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
相关文献:
[2]
https://science.sciencemag.org/content/368/6487/173.full
[3] https://science.sciencemag.org/content/early/2020/12/02/science.abe8770.full
[6] https://advances.sciencemag.org/content/6/41/eabc8662
[7] https://science.sciencemag.org/content/370/6514/339
[10] https://www.pnas.org/content/early/2020/06/09/2002290117
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