21世紀10年代,這十年,物理學發生了什麼?

這十年不僅標誌著物理學史上的一個轉折點，而且是一系列轉折點。

21世紀10年代，對於新知識來說是一個不可思議的十年，但更重要的是，這十年的發現和其中巨大的缺乏改變了物理學家在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的時代，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、材料科學以及能量處理方式的重大轉變。

計算機模擬顯示由兩個黑洞的碰撞而產生了引力波。

「感覺我們正處在一個典範性轉變的中間，」史丹福大學粒子物理學和天體物理學副教授Natalia Toro告訴天文在線， 「目前還不清楚我們將走向何方，但我認為，從現在開始的50年裡，過去的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

這十年裡，科學家們對大小的理解發生了根本性轉變，也許最值得注意的是，科學家在位於瑞士日內瓦的大型強子對撞機（一個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的存在，這是粒子物理學中心理論所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，但他們有一個問題:他們預測某些物理學家已經知道有質量的粒子應該是無質量的。六名科學家(最著名的是彼得·希格斯)發表了三篇論文來解決這個問題，詳細闡述了一種機制，即質量可以在被稱為「計量玻色子」的帶力粒子中出現，這樣那些解釋宇宙的理論就仍然有效。這種機制需要另一種粒子的存在，即希格斯玻色子。儘管進行了許多研究，希格斯玻色子直到這十年才被發現。

歐洲粒子物理研究中心的大型強子對撞機於2008年啟用，這是迄今為止規模最大的科學實驗。2012年7月4日，世界各地的研究人員擠滿了禮堂和講堂，聆聽大型強子對撞機的研究人員最終宣布，他們在兩個實驗建築大小的探測器——ATLAS和CMS中發現了希格斯玻色子的存在。許多人吹捧說，標準模型預測的所有粒子都已經找到了，因此，模型是完整的……是這樣嗎？

「說標準模型的完成意味著我們已經完成了，」 Fermi國家加速器實驗室的傑出科學家、歐洲粒子物理研究中心CMS合作副發言人Patty McBride告訴天文在線。「不是的。」還有大量的謎團，事實上，宇宙中大約96%的物質，仍然無法用標準模型解釋。

自2012年以來，大型強子對撞機一直安靜得出奇。此後，測試標準模型的有趣結果層出不窮，但在希格斯玻色子之後，再沒有發現新的粒子。物理學家希望歐洲粒子物理研究所能發現其他粒子的證據，比如超級粒子。據預測，這些粒子可以同時解釋為什麼引力比其他力弱得多(想想看，所有的地球引力都不能阻止電冰箱磁鐵吸起回形針)以及作為暗物質的真實身份,這些神秘的物質似乎構成宇宙的框架,但還沒有被直接觀測到。儘管仍有大量的大型強子對撞機數據需要篩選——大型強子對撞機也將升級以保持更高的碰撞率運行——科學家們開始懷疑他們是否能找到這些粒子的跡象。

但終有一天，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，比如通過高精度的實驗來測試各種標準模型的預測，通過尋找微小但與理論預測有統計學意義的顯著偏差，，而不是尋找高能的強力超級對撞機。這也鼓勵了理論學家跳出固有的思維模式，為暗物質等事物尋找新的解釋。

芝加哥大學天文和天體物理系教授Josh Frieman告訴天文在線:「將(粒子加速器)推到更高的能量去尋找新粒子在技術上越來越具有挑戰性。」「粒子物理學界已經意識到我們需要多樣化的方法……這將是一個極具挑戰性的問題。當你遇到一個有挑戰性的問題時，你會想要利用你工具箱裡的所有工具，因為新物理學有點含糊其辭。」

時空本身的波動

這十年也在最大規模上革新了物理學。一個世紀前，愛因斯坦的廣義相對論預言，高能事件會產生以光速穿過時空的擾動，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並碰撞產生的引力波。波的間接證據最早出現在被稱為PSR 1913+16的雙星脈衝星(一種旋轉的中子星)的發現。幾年後，科學家們意識到它的軌道周期正在以廣義相對論所預測的那樣精確地縮短，這一系統將因引力波的產生而失去能量。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，美國東部時間凌晨5:51，兩個L形設施，每一個都由一對1英裡長的隧道組成，並以直角相遇，一個在華盛頓州，另一個在路易斯安那州，記錄下它們的雷射在探測器上相互移相和失相。這些擺動是由兩個質量分別為太陽質量29倍和36倍的黑洞造成的，它們相互纏繞，然後合併，在13億光年之外，向地球傳播它們的引力波。

隨後進行了更多的觀測，但也許更具開創性的發現發生在2017年，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，世界各地的望遠鏡同時發現了來自天空中同一點的無線電、紫外線、紅外和光學輻射。這種能量的爆發是兩顆中子星碰撞的結果，它們是城市大小般的恆星屍體。這一事件讓科學家們了解到一些周期表中最重元素的起源，也許有一天會有助於解決當今物理學中關於宇宙加速速度的「危機」。 這一範式轉變的發現是多要素天文學的一個標誌——即科學家在天文學中使用光波、其他粒子或波的探測來觀察一個光源。望遠鏡最初只是使用可見光，然後是其他波長的電磁輻射，如x射線或無線電波，現在互補的天文臺可能包括來自空間的數據，這些數據來自中微子或引力波等粒子。

「這是多元化天文學的黃金時代。」哈佛大學科學史物理學教授Peter Galison告訴天文在線。

黑洞領域以其他方式經歷了一個分水嶺時刻，當時，由世界各地射電望遠鏡合作運營的「活動視界望遠鏡」（Event Horizon Telescope）的科學家們聯合起來，將望遠鏡對準了位於星系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，是一個黑洞在其背後投射的陰影。儘管研究人員早就看到了這些彎曲光線的物體的證據——巨大的龐然大物扭曲了時空，以至於光線無法逃脫它們的引力——但這一觀測結果產生了對其中一個物體最好的直接視角。科學家們希望這一發現開啟了黑洞科學的新時代，並希望他們能更好地理解超大質量黑洞從其中心噴出的巨大物質射流。

在2019年4月10日發布的一張圖片中，活動視界望遠鏡捕捉到了M87星系中心的一個黑洞，該黑洞是在其活動視界附近的強引力作用下圍繞其旋轉的熱氣體的排放所勾勒出來的。圖片來源:美國國家科學基金會，蓋蒂圖片社

「(黑洞)可以影響宇宙尺度的現象，」Galison說。「我們看到這些物體在大爆炸後的一小段時間內發出光。它們就像可見宇宙邊緣的燈塔，向我們閃爍著它們的光芒。了解這些射流的起源對於更好地把握......可能影響星系中物質分布的物體具有重要意義。」

現實世界的物理學

這十年來，在天體物理學和粒子物理學領域，人們越來越多地使用機器學習算法來對龐大的數據集進行分類。如果沒有機器學習，黑洞圖像是不可能存在的——這十年，它在粒子物理學中的應用正在經歷一個「轉折點」，Toro告訴天文在線。

這十年也開啟了一個基於粒子物理學的技術新時代，如量子計算機。麻省理工學院數學家彼得·肖爾在接受《天文在線》採訪時表示:「我認為，這十年絕對是量子計算機從科幻小說變成現實的十年。」

這些量子器件是由理察·費曼在1981年提出的。它們的目的是解決某些普通計算機無法使用原子的古怪的、被顛覆的概率數學的問題，而不是常規邏輯可以解決的。具體來說，科學家們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某些複雜的算法。基本上，就好像這些機器只是通過翻轉硬幣來產生概率分布，這些硬幣可以在半空中被能量脈衝推動，而且與概率的規則不同，當你把「硬幣」加在一起時，這些量子概率可能會有負號，導致其比普通硬幣具有更複雜的概率分布。

直到2007年，耶魯大學的物理學家才發明了「轉體量子位元」，這是一種由超導導線構成的迴路，充當人造原子和量子計算的最小單位。今天，IBM和谷歌都開發了50多臺量子位機器，這些機器在處理某些問題時的速度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大小的設備。為這些機器提供軟體工具或硬體組件的初創公司的整個系統也得到發展。

可能要幾十年後，這些機器才能提供超越傳統的計算機的優勢，除了花式隨機數發生器。在它們因為外界的振動或輻射而失去原有的質量之前，很難控制它們。它們可能仍然會產生錯誤的結果——例如，二進位字符串中的一個0應該輸出一個1個字符。研究人員現在正致力於實現誤差校正，將多個量子位元結合在一起，創造一個不易出錯的「邏輯」量子位元。一個物理學家夢寐以求的真正「容錯」的通用量子計算機可能需要數百萬個量子位元來實現其全部潛力。

但是物理學家們希望他們能發現這些小而嘈雜的設備的用途，這些設備仍然在做一些有趣的事情，即使它們做得不好。早在2017年，加州理工學院的物理學家John Preskill就宣布，我們已經進入了一個量子計算的新時代，這個新時代被稱為嘈雜的中等規模量子技術(NISQ)時代。

這十年，科學家們還將量子力學的奇異之處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加密了中國和奧地利之間的視頻通話。超越量子科學進入材料科學，研究人員可能已經創造出第一種在近室溫下無電阻導電的材料——這是另一項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，只需稍微改變一下，這一發現從此引發了二維體系的後續研究熱潮。

作者: Ryan F. Mandelbaum

FY: 沐可

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