從等離子體物理學到量子引力,「小實驗」將統治21世紀的物理學

2020-12-18 老胡說科學

隨著瑞士大型強子對撞機(LHC)發現希格斯玻色子,更大型對撞機的投資回報將是什麼還不清楚。事實上,建造未來圓形對撞機(100公裡)的主要論點,並不是說我們可以發現新的物理現象來證實超對稱性或者弦理論。相反,爭論的焦點是如何更好地理解反物質、暗物質或暗能量。

問題是粒子加速器不一定是研究這些東西的最佳方法(反物質可能除外)。但我們不需要200億美元的新加速器來研究它。事實上,在1000 - 1億美元範圍內的千兆瓦雷射器也可以產生反物質和更小的加速器。與此同時,暗物質最好留給暗物質探測器,暗能量最好留給太空顯形者。

確實,我們有理由認為,可以發現更有趣的物理學,但不是像大型強子對撞機那樣大規模單一投資,而是投資於小型、廉價、高風險、高回報的實驗,這些實驗都擺在「桌子」上。這些房間大小的實驗讓人想起18或19世紀卡文迪許、法拉第、麥克斯韋、麥可森和莫雷的實驗。僅僅在過去的10年裡,他們已經悄悄地取得了一些驚人的發現,比如發現了熱力學第二定律的例外,從布朗運動中產生能量,實現了量子計算等等。

這篇文章不是贊成或反對建造一個更大的超級對撞機,而是討論「桌面實驗」因其對大科學的巨大貢獻而受到廣泛認可,當它們能夠揭開浩瀚而神秘的宇宙的某個角落時,應該被視為獨創性的勝利。

事實上,考慮到它們的物理成果,它們的表現可能會超過「大科學」。我將「大科學」定義為政府資助的大型項目,耗資數十億,僱傭數百或數千人,研究領域包括凝聚態物理、統計力學和熱力學、材料科學、量子計算和信息、引力,甚至量子引力。

例如,牛津大學的量子引力實驗建議測量重力對兩個相互疊加的粒子的影響。目標將是探測由引力相互作用引起的兩個微小質量的糾纏。所有這些都可以在一個小小的桌面實驗中完成。儘管三年前學術媒體對這項實驗進行了討論,但目前還沒有任何消息表明這項實驗已經完成,但它可能在不久的將來就會成為可能。

去年,馬裡蘭大學進行了另一項激動人心的桌面實驗,模擬了通過一個可移動的蟲洞發送信息的過程。在蟲洞中,信息在一端傳遞,在量子混合粒子中進行攪亂,然後再從另一端提取出來。就在一年前,人們還認為這個實驗是一個不可能的思維實驗。

與此同時,去年,摩爾基金會資助斯坦福研究人員1500萬美元,讓他們進行各種桌面實驗,以探索量子糾纏效應和波粒二象性的細微細節,這些細節是粒子加速器無法探測的。這是因為粒子加速器的工作原理是以極高的能量密度和相對論速度將物質撞擊在一起,從而產生新的粒子和粒子效應,但它們無法進行需要精確種類的粒子相互作用和細微測量的實驗。

其中兩個受資助的實驗將著眼於諸如暗物質和引力波之類的東西,而第三個更有趣的實驗將直接著眼於物理實驗是如何進行的,以及如何以一種更好、更小、更精確的思路使它們成為可能。

許多這樣的實驗依賴於現有的技術。例如,如何使用為核磁共振機器提供動力的技術,通過探測軸子來探測暗物質的細節。或者使用原子幹涉測量法在桌面實驗中探測引力波,目前這種實驗依靠像LIGO這樣的大陣列來探測,通過觀察波長很長的波而不是LIGO看到的短波。

儘管許多已經提出的桌面實驗最終將被建立、測試,但卻找不到任何結果,但相對於耗資數百萬或數十億美元也可能什麼也找不到的實驗而言,它們相對便宜的事實是一個巨大的優勢。20世紀是大政府資助研究項目的時代,而21世紀是更小、更快、更便宜的時代,回報是顯而易見的。科學必須迎頭趕上。

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