物理学如何被彻底的改变,让我们到2010年月找到谜底

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2020
03/26
03:08
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发布时间:2020-03-26 15:08:34

这十年不仅标志着物理学史上的转折点,而且标志着一系列更多的转折点

对于新的知识而言,2010年月是令人难以置信的十年,更重要的是,这十年的发现是如此庞大,已经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已经进入了新时代,它将重塑研究人员的科学方式。 基于量子力学框架的新技术的降生,可能标志着盘算,质料科学以及我们处置惩罚能源的方式发生了庞大改变。

斯坦福大学粒子物理学和天体物理学副教授纳塔利娅·托罗(Natalia Toro)与天文在线的对话中说到:“感受像我们处于范式转变之中。” “我们的前进偏向还不清楚,可是我认为从现在起的50年里,已往的十年将成为我们对物理学认识发生重大转变的开始。”

寻找最小的工具

十年来,科学家对巨细的观点的明白方式发生了基础性的变化。也许,最值得注意的是大型强子对撞机(位于瑞士日内瓦的一个17英里长的粒子加速器和对撞机)的科学家发现了有关希格斯玻色子的证据,希格斯玻色子是粒子物理学中心理论中所形貌的最后一个粒子,被称为尺度模型。

在1964年之前,一些理论可以很好地形貌宇宙,可是存在一个问题:他们预测某些物理学家已经知道具有质量的粒子应该是无质量的。 然后,六位科学家(最著名的是彼得·希格斯)揭晓了三篇解决这一问题的论文,详细先容了一种机制,通过这种机制,载重粒子(称为规范玻色子)中可以泛起质量,因此那些解释宇宙的理论仍然有效。 这种机制要求存在另一个称为希格斯玻色子的粒子。 只管举行了许多搜索,但希格斯玻色子一直未被发现-直到这个世纪最开始的十年。

欧洲核子研究中心在2008年启用了大型强子对撞机,这是有史以来规模最大的科学实验。2012年7月4日,全世界的研究人员挤满了礼堂和演讲厅,LHC研究人员最终宣布他们在两个修建物巨细的探测器ATLAS和CMS中发现了希格斯存在的证据。 许多人吹嘘说已经找到了尺度模型预测的所有粒子,因此该模型是完整的……不是吗?

费米国家加速器实验室良好科学家,欧洲核子研究组织CMS协作副讲话人帕蒂·麦克布赖德(Patty McBride)告诉天文在线:“如果说我们已经完成了尺度模型,就意味着我们已经完成了实验。” “但并没有。” 尺度模型仍然无法解释许多谜团,事实上,宇宙中约有96%的谜团。自2012年以来,大型强子对撞机一直很是平静。今后,对尺度模型举行了大量有趣的测试,但在希格斯玻色子之后没有发现新的粒子。 物理学家希望CERN能够发现其他粒子存在的证据,例如超级同伴。 预计这些粒子将同时解释为什么重力比其他力弱得多(想想-地球上所有的重力都无法阻止冰箱磁铁捡起回形针),而且可以作为重力的真实身份。 暗物质,似乎组成是宇宙脚手架的神秘物质,但尚未被直接视察到。只管仍然有大量LHC数据可供筛选-而且LHC计划举行升级以保持较高的碰撞率,但科学家开始怀疑他们是否会找到这些颗粒存在的证据。

只管缺少发现,这也可能被视为物理学史上的转折点。 粒子物理学家已经开始用新的方式寻找粒子,例如通过使用高精度实验来测试种种尺度模型的预测效果,方法是寻找与理论预测值相比有微小但统计上显著的偏差,而不是使用高能的强力超级对撞机 。 它还勉励理论家跳出思维框,为暗物质之类的事物寻找新的解释

芝加哥大学天文学与天体物理学系教授乔什·弗里曼(Josh Frieman)告诉天文在线:“将[粒子加速器]推向更高的能量面临着越来越多的技术挑战。” “粒子物理学界已经意识到我们需要多种方。这是一个具有挑战性的问题。当您遇到一个具有挑战性的问题时,您希望使用工具箱中的所有工具,因为新的物理学正成为一种难题。”

波纹时空

这十年也对物理学发生了最大的厘革。 一百多年来,阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论预测,高能事件可能会发生扰动,这些扰动以光速通过时空自己起伏,称为重力波。恒久以来,科学家一直在寻找由超新星或双黑洞相互围绕并碰撞而发生的引力波。随着被称为PSR 1913 + 16的双星脉冲星(一种自旋中子星)的发现,波的间接证据首先开始泛起。几年后,科学家们意识到它的轨道周期正以广义相对论预测这样的系统会因发生引力波而损失能量的方式准确地淘汰。 可是,只管举行了其他搜索,直接证据未能实现。

也就是说,直到这十年。 2015年9月14日,美国东部时间上午5:51,有两个L形设施,每个设施由一对一英里长的隧道组成,并成直角相交,一个在华盛顿州,另一个在路易斯安那州, 在探测器上记载他们的激光相互相移和异相。 这些摆动是两个黑洞的效果,这两个黑洞的质量划分是太阳的29倍和36倍,相互旋成螺旋状,然后在13亿光年远的地方合并,向地球流传了引力波。

随后举行了更多视察,更具突破性的发现是在2017年,其时探测器与意大利的童贞座实验相联合,在世界望远镜观察到无线电波,紫外线,红外线, 和来自天空同一点的光辐射。 能量的发作是两其中子星碰撞的效果,它们是都会巨细的恒星尸体。 这一事件使科学家们能够相识某些元素周期表中最重的元素的起源,而且未来的谋一天可能对解决当今物理学中有关宇宙加速的 “危机”很有用。

这种模式转变的发现是多信使天文学的标志,也就是说,在天文学中,科学家们既使用光波又使用其他粒子或波的探测来视察信号源。 望远镜最初只使用可见光,然后使用其他波长的电磁辐射(例如X射线或无线电波),现在互补的观察站可能包罗来自空间的数据,这些数据来自中微子或引力波等粒子。

哈佛大学科学史物理学教授彼得·加里森(Peter Galison)告诉吉兹莫多说:“这是多信使天文学的黄金时代。”

黑洞领域以其他方式到了分水岭,其时科学家操作着世界各地射电望远镜互助的Event Horizon望远镜,将其瞄准中心65亿太阳质量的黑洞。 M87星系。 这发生了世界上第一个黑洞的图像,或更准确地说,是黑洞投射在其后面物体上的阴影。 只管研究人员早就发现了这些弯曲物体的证据(庞大的庞然大物扭曲时空,以至于光线无法逃脱它们的吸引力),但视察效果是直接最佳视察效果之一。 科学家希望这项发现开启黑洞科学的新纪元,并希望他们能够更好地明白超大质量黑洞从其中心喷出的庞大物质。

加里森说:“ [黑洞]是可以塑造宇宙尺度的现象。” “自大爆炸以来,我们看到这些物体仅在很小的时间内发光。 它们就像是可见宇宙边缘的灯塔,向我们发出光线。 相识这些射流的起源可以更好地掌握……可能正在塑造星系中物质漫衍的物体具有重要意义。”

现实世界中的物理学

也许这十年来,一个天体物理学和粒子物理学的无名英雄更多地使用机械学习算法来分类庞大的数据集。 托罗告诉吉兹莫多,黑洞图像如果没有机械学习就不会存在,这十年来,它正在粒子物理学中履历一个“转折点”。

这十年也开启了基于粒子物理学怪癖的技术新时代,例如量子盘算机。 “我认为这十年绝对是量子盘算机从科幻小说转酿成为现实的年月,”麻省理工学院研究剖析因数算法的数学家Peter Shor告诉天文在线。

这些量子设备是由理查德·费曼(Richard Feynman)于1981年提出的著名的解决方案。它们旨在解决某些通例盘算机无法使用奇怪的,颠覆的原子概率数学而很是规逻辑的问题。 详细来说,科学家希望他们有一天可以使用新的数学来调整模拟分子的行为或运行某些庞大的算法。 基本上,就像这些机械只是通过翻转硬币发生概率漫衍一样,这些翻转的硬币可以被能量脉冲轻推,而且与通例的概率规则差别,将“硬币”加在一起时,这些量子概率可能具有负号,这将导致更庞大的概率漫衍。

直到2007年,耶鲁大学的物理学家才发现了“跨界量子位”(transmon qubit),这是一个超导线环,它充当人造原子,是量子盘算的最小单元。 如今,IBM和Google都已经开发了50多个qubit机械,这些机械开始用于某些问题上,传统盘算机的能力获得了提高。 同时,其他公司也首次推出了基于激光所牢固原子的类似尺寸的设备。为这些机械提供软件工具或硬件组件的创业公司的整个生态系统也在增长。

除了花哨的随机数生成器之外,这些机械想要比传统盘算机具有任何其他优势,可能需要数十年的时间。 在因杂散振动或外界辐射而失去量子点之前,它们很难控制。 他们可能会提供错误的效果-例如,二进制字符串中的零应为一。 研究人员现在正在努力实现纠错,将多个量子位组合在一起,以建立一个不易堕落的巨型“逻辑”量子位。 物理学家梦魅以求的真正“容错”通用量子盘算机可能需要数百万个量子位才气充实发挥其潜力。

可是,物理学家希望他们可以为这些小型,嘈杂的设备找到用处,纵然它们做得欠好,它们仍然会做一些有趣的事情。 早在2017年,加州理工学院的物理学家约翰·普里斯基尔(John Preskill)宣布,我们进入了一个新的量子盘算时代,即嘈杂的中级量子技术(NISQ)时代。

十年来,科学家们还将量子力学的怪异性纳入了新的传感技术中,中国的科学家发射了一颗使用量子力学数学来加密中国和奥地利之间的视频通话的卫星。 逾越量子技术进入质料科学领域,研究人员可能已经缔造出第一种在室温下的情况下险些没有电阻导电的质料,这是数十年来的另一项发现。 而就在去年,科学家发现他们可以在两片石墨烯之间打开和关闭超导特性,而这一发现从那时起在二维系统中就有了大量的后续事情。

2010年月可能不是物理学史上最好的时机-20世纪初发生了数十项新发现,其中许多发现完全颠覆了科学家以最大和最小尺度思考宇宙的方式。 它也不是一个惊喜的时代,它的许多发现经由多年的生长。 可是不行否认的是,回首这十年,历史学家将看到范式在整个物理学上都发生了变化,包罗新技术,实验方法和改变历史历程的思维方式。

麦克布赖德说:“我认为这是物理学上的伟大的十年。”

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. Ryan F. Mandelbaum-任时光

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