2020年 物理学十大突破

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2020年 物理学十大突破





1.轻子中的CP破坏

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


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
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

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


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
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

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

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
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
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

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的确突破还是有的

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