被發現。
歐洲粒子物理中心的大型強子對撞機於2008年發射，這是迄今為止最大的科學實驗。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建築大小的探測器阿特拉斯和CMS中發現了希格斯玻色子的存在。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...是嗎？
「說標準模型的完成意味著我們已經完成了，」帕蒂·麥克布萊德，費米國家加速器實驗室的傑出科學家，歐洲粒子物理中心CMS的副發言人，告訴天文學在線。「不。」仍然有許多謎團。事實上，宇宙中大約96%的物質仍然無法用標準模型來解釋。
自2012年以來，大型強子對撞機出奇地安靜。從那以後，測試標準模型的有趣結果相繼出現，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，比如超級粒子。據預測，這些粒子可以同時解釋為什麼重力比其他力弱得多(想想看，地球的所有重力都不能阻止冰箱磁鐵吸住回形針)，而且作為暗物質的真實身份，這些神秘物質似乎形成了宇宙的框架，但還沒有被直接觀察到。儘管仍有大量LHC數據需要篩選——LHC也將升級以保持更高的碰撞率——科學家們開始懷疑他們是否能找到這些粒子的任何跡象。
但是有一天，這一發現的缺失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，例如通過高精度實驗測試各種標準模型的預測，尋找與理論預測的微小但有統計意義的偏差，而不是尋找高能強大的超級對撞機。這也鼓勵理論家跳出固有的思維模式，為暗物質等事物找到新的解釋。
芝加哥大學天文學和天體物理學教授喬希·弗裡曼在接受《天文學在線》採訪時說:「將粒子加速器推向更高的能量以發現新粒子在技術上變得越來越具有挑戰性。」「粒子物理學界已經意識到我們需要多樣化的方法...這將是一個非常具有挑戰性的問題。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，因為新的物理學有點模糊。」
時間空自身波動
這十年也在最大範圍內徹底改變了物理學。一個世紀前，愛因斯坦的廣義相對論預言，當以光速行進時，高能事件會產生等於0+的擾動。這種擾動被稱為引力波。科學家們長期以來一直在尋找超新星或雙星黑洞相互環繞和碰撞產生的引力波。波的間接證據首次出現在被稱為PSR 1913+16的雙星脈衝星(旋轉中子星)的發現中。幾年後，科學家們意識到它的軌道周期正在縮短，正如廣義相對論所預測的那樣精確。由於引力波的產生，這個系統會失去能量。儘管進行了其他研究，但沒有發現直接證據。
也就是說，直到這十年。2015年9月14日，東部時間上午5:51，兩個l形設施(每個都由一對1英裡長的隧道組成)以直角相遇，一個在華盛頓州，另一個在路易斯安那州，它們在探測器上記錄它們的雷射的相移和相位損失。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。它們相互纏繞並融合，將引力波傳播到13億光年以外的地球。
後來，進行了更多的觀察，但也許在2017年有了更具突破性的發現，當時這些探測器，現在與義大利類似的處女座實驗相結合，測量了引力波。世界各地的望遠鏡發現了來自天空中同一點的無線電、紫外線、紅外線和光輻射。這種能量爆發是兩顆中子星碰撞的結果，這兩顆中子星是城市大小的星體。這一事件使科學家們了解了周期表中一些最重元素的起源，這可能有一天有助於解決物理學中關於宇宙加速的「危機」。這種範式轉變的發現是多元天文學的象徵——也就是說，科學家利用對光波、其他粒子或波的探測來觀察天文學中的光源。望遠鏡最初只使用可見光，然後是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括來自空的數據，如中微子或引力波。
"這是多元天文學的黃金時代。"哈佛大學科學史的物理學教授Peter Galison告訴天文學在線。
在其他方面，黑洞領域經歷了一個分水嶺時刻，來自事件地平線望遠鏡的科學家，一個世界各地射電望遠鏡的合作行動，聯合起來瞄準位於星系M87中心的65億個太陽質量黑洞。這產生了世界上第一個黑洞的圖像，或者更準確地說，是它後面的黑洞投射的陰影。儘管研究人員早就發現了這些彎曲的光物體的證據——當空時，巨大的龐然大物會扭曲，這樣光就無法逃脫它們的重力——但這一觀察結果卻是對其中一個物體的最佳直接觀察。科學家希望這一發現開啟黑洞科學的新時代，並希望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。
在2019年4月10日發布的一張照片中，事件視界望遠鏡捕捉到了M87星系中心的一個黑洞，其輪廓是在事件視界附近的強大引力作用下，圍繞著它旋轉的熱氣體的發射。資料來源:國家科學基金會，蓋蒂圖像公司
「黑洞是可以影響宇宙規模的現象，」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有著重要的意義...可能影響星系中物質分布的物體
現實世界中的物理學
在過去的十年裡，在天體物理學和粒子物理學領域，越來越多的人使用機器學習算法來分類巨大的數據集。託羅在接受《天文學在線》採訪時說，沒有機器學習，黑洞圖像就不可能存在——在過去十年裡，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的新技術時代，比如量子計算機。麻省理工學院數學家彼得·舒爾在接受《天文學在線》採訪時說:「我認為這十年絕對是量子計算機從科幻變成現實的十年。」
這些量子器件是理察·費曼在1981年提出的。他們的目標是解決一些普通計算機不能使用原子的奇怪和顛覆性的概率數學問題，而不是傳統邏輯能夠解決的問題。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，就像這些機器只通過轉動硬幣來產生概率分布一樣，這些硬幣可以被能量脈衝以一半空的速度推動，與概率規則不同，當你把「硬幣」加在一起時，這些量子概率可能會有一個負號，從而產生比普通硬幣更複雜的概率分布。
直到2007年，耶魯大學的物理學家才發明了「旋轉量子位」，這是一個超導線圈，是人造原子和量子計算的最小單位。今天，IBM和谷歌都已經開發了50多臺量子位機器，在處理某些問題上，它們開始超過傳統計算機。與此同時，其他公司也推出了基於雷射固定原子的類似尺寸的設備。為這些機器提供軟體工具或硬體組件的整個創業系統也已開發出來。
除了奇特的隨機數發生器之外，這些機器可能需要幾十年才能提供優於傳統計算機的優勢。在它們由於外部振動或輻射而失去其原始質量之前，很難控制它們。它們仍然可能產生錯誤的結果——例如，二進位字符串中的0應該輸出1個字符。研究人員現在正致力於通過組合多個量子位來創建一個不容易出錯的「邏輯」量子位來進行糾錯。物理學家夢寐以求的真正「容錯」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而嘈雜的設備的用途，即使它們做得不好，它們仍然在做一些有趣的事情。早在2017年，加州理工學院的物理學家約翰·普雷斯基爾(John Preskill)就宣布，我們已經進入了一個量子計算的新時代，這被稱為嘈雜的中等規模量子技術(NISQ)時代。
在過去的十年裡，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。除了量子科學和材料科學之外，研究人員可能已經創造了第一種在接近室溫的溫度下無電阻導電的材料，這是另一個醞釀了幾十年的發現。就在去年，科學家們發現他們可以在兩層石墨烯中打開或關閉超導性，只需稍加改變。這一發現引發了二維系統的後續研究熱潮。
瑞安·曼德爾鮑姆
財政年度:穆克
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