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二十世纪一零年代如何永远地改变了物理学?

时间:2020-04-21 12:26:31 作者: 来源:51区未解之谜网 手机阅读

这十年不仅是物理学的里程碑,也是历史上一系列里程碑式的转折点。

20世纪的十年对于新知识来说是不可思议的十年,但更重要的是,这十年的发现及其明显的缺点改变了物理学家对各自领域的思考方式。粒子物理学和天体物理学已经进入了一个新时代,这将重塑研究人员从事科学研究的方式。基于量子力学框架的新技术可能标志着计算、材料科学和能量处理方法的重大变革。

斯坦福大学粒子物理和天体物理学副教授娜塔莉·阿托罗告诉吉本:“看来我们正处于范式转变之中。虽然不清楚我们将何去何从,但我认为过去10年将被视为我们对物理学的理解在未来50年发生重大变化的开始。”

这个计算机模拟显示了两个黑洞碰撞产生的引力波。

来源:模拟极限空项目(美国航天局空美国航天局)

找到最小的物质

这十年给科学家对大小事物的理解带来了根本性的变化。也许最值得注意的是瑞士日内瓦大型强子对撞机(直径17英里的粒子加速器和对撞机)的科学家们发现了希格斯玻色子的证据。这是粒子物理中心理论描述的最后一个粒子,被称为标准模型。

在1964年之前,一些理论可以很好地描述宇宙,但是他们有一个问题:他们预测一些粒子应该是无质量的,物理学家已经知道这些粒子是无质量的。然后,六位科学家(最著名的是彼得·希格斯)发表了三篇论文来解决这个问题。他们阐述了一种机制,通过这种机制,质量可以出现在携带力的粒子中,这种粒子被称为规范玻色子,所以那些解释宇宙的理论仍然有效。这种机制需要另一种粒子的存在,希格斯玻色子。尽管进行了许多研究,希格斯玻色子直到最近十年才被发现。

紧凑型量子线圈中粒子碰撞实验的示意图,这是发现希格斯玻色子的主要方法。

欧洲核研究组织的大型强子对撞机是历史上最大的科学实验,于2008年发射。2012年7月4日,来自世界各地的研究人员挤满了礼堂和报告厅,听着大型强子对撞机的研究人员最终宣布,他们已经在两个实验性建筑大小的探测器——环形仪器(ATLAS)和紧凑型量子线圈(CMS)中发现了希格斯玻色子存在的证据。许多人吹捧标准模型预测的所有粒子都已经找到,所以模型是完整的...但是它真的完整吗?

第四代直线加速器

资料来源:罗伯特·赫拉迪勒,莫妮卡·马加尔/普罗斯托迪奥22

"标准模型的完成意味着结束吗?"帕蒂·麦克布莱德是费米国家加速器实验室的杰出科学家,也是欧洲核研究中心外川智子线圈合作项目的副发言人,他告诉吉本,“不是这样。”仍然有许多未解之谜。事实上,宇宙中大约96%的东西仍然不能用标准模型来解释。

标准模型假设每个标准粒子都可能有一个超级伴侣:每个玻色子对应一个费米子,每个费米子对应一个玻色子。在图中,费米子在水平线的上方,它对应的玻色子在水平线的下方。

资料来源:《新科学家杂志》

大型强子对撞机自2012年以来异常安静。从那以后,从标准模型试验中获得了大量有趣的结果,但是在希格斯玻色子之后没有发现新的粒子。物理学家希望欧洲粒子物理研究所能找到其他粒子的证据,比如超对称伙伴。预计这些粒子将提供一个答案...为什么重力比其他力弱得多(想想看,地球的整个重力不能阻止冰箱磁铁从地面拾起回形针),同时,它们也可以作为暗物质的真实身份,暗物质可能是构成宇宙脚手架的神秘物质,但尚未被直接观察到。尽管仍有大量大型强子对撞机数据需要筛选,大型强子对撞机有望升级以保持更高的碰撞率,但科学家们开始怀疑他们是否能找到这些粒子存在的证据。

但是有一天,这些罕见的发现可能会被视为物理学史上的一个转折点。粒子物理学家已经开始以新的方式寻找粒子。例如,与使用高能强大的超级对撞机相比,科学家更喜欢使用高精度实验来测试各种标准模型预测,方法是寻找与理论预测的微小但有统计意义的偏差。这也鼓励理论家跳出固有的思维模式,寻找对暗物质等的新解释。

"为了将粒子加速器推向更高的能量,技术变得越来越具有挑战性."为了找到新的粒子,芝加哥大学天文和天体物理学系的乔希·弗里曼教授告诉吉本:“粒子物理学界已经意识到我们需要多样化的方法...这将是一个具有挑战性的问题。当你遇到一个具有挑战性的问题时,你会想要使用你工具箱里的所有工具,因为新物理学有点害羞。”

时间空纹波

当空纹波图

资料来源:戴文·亨策(美国航天局空美国航天局)

这十年也最大程度地改变了物理学。一个多世纪前,阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论预言,高能事件会发出一种扰动,当它通过0+自身时会形成光速的波,即所谓的引力波。科学家们长期以来一直在寻找超新星或双黑洞相互环绕和碰撞产生的引力波。当一颗名为PSR 1913+16的双星脉冲星(一颗旋转的中子星)被发现时,这种引力波的间接证据首次出现。几年后,科学家们意识到它的轨道周期正在以广义相对论预测的同样方式缩短,这样一个系统会因为引力波而失去能量。然而,尽管进行了其他搜索,直接证据仍然没有出现。

直到这十年。2015年9月14日美国东部时间上午5:51,两个直角设施记录了探测器中激发光的相位变化。两个直角设施,一个在华盛顿州,另一个在路易斯安那州,每一个都结合了一对距离直角一英里多的隧道。这些摆动是由两个质量分别是太阳29倍和36倍的黑洞引起的。它们相距13亿光年,相互缠绕并融合,将引力波传播到地球。

随后进行了更多的观察,但也许更具突破性的发现是在2017年,当探测器(现在加入了意大利的一个类似的处女座实验)同时测量引力波时,世界各地的望远镜发现了无线电、紫外线和红外线,所有这些光辐射都来自同一时刻空。能量爆炸是两颗中子星(城市大小的死星)碰撞的结果。这一事件让科学家们了解了元素周期表中一些最重元素的起源,并且有朝一日可能有助于解决当前物理学中关于宇宙加速速度的“危机”。

这一颠覆性的发现是多信使天文学的标志——也就是说,在天文学中,科学家使用光波和其他粒子或波来探测和观察光源。该望远镜最初只使用可见光,然后扩展到其他波长的电磁辐射,如x光或无线电波。现在补充观测站可能包含来自粒子太空的数据,例如中微子或引力波。

“这是多信使天文学的黄金时代,”哈佛大学科学史物理教授彼得·加里森告诉吉本。

黑洞的探索也经历了一个分水岭。科学家操作事件地平线望远镜(世界各地射电望远镜的集体合作)瞄准M87星系中心的65亿个太阳质量黑洞。这产生了世界上第一个黑洞图像,或者更准确地说,是黑洞投射在它后面的物体上的阴影。尽管研究人员早就发现了这些物体扭曲光线的证据——这些庞然大物的扭曲程度是如此之深,以至于光线无法逃脱它们的引力——但这一观察为我们提供了最佳视角。科学家希望这一发现能开启黑洞科学的新时代,他们能更好地理解超大质量黑洞中心喷射出的巨大物质射流。

视界望远镜捕捉到了M87星系中心的黑洞。在它的视界附近,由围绕它旋转的热气体产生的辐射在强大的重力作用下勾勒出它的轮廓。

“黑洞可以在宇宙尺度上塑造现象,”加利森说。“我们看到这些物体在大爆炸后的短时间内发光。它们就像可见宇宙边缘的灯塔,向我们闪烁着它们的光芒。了解这些喷流的起源对于更好地掌握可能影响星系中物质分布的物体具有重要意义。”

现实世界中的物理学

在过去的十年里,天体物理学和粒子物理学中有一个不为人知的英雄——越来越多的机器学习算法被用来对巨大的数据集进行分类。多罗告诉吉本说,没有机器学习,黑洞图像就不可能存在——这十年,它在粒子物理学中的应用正经历一个“转折点”。

这十年也迎来了一个基于粒子物理学中奇怪事物(如量子计算机)的新技术时代。麻省理工学院数学家彼得·舒尔在舒尔的因式分解算法之后告诉吉本:“我认为这十年绝对是量子计算机能够将科幻变成现实的十年。”

2019年10月18日,国际商业机器公司研究中心主任达里奥·吉尔(Dario Gill)站在公司位于纽约约克高地的研究设施Q System 1前。

这些量子器件是理查德·费曼在1981年提出的。他们致力于使用原子的奇怪和颠覆性概率数学,而不是非常规逻辑来解决一些普通计算机无法解决的问题。具体来说,科学家希望有一天他们能够模拟分子的行为,或者使用新的数学调整来运行一些复杂的算法。基本上,这些机器只通过掷硬币来产生概率分布。这些硬币可以被能量脉冲对半推动。与传统的概率规则不同,当你把“硬币”加在一起时,这些量子概率可能有负号,导致比普通硬币翻转更复杂的概率分布。

直到2007年,耶鲁大学的物理学家才发明了“超导量子比特”,这是一个超导线圈,是人造原子和量子计算的最小单位。国际商业机器公司和谷歌都开发了50多台量子机器,在处理某些问题时,它们开始显示出比传统计算机更快的速度。与此同时,其他公司也推出了类似激光固定的原子大小的设备。为这些机器提供软件工具或硬件组件的整个公司生态系统也在增长。

除了奇特的随机数发生器,这些机器可能需要几十年的时间才能实现它们相对于传统机器的优势。在它们由于外部振动或辐射而失去原始量子之前,很难控制它们。它们仍然可能产生错误的结果——例如,一个二进制字符串应该输出0到1。研究人员现在正致力于纠错,将多个量子位结合起来,创造出一个优秀的“合理的”不容易出错的量子位。物理学家梦想的真正“容错”的通用量子计算机可能需要数百万个量子位才能实现其全部潜力。

但是物理学家希望他们能发现这些小的、有噪音的设备的用途,它们仍然在做一些有趣的事情,即使它们做得不是很好。早在2017年,加州理工学院的物理学家约翰·威望宣布,我们已经进入了一个量子计算的新时代,即众所周知的嘈杂介质量子技术(NISQ)时代。

这十年来,科学家们也将量子力学的奇异性融入到新的传感技术中。中国科学家还发射了一颗卫星,利用量子力学的数学原理对中国和奥地利之间的视频通话进行加密。除了量子物理之外,研究人员可能已经创造了第一种在几乎室温下没有电阻就能导电的材料——这是另一个酝酿了几十年的发现。就在去年,科学家们发现他们只需一次革命就可以在两层石墨烯中开启或关闭超导,这一发现引发了二维系统的后续研究热潮。

20世纪的十年可能不是物理学史上最好的十年。毕竟,20世纪初有几十个新发现,其中许多完全颠覆了科学家关于宇宙最大和最小尺度的观点。这也不是一个充满惊喜的时代,它的许多发现已经酝酿了很多年。然而,不可否认的是,回顾这十年,历史学家将会看到整个物理学领域的范式转变,包括改变历史进程的新技术、实验方法和思维方式。

麦克布赖德说:“我认为这是物理学的伟大十年。”

瑞安·曼德尔鲍姆

作者:叶

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