这十年不仅标志着物理学史上的一个转折点，也标志着一系列的转折点。

21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，这十年的发现及其巨大的缺失改变了物理学家在各自领域的思维方式。粒子物理学和天体物理学已经进入了一个新时代，这将重塑研究人员进行科学研究的方式。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。

计算机模拟显示引力波是由两个黑洞的碰撞产生的。

斯坦福大学粒子物理和天体物理学副教授娜塔莉亚·托罗在接受《天文学在线》采访时表示:“感觉我们正处于一个范式转变的过程中。”。“目前还不清楚我们将走向何方，但我认为，从现在开始的过去10年将被视为我们对物理学的理解发生重大转变的开始。”

寻找最小的物质

在过去的十年里，科学家对尺寸的理解发生了根本性的变化。也许最值得注意的是在瑞士日内瓦的大型强子对撞机(17英里的圆形粒子加速器和对撞机)中发现了希格斯玻色子。这是粒子物理中心理论描述的最后一个粒子，称为标准模型。

在1964年之前，一些理论很好地描述了宇宙，但是他们有一个问题:他们预测一些物理学家已经知道有质量的粒子应该是无质量的。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，详细阐述了一种质量可以出现在被称为“规范玻色子”的带电粒子中的机制，这样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，希格斯玻色子直到这十年才被发现。

欧洲粒子物理中心的大型强子对撞机于2008年发射，这是迄今为止最大的科学实验。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建筑大小的探测器阿特拉斯和CMS中发现了希格斯玻色子的存在。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...是吗？

“说标准模型的完成意味着我们已经完成了，”帕蒂·麦克布莱德，费米国家加速器实验室的杰出科学家，欧洲粒子物理中心CMS的副发言人，告诉天文学在线。“不。”仍然有许多谜团。事实上，宇宙中大约96%的物质仍然无法用标准模型来解释。

自2012年以来，大型强子对撞机出奇地安静。从那以后，测试标准模型的有趣结果相继出现，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，比如超级粒子。据预测，这些粒子可以同时解释为什么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铁吸住回形针)，而且作为暗物质的真实身份，这些神秘物质似乎形成了宇宙的框架，但还没有被直接观察到。尽管仍有大量LHC数据需要筛选——LHC也将升级以保持更高的碰撞率——科学家们开始怀疑他们是否能找到这些粒子的任何迹象。

但是有一天，这一发现的缺失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，例如通过高精度实验测试各种标准模型的预测，寻找与理论预测的微小但有统计意义的偏差，而不是寻找高能强大的超级对撞机。这也鼓励理论家跳出固有的思维模式，为暗物质等事物找到新的解释。

芝加哥大学天文学和天体物理学教授乔希·弗里曼在接受《天文学在线》采访时说:“将粒子加速器推向更高的能量以发现新粒子在技术上变得越来越具有挑战性。”“粒子物理学界已经意识到我们需要多样化的方法...这将是一个非常具有挑战性的问题。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，因为新的物理学有点模糊。”

时间空自身波动

这十年也在最大范围内彻底改变了物理学。一个世纪前，爱因斯坦的广义相对论预言，当以光速行进时，高能事件会产生等于0+的扰动。这种扰动被称为引力波。科学家们长期以来一直在寻找超新星或双星黑洞相互环绕和碰撞产生的引力波。波的间接证据首次出现在被称为PSR 1913+16的双星脉冲星(旋转中子星)的发现中。几年后，科学家们意识到它的轨道周期正在缩短，正如广义相对论所预测的那样精确。由于引力波的产生，这个系统会失去能量。尽管进行了其他研究，但没有发现直接证据。

也就是说，直到这十年。2015年9月14日，东部时间上午5:51，两个l形设施(每个都由一对1英里长的隧道组成)以直角相遇，一个在华盛顿州，另一个在路易斯安那州，它们在探测器上记录它们的激光的相移和相位损失。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。它们相互缠绕并融合，将引力波传播到13亿光年以外的地球。

后来，进行了更多的观察，但也许在2017年有了更具突破性的发现，当时这些探测器，现在与意大利类似的处女座实验相结合，测量了引力波。世界各地的望远镜发现了来自天空中同一点的无线电、紫外线、红外线和光辐射。这种能量爆发是两颗中子星碰撞的结果，这两颗中子星是城市大小的星体。这一事件使科学家们了解了周期表中一些最重元素的起源，这可能有一天有助于解决物理学中关于宇宙加速的“危机”。这种范式转变的发现是多元天文学的象征——也就是说，科学家利用对光波、其他粒子或波的探测来观察天文学中的光源。望远镜最初只使用可见光，然后是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括来自空的数据，如中微子或引力波。

"这是多元天文学的黄金时代。"哈佛大学科学史的物理学教授Peter Galison告诉天文学在线。

在其他方面，黑洞领域经历了一个分水岭时刻，来自事件地平线望远镜的科学家，一个世界各地射电望远镜的合作行动，联合起来瞄准位于星系M87中心的65亿个太阳质量黑洞。这产生了世界上第一个黑洞的图像，或者更准确地说，是它后面的黑洞投射的阴影。尽管研究人员早就发现了这些弯曲的光物体的证据——当空时，巨大的庞然大物会扭曲，这样光就无法逃脱它们的重力——但这一观察结果却是对其中一个物体的最佳直接观察。科学家希望这一发现开启黑洞科学的新时代，并希望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。

在2019年4月10日发布的一张照片中，事件视界望远镜捕捉到了M87星系中心的一个黑洞，其轮廓是在事件视界附近的强大引力作用下，围绕着它旋转的热气体的发射。资料来源:国家科学基金会，盖蒂图像公司

“黑洞是可以影响宇宙规模的现象，”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有着重要的意义...可能影响星系中物质分布的物体

现实世界中的物理学

在过去的十年里，在天体物理学和粒子物理学领域，越来越多的人使用机器学习算法来分类巨大的数据集。托罗在接受《天文学在线》采访时说，没有机器学习，黑洞图像就不可能存在——在过去十年里，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的新技术时代，比如量子计算机。麻省理工学院数学家彼得·舒尔在接受《天文学在线》采访时说:“我认为这十年绝对是量子计算机从科幻变成现实的十年。”

这些量子器件是理查德·费曼在1981年提出的。他们的目标是解决一些普通计算机不能使用原子的奇怪和颠覆性的概率数学问题，而不是传统逻辑能够解决的问题。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，就像这些机器只通过转动硬币来产生概率分布一样，这些硬币可以被能量脉冲以一半空的速度推动，与概率规则不同，当你把“硬币”加在一起时，这些量子概率可能会有一个负号，从而产生比普通硬币更复杂的概率分布。

直到2007年，耶鲁大学的物理学家才发明了“旋转量子位”，这是一个超导线圈，是人造原子和量子计算的最小单位。今天，IBM和谷歌都已经开发了50多台量子位机器，在处理某些问题上，它们开始超过传统计算机。与此同时，其他公司也推出了基于激光固定原子的类似尺寸的设备。为这些机器提供软件工具或硬件组件的整个创业系统也已开发出来。

除了奇特的随机数发生器之外，这些机器可能需要几十年才能提供优于传统计算机的优势。在它们由于外部振动或辐射而失去其原始质量之前，很难控制它们。它们仍然可能产生错误的结果——例如，二进制字符串中的0应该输出1个字符。研究人员现在正致力于通过组合多个量子位来创建一个不容易出错的“逻辑”量子位来进行纠错。物理学家梦寐以求的真正“容错”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而嘈杂的设备的用途，即使它们做得不好，它们仍然在做一些有趣的事情。早在2017年，加州理工学院的物理学家约翰·普雷斯基尔(John Preskill)就宣布，我们已经进入了一个量子计算的新时代，这被称为嘈杂的中等规模量子技术(NISQ)时代。

在过去的十年里，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。除了量子科学和材料科学之外，研究人员可能已经创造了第一种在接近室温的温度下无电阻导电的材料，这是另一个酝酿了几十年的发现。就在去年，科学家们发现他们可以在两层石墨烯中打开或关闭超导性，只需稍加改变。这一发现引发了二维系统的后续研究热潮。

瑞安·曼德尔鲍姆

财政年度:穆克

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