2020年，十大物理學突破

1.輕子中的CP破壞

圖片來源：The T2K Collaboration

為什麼我們會存在？

這是個極其複雜的問題

問題的根源要追溯回約138億年前

在大爆炸後不久

理論上宇宙中的所有物質與所有反物質

應當全部湮滅化為能量

但這顯然沒有發生

否則也就不會有恆星、行星和星系

更不會有生命，以及人類存在了

但究竟是什麼使早期宇宙中的物質和反物質

出現了輕微的不對稱？

物理學家認為

其中一個重要的原因

與打破CP對稱性（或CP破壞）有關

這一對稱性告訴我們

在鏡像世界中

反粒子的行為與粒子一致

過去，物理學家發現夸克和反夸克

並不遵循這一對稱性

但從未在輕子（電子或中微子）身上看到過

今年，T2K實驗的科學家通過測量中微子

報告了他們可能首次在輕子中發現了CP破壞的證據

其置信水平達到95%

未來，當置信水平超過99.9999%

物理學家就能最終確認這一發現

我們正越來越接近揭開我們的存在之謎

2.任意子的最佳證據

圖片來源：Manohar Kumar

中微子是非常神秘的基本粒子

物理學家在研究中微子的道路上

已經作出了許多重要的發現

中微子屬於費米子，喜愛「獨處」

與之性格截然相反的一類粒子

是喜歡「聚集」的玻色子，比如膠子

除了這兩類粒子外

上個世紀八十年代初

物理學家預言在二維世界中

或許還存在著第三類粒子——任意子

任意子介於費米子和玻色子之間

它們既不會完全避開對方

也不會完全聚集起來

它們攜帶的電荷可以是比單電子少的分數

今年4月，《科學》刊登的一項研究報導了

物理學家通過創建一個二維的微型粒子對撞機

看到了介於費米子和玻色子之間的聚集行為

首次在實驗室中找到了任意子存在的直接證據

9月，另一個研究團隊在《自然》發表的新研究

發現了任意子存在的最有力證據

物理學家認為任意子將對建造量子計算機有著重要意義

3.九章實現量子霸權

圖片來源：中國科學技術大學

自量子計算機的概念提出以來

便吸引了許多人的關注

因為在解決一些特定任務時

其計算能力將遠超經典計算機

2012年，物理學家John Preskill

提出了「量子霸權」（或「量子計算優越性」）一詞

它是指量子計算機超越最先進的超級計算機的時刻

2019年，谷歌宣布首次實現量子霸權

其量子計算原型機「懸鈴木」

是基於由超導材料構成的53個量子比特研製而成的

今年，潘建偉、陸朝陽等科學家組成的團隊

成功構建76個光子的量子計算原型機「九章」

光子也屬於玻色子

九章在處理被稱為「高斯玻色取樣」任務的速度

比目前最快的超級計算機快一百萬億倍

作為對比

九章的計算速度等效地比懸鈴木快一百億倍

實現了量子霸權的又一裡程碑

4.玻色-愛因斯坦凝聚

圖片來源：NASA

玻色子、費米子、任意子

它們之所以不同是因為它們服從不同的統計

比如任意子服從的是分數統計

而費米子遵循的是費米-狄拉克統計

玻色子則是遵循玻色-愛因斯坦統計

上個世紀二十年代，玻色和愛因斯坦

以玻色最初關於光子的統計力學研究為基礎

預言了當玻色子原子在冷卻到接近絕對零度時

會呈現出所謂的玻色-愛因斯坦凝聚（BEC）

這也常被稱為第五種物質狀態

1995年

物理學家首次在實驗中製造了BEC

之後便成為了各個實驗室的「常客」

今年，物理學家首次在國際空間站的失重環境下

製造出了玻色-愛因斯坦凝聚

為一系列高精度的測量提供了新的方法

5.首個室溫超導體

圖片來源：J. Adam Fenster

除了玻色-愛因斯坦凝聚

當溫度降低到接近絕對零度時

還會發生許許多多意想不到的事情

比如在一百多年前

物理學家昂內斯在對水銀進行實驗

意外地發現當水銀被冷卻到4.2開爾文時

其電阻會突然下降到零

這就是所謂的超導現象

絕大多數的材料只有在極低溫下

才會實現超導電性

例如「懸鈴木」的超導量子比特

就需要保持在非常低溫的條件下

這使超導的應用也受到限制

為此，物理學家一直致力於尋找

在室溫下也能轉變成超導體的材料

經過一百多年的搜尋

今年，物理學家首次在富氫材料中

觀察到了室溫下（15℃）的超導現象

雖然新型超導材料只能在超高壓下才能運作

但也將人們對室溫超導的期待再度推向新的高點

6.聲速的理論極限

圖片來源：GDJ / Pixabay

理論上

金屬氫也是一種近室溫的超導體

今年一月份

物理學家通過「金剛石壓砧」的裝置

找到了能夠金屬氫存在的最有力證據

但物理學家還無法最終確認金屬氫是否存在

根據計算表明，在金屬氫中

聲音的傳播速度是最快的

可以達到35千米/秒

遠比在任何材料中都快

今年，幾位物理學家

通過兩個基本常數，即

精細結構常數和質子-電子質量比

預測聲波的傳播速度不能超過36千米/秒

這比在空氣中的聲速高出約106倍

這一理論上限得到了兩方面的支持

一是對金屬氫中聲速的計算

二是來自一系列固態材料中的聲速實驗數據

此外，物理學家在不久前

以迄今為止最高的的精確度

測量了精細結構常數

7.迄今為止測量到的最短時間

圖片來源：Sven Grundmann/Goethe University Frankfurt

聲音的傳播速度存在極限

光的傳播速度也存在極限

那麼時間呢？

是否有「最短時間」的極限？

根據已知的物理學定律

最小的時間尺度是普朗克時間

約為5.4×10⁻⁴⁴秒

這是人類現有的測量技術

還無法企及的時間尺度

今年，物理學家測量了

一個光子穿過一個氫分子所需的時間

對分子的平均鍵長而言

這一時間大約是247×10⁻²¹秒

這也是迄今為止成功測量的最短時間跨度

8.從黑洞獲取能量

圖片來源：University of Glasgow

在另一項研究中

物理學家利用聲波驗證了

今年的諾貝爾物理學獎得主彭羅斯

在1969年的一個奇思妙想

一個旋轉黑洞的事件視界的周圍

會創造出一個叫做「能層」的區域

一個落入能層的物體

如果其中一部分分裂進入黑洞

另一部分則逃逸

那麼逃逸的那部分就會有效地獲取能量

1971年，物理學家澤爾多維奇

構思了一個可以在地球實現的實驗

來檢驗彭羅斯從旋轉黑洞提取能量的想法

澤爾多維奇認為

如果有一個金屬圓柱體

以合適的速度旋轉

由於旋轉都卜勒效應這種特殊現象

「扭曲」的光波擊中圓柱體的表面

最終會被從圓柱體旋轉中獲得額外的能量反射

現在，

格拉斯哥大學的研究人員終於找到了一種方法

他們通過扭曲聲波，而不是光波

從實驗上驗證了這一50年前的理論

9.核電共振的來臨

圖片來源：UNSW/Tony Melov

一個好的想法

能夠在提出之後的幾十年

得到驗證

是件非常美妙的事

今年，還有另一個這樣的想法被驗證了

回到1961年

因雷射光譜學而獲得諾貝爾物理學獎的

核磁共振先驅布倫柏根提出一個設想

他認為我們或許可以僅僅利用電場（而非磁場）

就實現對單原子的原子核的控制

磁場的產生需要大線圈和大電流

它們的效應範圍往往很廣

要把磁場限制在非常小的空間裡是非常困難的操作

而電場可以在一個微小電極的尖端產生

它可以在遠離電極尖端的位置急劇下降

這種特性使得利用電場

來控制納米電子設備中的單個原子變得容易得多

但布倫柏根的設想一直未得到實現

直到今年

一個工程師團隊宣布他們意外地實現了這一壯舉

這一發現或將對量子計算機和傳感器的發展產生重大影響

10. 鐵電向列相液晶的首次觀測

圖片 圖片來源：SMRC

回到更早的100多年前

當時物理學家預言存在一種

非常有序的鐵電向列相液晶

在這種相中

液晶特定團塊（或叫「疇」）內的所有分子

都指向大致相同的方向

要麼都向左，要麼都向右

這種現象被稱為極性排序

早在20世紀初

德拜和玻恩就提出如果正確地設計液晶

它的分子可以自發地進入極性排序的狀態

經歷了一個多世紀的尋找後

研究人員找到了一種液晶的「鐵電向列相」

打開了一扇通往新材料世界的大門

從新型顯示屏到全新概念的計算機儲存器

它有望開啟大量的技術創新

相關文獻：

[1] https://www.nature.com/articles/s41586-020-2177-0

[2]

https://science.sciencemag.org/content/368/6487/173.full

https://www.nature.com/articles/s41567-020-1019-1

[3] https://science.sciencemag.org/content/early/2020/12/02/science.abe8770.full

[4] https://www.nature.com/articles/s41586-020-2346-1

[5] https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z

[6] https://advances.sciencemag.org/content/6/41/eabc8662

[7] https://science.sciencemag.org/content/370/6514/339

[8] https://www.nature.com/articles/s41567-020-0944-3

[9] https://www.nature.com/articles/s41586-020-2057-7