1.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 2.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 3.九章实现量子霸权 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 4.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 5.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 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 6.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 找到了能够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 7.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 8.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 在1969年的一个奇思妙想 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 9.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 10. 铁电向列相液晶的首次观测 图片 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 它有望开启大量的技术创新
[1] https://www./articles/s41586-020-2177-0 [2] https://science./content/368/6487/173.full https://www./articles/s41567-020-1019-1 [3] https://science./content/early/2020/12/02/science.abe8770.full [4] https://www./articles/s41586-020-2346-1 [5] https://www./articles/s41586-020-2801-z [6] https://advances./content/6/41/eabc8662 [7] https://science./content/370/6514/339 [8] https://www./articles/s41567-020-0944-3 [9] https://www./articles/s41586-020-2057-7 |
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