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强势围观！二十世纪一零年代如何永远地改变了物理学？

【强势围观！二十世纪一零年代如何永远地改变了物理学？】这十年不仅是物理学上的一个 ， 而且是一系列的标志性历史转折点 。
二十世纪一零年代对于新知识来说是一个不可思议的十年 ， 但更重要的是 ， 这十年的发现 ， 以及它们明显的不足 ， 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进入了一个新的时代 ， 这个时代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、材料科学和能源处理方式方面的重大转变 。
来自斯坦福大学粒子物理学和天体物理学的副教授娜塔莉亚托罗 ， 告诉吉兹莫托：“看起来我们正处在一个典范转变的中间 。 虽然目前还不清楚我们将走向何方 ， 但我认为 ， 从现在开始的50年 ， 将视过去的10年为我们对物理学的理解发生重大转变的开始 。 ”
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这个计算机仿真展示了两个黑洞碰撞而产生的引力波 。
图源：模拟极端时空项目（美国国家航空航天局）
发现最小的物质
这十年使科学家们对大和小理解发生了根本性的变化 。 或许最值得注意的是 ， 瑞士日内瓦的大型强子对撞机（一个直径为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存在的证据 。 这是粒子物理学中心理论所描述的最后一种粒子 ， 被称为标准模型 。
在1964年之前 ， 一些理论可以很好的描述宇宙 ， 但他们有一个问题:他们预测某些粒子应该是无质量的 ， 而物理学家已经知道这些粒子是有质量的 。 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 ， 他们详细阐述了一种机制 ， 通过该机制 ， 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 ， 因此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 ， 即希格斯玻色子 。 尽管进行了许多研究 ， 希格斯玻色子仍然没有被发现 ， 一直到这一个十年 。
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在紧凑渺子线圈（CMS）中进行粒子碰撞试验的示意图 ， 该试验是发现希格斯玻色子的主要方法 。
有史以来规模最大的科学实验——欧洲核子研究组织(CERN)的大型强子对撞机 ， 于2008年启动 。 2012年7月4日 ， 世界各地的研究人员挤满了礼堂和讲堂 ， 聆听大型强子对撞机的研究人员最终宣布 ， 他们在两个实验建筑大小的探测器——超环面仪器（ATLAS）和紧凑渺子线圈（CMS）中发现了希格斯玻色子存在的证据 。 许多人吹捧说 ， 标准模型预测的所有粒子都已经找到了 ， 因此 ， 模型是完整的……但是 ， 真的完整吗？
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第四代直线加速器
图源：罗伯特·赫拉迪尔 ， 莫妮卡·马加尔/ProStudio22.ch
“完成了标准模型就意味着结束了吗？”费米国家加速器实验室的杰出科学家、欧洲核子研究中心凑渺子线圈合作项目的副发言人帕蒂·麦克布赖德告诉吉兹莫托 ， “并非如此 。 ”仍有大量的谜团尚未解开 ， 事实上 ， 宇宙中的那些东西 ， 约有96%仍然无法用标准模型解释 。
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标准模型假设 ， 每个标准粒子都可能有一个超伴子:每个玻色子对应一个费米子 ， 每个费米子对应一个玻色子 。 图中横线上面的为费米子 ， 下面为其对应的玻色子 。
图源：新科学家杂志
大型强子对撞机在2012年之后一直异常安静 。 自那以后 ， 大量标准模型测试的有趣结果都出来了 ， 但在希格斯玻色子之后 ， 没有发现新的粒子 。 物理学家希望欧洲核子研究中心能发现其他粒子存在的证据 ， 比如超对称伙伴 。 预计 ， 这些粒子将会提供一个解答……为什么引力远远弱于其他力（想一下 ， 地球全部的引力竟然无法阻止一个冰箱贴从地上捡起回形针）同时 ， 也可以作为暗物质的真实身份 ， 可能是那些构成宇宙脚手架的神秘物质 ， 但尚且没有被直接观察到 。 尽管仍有大量的大型强子对撞机数据需要筛选 ， 而且大型强子对撞机预计将得到升级 ， 以保持运行更高的碰撞率 ， 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 。
但终有一天 ， 这些少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 ， 比如比起使用高能的强力超级对撞机 ， 科学家们更偏向于使用高精度的实验 ， 通过寻找微小但统计上明显偏离理论预测的偏差 ， 来测试各种标准模型预测 。 这也鼓励了理论学家跳出固有的思维模式 ， 为暗物质等寻找新的解释 。
“为了将粒子加速器推到更高的能量 ， 技术上越来越具有挑战性了 。 ”为了寻找新粒子 ， 芝加哥大学天文和天体物理系教授约什·弗雷曼告诉吉兹莫托：“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 。 当你遇到一个有挑战性的问题时 ， 你会想要利用你工具箱里的所有工具 ， 因为新的物理学有点腼腆 。 ”
时空涟漪
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时空涟漪的示意图
图源：戴文·亨策（美国国家航空航天局）
这十年也在最大的范围内革新了物理学 。 一个多世纪以前 ， 阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论预言 ， 高能量事件会发出一种扰动 ， 这种扰动会以光速形成波动通过时空本身 ， 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并碰撞产生的引力波 。 这种引力波的间接证据 ， 最早出现在被称作PSR1913+16的脉冲双星(一种旋转的中子星)被发现时 。 几年后 ， 科学家们意识到 ， 它的轨道周期正在缩短 ， 其方式与广义相对论预测的一样 ， 即这样一个系统会因为产生引力波而损失能量 。 但是尽管进行了其他的搜索 ， 直接的证据仍没有出现 。
直到这个十年 。 美国东部时间 ， 2015年9月14日,早上5:51,两个直角型设施 ， 记录了探测器中激光的相位变化 。 这两个直角设施 ， 一个在华盛顿州,另一个在路易斯安那州 ， 每个都是组合了一对距离直角一英里多长的隧道 。 这些晃动是由两个质量分别为太阳质量29倍和36倍的黑洞造成的 ， 它们在13亿光年之外 ， 相互缠绕然后合并 ， 向地球传播它们的引力波 。
接下来进行了更多的观察 ， 但也许更具突破性的发现是在2017年 ， 当探测器（现在在意大利加入了类似的处女座实验）测量到引力波的同一时刻 ， 全世界的望远镜都发现了无线电、紫外线、红外线 ， 并且这些光辐射都来自天空同一点 。 能量的爆发是两颗中子星（城市大小的死亡恒星）相撞的结果 。 这一单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 ， 也许有一天能有助于解决目前物理学中关于宇宙加速速度究竟多快的“危机” 。
这一颠覆性的发现是多信使天文学的一个标志——即 ， 在天文学中 ， 科学家们同时使用光波和其他一些粒子或波来探测观察一个光源 。 望远镜最初只使用可见光 ， 然后拓展到其他电磁辐射波长 ， 如x射线或无线电波 ， 现在补充的天文台可能包含了来自太空的粒子的数据 ， 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学教授彼得盖利森告诉吉兹莫托 。
黑洞领域的探索也经历了一个分水岭时刻 ， 科学家们操作事件视界望远镜（世界各地的射电望远镜的一个集合合作） ， 对准了位于M87星系中心 ， 拥有65亿个太阳质量的黑洞 。 这就产生了世界上第一张黑洞的图像 ， 或者更准确地说 ， 是黑洞投射在它后面物体上的阴影 。 尽管研究人员早就看到了这些物体扭曲光的证据——这些庞然大物扭曲时空的程度如此之深 ， 以至于光无法逃脱它们的引力——但这次的观察为我们提供了一个最好的直观视角 。 科学家们希望这一发现能开启黑洞科学的新时代 ， 他们能够更好地了解超大质量黑洞中心喷出的巨大物质喷流 。
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事件视界望远镜捕捉M87星系中心的黑洞 ， 在它的活动视界附近 ， 受强引力影响 ， 热气体在它周围旋转所产生的辐射勾勒出它的轮廓 。
“黑洞可以塑造宇宙尺度的现象 ， ”盖利森说 。 “我们看到这些在大爆炸后的一小段时间内发光的物体 。 它们就像可见宇宙边缘的灯塔 ， 向我们闪烁着它们的光芒 。 了解这些射流的起源 ， 对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 。 ”
现实世界的物理学
这十年来 ， 在天体物理学和粒子物理学领域 ， 有一个不为人知的英雄——越来越多的使用机器学习算法来对庞大的数据集进行分类 。 如果没有机器学习 ， 黑洞图像是不可能存在的——这十年 ， 它在粒子物理学中的应用正在经历一个“转折点”多罗告诉吉兹莫托 。
这十年也开启了一个基于粒子物理怪事的技术新时代（如量子计算机） 。 麻省理工学院数学家彼得·肖尔在肖尔的因式分解算法后告诉吉兹莫托：“我觉得这十年就绝对是那种 ， 看起来量子计算机能从科幻小说变成现实的十年 。 ”
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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 ， 于纽约约克镇高地 ， 站在公司研究设施Q系统一之前 。
这些量子器件是由理查德·费曼在1981年提出的 。 它们致力于使用的原子那古怪、颠覆性的概率数学而非常规逻辑 ， 来解决某些普通计算机无法解决的问题 。 具体来说 ， 科学家们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某些复杂的算法 。 基本上 ， 这些机器只是通过抛硬币来产生概率分布 ， 这些硬币可以在半空中被能量脉冲推动 ， 与常规概率规则不同的是 ， 当你把“硬币”加在一起 ， 这些量子概率可以有负面迹象 ， 从而导致了比普通抛掷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“超导量子比特（transmonqubit）” ， 这是一种由超导导线构成的回路 ， 充当人工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 ， 这些机器在处理某些问题时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于激光固定的原子的大小的设备 。 为这些机器提供软件工具或硬件组件的公司的整个生态系统也在成长 。
除了花式随机数发生器以外 ， 这些机器可能需要几十年的时间 ， 它们优于传统机器的优势才会体现出来 。 在它们因为外界的振动或辐射而失去原有的量子（qunatumness）之前 ， 很难控制它们 。 它们可能仍然会产生错误的结果——例如 ， 二进制字符串中的一个本应该输出为1的0 。 研究人员现在正致力于实现误差校正 ， 将多个量子位元结合在一起 ， 创造出一个优秀的不易出错的“合理的”量子位元 。 一个物理学家梦寐以求的真正“容错的”通用量子计算机可能需要数百万个量子位元来实现其全部潜力 。
但是物理学家们希望他们能发现这些小的、有噪声的设备的用途 ， 这些设备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·普雷斯基尔就宣布 ， 我们已经进入了一个量子计算的新时代 ， 这个新时代被称为嘈杂的的中型量子技术(NISQ)时代 。
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这个十年 ， 科学家们还将量子力学的奇异之处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了加密 。 越过量子入材料科学 ， 研究人员可能已经创造出第一种在几乎室温下无电阻导电的材料——这是另一项酝酿了几十年的发现 。 就在去年 ， 科学家们发现 ， 只需要一个旋转 ， 他们就可以在两层石墨烯中启动或关闭超导性 ， 这一发现从此引发了二维体系的后续研究热潮 。
20世纪10年代可能不是物理学史上最好的年代 ， 毕竟20世纪初产生了几十项新发现 ， 其中许多完全颠覆了科学家们对宇宙最大最小尺度的看法 。 它也不是一个惊喜的时代 ， 它的许多发现都是经过多年酝酿的 。 但不可否认的是 ， 历史学家在回顾这十年时 ， 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 。
麦克布莱德说：“我认为这是物理学一个伟大的十年 。 ”
FY:RyanF.Mandelbaum
作者:leaf
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