2020年,十大物理学突破

一、轻子中的CP破坏

图片来源:The T2K Collaboration

为什么我们会存在?

这是个极其复杂的问题,问题的根源要追溯回约138亿年前,在大爆炸后不久,理论上宇宙中的所有物质与所有反物质应当全部湮灭化为能量。但这显然没有发生,否则也就不会有恒星、行星和星系,更不会有生命以及人类存在了。

但究竟是什么使早期宇宙中的物质和反物质出现了轻微的不对称?物理学家认为其中一个重要的原因与打破CP对称性(或CP破坏)有关。这一对称性告诉我们,在镜像世界中,反粒子的行为与粒子一致。过去,物理学家发现夸克和反夸克并不遵循这一对称性,但从未在轻子(电子或中微子)身上看到过。

今年,T2K实验的科学家通过测量中微子报告了他们可能首次在轻子中发现了CP破坏的证据,其置信水平达到95%。未来,当置信水平超过99.9999%,物理学家就能最终确认这一发现,我们正越来越接近揭开我们的存在之谜。

二、任意子的最佳证据

图片来源:Manohar Kumar

中微子是非常神秘的基本粒子,物理学家在研究中微子的道路上已经作出了许多重要的发现。

中微子属于费米子,喜爱“独处”。与之性格截然相反的一类粒子,是喜欢“聚集”的玻色子,比如胶子。除了这两类粒子外,上个世纪八十年代初,物理学家预言在二维世界中或许还存在着第三类粒子——任意子。任意子介于费米子和玻色子之间,它们既不会完全避开对方,也不会完全聚集起来,它们携带的电荷可以是比单电子少的分数。

今年4月,《科学》刊登的一项研究报道了物理学家通过创建一个二维的微型粒子对撞机看到了介于费米子和玻色子之间的聚集行为,首次在实验室中找到了任意子存在的直接证据。

9月,另一个研究团队在《自然》发表的新研究发现了任意子存在的最有力证据,物理学家认为任意子将对建造量子计算机有着重要意义。

三、九章实现量子霸权

图片来源:中国科学技术大学

自量子计算机的概念提出以来便吸引了许多人的关注,因为在解决一些特定任务时,其计算能力将远超经典计算机。

2012年,物理学家John Preskill提出了“量子霸权”(或“量子计算优越性”)一词,它是指量子计算机超越最先进的超级计算机的时刻。2019年,谷歌宣布首次实现量子霸权,其量子计算原型机“悬铃木”是基于由超导材料构成的53个量子比特研制而成的。

今年,潘建伟、陆朝阳等科学家组成的团队成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”。光子也属于玻色子,九章在处理被称为“高斯玻色取样”任务的速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍。作为对比,九章的计算速度等效地比悬铃木快一百亿倍,实现了量子霸权的又一里程碑。

四、玻色-爱因斯坦凝聚

图片来源:NASA

玻色子、费米子、任意子,它们之所以不同是因为它们服从不同的统计。比如任意子服从的是分数统计,而费米子遵循的是费米-狄拉克统计,玻色子则是遵循玻色-爱因斯坦统计。

上个世纪二十年代,玻色和爱因斯坦以玻色最初关于光子的统计力学研究为基础,预言了当玻色子原子在冷却到接近绝对零度时会呈现出所谓的玻色-爱因斯坦凝聚(BEC),这也常被称为第五种物质状态。1995年,物理学家首次在实验中制造了BEC,之后便成为了各个实验室的“常客”。

今年,物理学家首次在国际空间站的失重环境下制造出了玻色-爱因斯坦凝聚,为一系列高精度的测量提供了新的方法。

五、首个室温超导体

图片来源:J. Adam Fenster

除了玻色-爱因斯坦凝聚,当温度降低到接近绝对零度时,还会发生许许多多意想不到的事情。比如在一百多年前,物理学家昂内斯在对水银进行实验时,意外地发现当水银被冷却到4.2开尔文时,其电阻会突然下降到零。这就是所谓的超导现象。

绝大多数的材料只有在极低温下才会实现超导电性,例如“悬铃木”的超导量子比特就需要保持在非常低温的条件下,这使超导的应用也受到限制。为此,物理学家一直致力于寻找在室温下也能转变成超导体的材料。

经过一百多年的搜寻,今年,物理学家首次在富氢材料中观察到了室温下(15℃)的超导现象,虽然新型超导材料只能在超高压下才能运作,但也将人们对室温超导的期待再度推向新的高点。

六、声速的理论极限

图片来源:GDJ / Pixabay

理论上,金属氢也是一种近室温的超导体。今年一月份,物理学家通过“金刚石压砧”的装置找到了金属氢存在的最有力证据,但物理学家还无法最终确认金属氢是否存在。根据计算表明,在金属氢中,声音的传播速度是最快的,可以达到35千米/秒,远比在任何材料中都快。

今年,几位物理学家通过两个基本常数,即精细结构常数和质子-电子质量比,预测声波的传播速度不能超过36千米/秒,这比在空气中的声速高出约106倍。这一理论上限得到了两方面的支持,一是对金属氢中声速的计算,二是来自一系列固态材料中的声速实验数据。

此外,物理学家在不久前,以迄今为止最高的的精确度测量了精细结构常数。

七、迄今为止测量到的最短时间

图片来源:Sven Grundmann/Goethe University Frankfurt

声音的传播速度存在极限,光的传播速度也存在极限,那么时间呢?是否有“最短时间”的极限?

根据已知的物理学定律,最小的时间尺度是普朗克时间,约为5.4×10⁻⁴⁴秒。这是人类现有的测量技术还无法企及的时间尺度。

今年,物理学家测量了一个光子穿过一个氢分子所需的时间,对分子的平均键长而言,这一时间大约是247×10⁻²¹秒。这也是迄今为止成功测量的最短时间跨度。

八、从黑洞获取能量

图片来源:University of Glasgow

在另一项研究中,物理学家利用声波验证了今年的诺贝尔物理学奖得主彭罗斯。1969年的一个奇思妙想认为,一个旋转黑洞的事件视界的周围会创造出一个叫做“能层”的区域。一个落入能层的物体,如果其中一部分分裂进入黑洞,另一部分则逃逸,那么逃逸的那部分就会有效地获取能量。

1971年,物理学家泽尔多维奇构思了一个可以在地球实现的实验,来检验彭罗斯从旋转黑洞提取能量的想法。泽尔多维奇认为,如果有一个金属圆柱体以合适的速度旋转,由于旋转多普勒效应这种特殊现象,“扭曲”的光波击中圆柱体的表面,最终会被从圆柱体旋转中获得额外的能量反射。

现在,格拉斯哥大学的研究人员终于找到了一种方法,他们通过扭曲声波,而不是光波,从实验上验证了这一50年前的理论。

九、核电共振的来临

图片来源:UNSW/Tony Melov

一个好的想法能够在提出之后的几十年得到验证,是件非常美妙的事。今年,还有另一个这样的想法被验证了。

回到1961年,因激光光谱学而获得诺贝尔物理学奖的核磁共振先驱布伦柏根提出一个设想,他认为我们或许可以仅仅利用电场(而非磁场)就实现对单原子的原子核的控制。磁场的产生需要大线圈和大电流,它们的效应范围往往很广,要把磁场限制在非常小的空间里是非常困难的操作,而电场可以在一个微小电极的尖端产生,它可以在远离电极尖端的位置急剧下降。这种特性使得利用电场来控制纳米电子设备中的单个原子变得容易得多。但布伦柏根的设想一直未得到实现。

直到今年,一个工程师团队宣布他们意外地实现了这一壮举,这一发现或将对量子计算机和传感器的发展产生重大影响。

十、铁电向列相液晶的首次观测

图片来源:SMRC

回到更早的100多年前,当时物理学家预言存在一种非常有序的铁电向列相液晶。在这种相中,液晶特定团块(或叫“畴”)内的所有分子都指向大致相同的方向,要么都向左,要么都向右,这种现象被称为极性排序。

早在20世纪初,德拜和玻恩就提出如果正确地设计液晶,它的分子可以自发地进入极性排序的状态。

经历了一个多世纪的寻找后,研究人员找到了一种液晶的“铁电向列相”,打开了一扇通往新材料世界的大门。从新型显示屏到全新概念的计算机储存器,它有望引发大量的技术创新。

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