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2019年物理学有哪些重大突破?

 

《物理世界》十大突破奖
 
在2019年取得的众多科学进展中,《物理世界》(Physics World)杂志删选出了其中10个具有突破性的进展。这些进展包括拍摄到黑洞的第一张照片、谷歌发布量子计算芯片、探测到电荷-宇称对称性破坏等。
 
1 第一张黑洞照片
 
 
照片中的黑洞距离地球5500万光年,位于遥远的室女座A星系的中心,它的质量是太阳的65亿倍。明亮的圆环是围绕在黑洞吸积盘周围的气体和尘埃,它们被加热到几十亿度,在射电波段发射出明亮的光芒。在黑洞周围,极强的引力使得物质和能量都无法逃离。
 
事件视界望远镜由分布在全球六个不同地点的多个射电望远镜共同组成,其口径相当于整个地球直径那么大,它们共同拍摄了黑洞的第一张照片,这本身就是一个工程上的突破。
 
2 神经修复装置可将大脑活动转化为语言
 
科学家开发了一种神经修复装置,它能根据神经活动来重建语音。对于那些无法说话的人,比如瘫痪病人及中风患者,这台神经修复装置可以帮助他们重新获得与外界沟通的能力。除了医学应用之外,将一个人的想法直接翻译成语言也为实现计算机与大脑的直接交流提供了新方法。
 
3 第一次探测到火星星震
 
 
2019年4月6日,"洞察"号火星探测器第一次探测到了"火星星震"。科学家认为,这场微小的星震起源于火星内部,不是风或其他火星表面现象造成的。如今,在地球之外,人类探测到星震活动的星球包括火星和月球。并且火星同月球一样,没有构造板块,因此在星震活动方面预计会比地球安静得多。对火星星震的研究可以为我们提供关于火星内部构造和火星形成的重要信息。
 
4 粲粒子中发现CP对称性破坏
 
D0介子与反D0介子的衰变速率差异证明了电荷-宇称对称性的破坏。| CERN
 
在欧洲核子研究中心(CERN)进行 LHCb 实验的物理学家们第一次测量了粲介子中的电荷-宇称(Charge-parity, CP)对称性破坏。通过测量D0介子(包含一个粲夸克)与反D0介子衰变为一对K介子/反K介子或一对π介子/反π介子的速率差异,研究小组发现了电荷-宇称对称性的破坏。由于D0介子和反D0介子衰变会产生相同的物质,LHCb 团队面临的最大挑战是确定衰变事件是与D0相关还是与反D0相关。虽然这一最新的测量结果与我们目前对电荷-宇称对称性破坏的理解是一致的,但它为寻找标准模型之外的物理打开了可能性。
 
5 "小大电感线圈"创造破纪录的连续磁场
 
 
来自美国国家强磁场实验室(MagLab)的 Seungyong Hahn 和同事们在实验室里创造了有史以来最强的连续磁场。他们使用一种被称为"小大电感线圈(Little Big Coil)"的紧凑高温超导体磁体创造了45.5T的磁场强度记录。之前关于磁场强度的最高记录是45T,由一块重达35吨的磁铁所创造,而MagLab的设备只有390克。实验人员在设计磁体时原本期待获得更高的磁场,但磁体在运行过程中损坏。这项突破可以用于在一系列应用场合中改进强磁场磁体,包括医学磁共振成像、粒子加速器和聚变装置等。
 
6 卡西米尔效应为微小物体制造"量子陷阱"
 
 
来自加州大学伯克利分校的张翔实验室第一次实现了利用卡西米尔效应来捕捉微小物体。卡西米尔效应是一种奇异的现象,由电磁场的真空涨落所引起。当两块平行的金属板足够靠近时,真空中的一些电磁波会被挤压出去,导致周围的能量高于金属板之间的能量,推动金属板相互靠近,所以卡西米尔效应通常表现为一种吸引力。然而,通过在一块金属板上覆盖一层特氟龙薄膜,则可以实现可调节的吸引力与排斥力的组合,在没有能量输入的情况下,使一小片金箔稳定地处在两块板之间吸引力与排斥力的平衡点。
 
测量俘获过程中的微小作用力对光学计量学有着很高的要求,光学计量学使人们可以更好地了解卡西米尔力如何影响微机械设备的运行。如果能进一步控制卡西米尔力,我们甚至有可能在实际应用中使用被捕获的粒子。
 
7 反物质量子干涉技术
 
 
正电子和激光的量子干涉与引力协作(QUPLAS)项目第一次使用反物质进行了双缝干涉实验。实验人员向周期放大的双光栅 Talbot-Lau 干涉仪发送一束正电子(反电子),结果发现这些反粒子具有类似于波的行为,并且会发生量子干涉现象。他们还观察到,正电子的衍射图样会随着正电子束能量的改变而改变。这项突破可能会引领更多的实验来寻找物质和反物质量子性质之间的差异。
 
8 量子计算机的表现超越传统超级计算机
 
 
谷歌量子 AI 团队发布了由53个可编程超导量子比特组成的量子芯片。对于一些特定问题,量子计算机具有明显的"量子优势",比传统计算机的计算时间要短很多。利用这个芯片,量子计算机对一个实例执行100万次计算需要约200秒,而传统的超级计算机要完成同样的任务大概需要一万年。尽管批评人士称,超级计算机的实际运算时间大概只需要2.5天,但量子计算机在这方面仍有明显的优势。
 
 
9  利用原子捕获干涉测量微小引力
在地球的引力场中,激光产生的驻波让原子悬停在空间上分离的量子叠加态。| Sarah Davis
 
来自加州大学伯克利分校的科学家们开创了一种新方法,利用被捕获的原子测量引力造成的局部加速度。原子首先在空间中垂直分离,然后再重新组合时会产生干涉图样,他们据此设计了"量子引力仪"。大多数引力仪是测量原子在空间坠落时所受到的引力作用,但这台装置是让原子悬停在一个光阱中,并与引力场相互作用,时间长达20秒。这种方式提高了测量的灵敏度,为从地球物理勘探到基本力的测量等诸多应用铺平了道路。
 
10 发明儿童使用的可穿戴 MEG 扫描仪
 
 
科学家开发了一种轻便的"自行车头盔"式脑磁图(MEG)扫描仪,用于测量儿童进行日常运动时的大脑活动。传统的 MEG 系统使用安装在一个固定尺寸头盔中的低温冷却传感器来测量大脑产生的微小磁场,这种头盔体积庞大,对任何头部运动都高度敏感。而这种新的头盔使用了轻型光泵磁力仪,重量只有500克,可以适应任何头部形状或大小。这台扫描仪目前已经被用于一个两岁的儿童、一个五岁的看电视的小孩、一个玩电脑游戏的青少年,和一个弹奏乌克丽丽的成年人。
 
本文经授权转载自微信公众号"IOP出版社",经《返朴》二次修订。

 

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