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2020年,十大物理学突破

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发表于 2021-10-1 12:43:37 | 显示全部楼层 |阅读模式

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1.轻子中的CP破坏


2020年,十大物理学突破-1.jpg

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


2020年,十大物理学突破-2.jpg

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




2020年,十大物理学突破-3.jpg

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




2020年,十大物理学突破-4.jpg

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




2020年,十大物理学突破-5.jpg

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




2020年,十大物理学突破-6.jpg

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




2020年,十大物理学突破-7.jpg

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




2020年,十大物理学突破-8.jpg

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




2020年,十大物理学突破-9.jpg

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




2020年,十大物理学突破-10.jpg

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


相关文献:
[1] https://www.nature.com/articles/s41586-020-2177-0

[2]

https://science.sciencemag.org/content/368/6487/173.full

https://www.nature.com/articles/s41567-020-1019-1

[3] https://science.sciencemag.org/content/early/2020/12/02/science.abe8770.full

[4] https://www.nature.com/articles/s41586-020-2346-1

[5] https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z

[6] https://advances.sciencemag.org/content/6/41/eabc8662

[7] https://science.sciencemag.org/content/370/6514/339

[8] https://www.nature.com/articles/s41567-020-0944-3

[9] https://www.nature.com/articles/s41586-020-2057-7
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发表于 2021-10-1 12:44:24 | 显示全部楼层
在宇宙大爆炸理论下的分析,都是不对的。根本原因,是宇宙大爆炸理论是人类最愚蠢的理论。一个理由,一切测量观察到的内容,,,都可以用光的双缝实验证明,,,,成为宇宙笑话。
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我们随便能看到物质变成能量,可直接将能量变成物质却实现不了,中间一定有一个奇妙转化程序没发现。
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发表于 2021-10-1 12:45:49 | 显示全部楼层
基本粒子以下,应该还有结构,可能是不可见状态,很难观察和研究,也无法分离,从这个意思上来讲,继续认识宇宙将会越来越难,超过了量子态、基本粒子形态,所以,我们将要换位来思考宇宙,以不可见态构建基本粒子、构建基本力…建立更深入的宇宙本源体系
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十大物理突破
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通用量子计算机和只能完成玻色子采样模拟任务的模拟机,是啥意思,能解释一下吗
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加油,世界有太多需要发现,一切皆有可能,宇宙能够自发地产生我们,我能就能创造宇宙!
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原来时间也是量子化的[黑脸]
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九章算了吧
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为什么宇宙会出生?生而为何?
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