最近40年,美國物理學會告訴你,物理學都取得了哪些重大突破

今年是Physical Review(《物理評論》)創刊125週年,為了紀念這一時刻,美國物理學會(APS)遴選出了49項具有里程碑意義的工作,繪製出了一張橫跨百年的時間表。今天,我們看看物理學發展歷程中在最近40年有那些非凡的閃光時刻。

1:1981古思提出暴漲理論最近40年,美國物理學會告訴你,物理學都取得了哪些重大突破

1981年,古思假設在大爆炸發生後不到一秒的時間內,宇宙經歷了指數方式的快速膨脹過程。暴漲模型為宇宙的均勻性和平坦性提供瞭解釋,這在之前一直都是宇宙學家想要解決的難題。在暴漲理論中。宇宙早期在僅僅10 的-34次方秒內,宇宙的大小就增加了至少10 的20次方倍。在暴脹結束後,宇宙繼續膨脹,但膨脹速度逐漸降低,看上去就像標準的大爆炸。從這個描述我們可以看到,暴漲理論僅僅是一種定性的猜想,沒有任何理論物理根據。要證實這樣的理論是相當困難的,甚至也許是不可能的。

1982貝爾測試驗證量子力學預言最近40年,美國物理學會告訴你,物理學都取得了哪些重大突破

量子理論預言糾纏態中的粒子之間的關聯性超出了經典例子可達到的極限。1982年,阿蘭.阿斯佩和其合作者通過貝爾測試證實了這個預言。

下面簡單介紹一下貝爾測試

1964年,物理學家約翰.貝爾寫下了一篇現如今已經名垂青史的論文:《論愛因斯坦-波多爾斯基-羅森悖論》。從這篇論文中誕生了一個偉大的實驗思路: 大貝爾測試。

量子力學認為,微觀粒子在沒被觀測時,甚至會比沒有被老師盯著的學生更加歡脫,也更加完全沒有正形,直到對它進行觀測,粒子才會突然老實下來,才有了確定的狀態。

量子力學還認為,相互獨立且的都沒有正形的兩個粒子能夠"糾纏"在一起,只要對其中一個粒子進行觀測,不僅是被觀測的粒子,與它糾纏的另一個粒子也會瞬間老實下來,無論它們之間相距多遠。它們之間"通風報信"的速度遠遠超過光速;這是愛因斯坦無法接受的,我們把這個現象稱為"遠距離鬧鬼事件"。貝爾測試要檢驗的,恰恰就是這種現象。

實驗原理說來簡單:把一對糾纏粒子分隔兩地,讓不同的觀測者,比如A和B,同時對兩個粒子進行獨立觀測,具體觀測方法則必須由隨機選擇而定。只有真正作出隨機選擇,才能打粒子一個措手不及,不讓它們有提前串通的機會。對大量成對的糾纏粒子進行隨機觀測後,A和B再來比較他們各自觀測得到的數據。

A和B會通過隨機選擇的觀測方法同時對兩個例子進行獨立觀測。這個時候,就輪到"貝爾不等式"登場了。別怕,我們不需要了解貝爾不等式到底是怎麼回事。我們只要知道,如果A和B的結果滿足這個不等式,就證明"遠距離鬧鬼事件"不存在;反之,如果違背這個不等式,則證明"遠距離鬧鬼事件"現象確實存在的。

1982掃描隧道顯微鏡的發明

最近40年,美國物理學會告訴你,物理學都取得了哪些重大突破

1984準晶的發現最近40年,美國物理學會告訴你,物理學都取得了哪些重大突破

準晶

最近40年,美國物理學會告訴你,物理學都取得了哪些重大突破

準晶

1984年,謝赫特曼和他的合作者在合金中的發現促使物理學家重新思考晶體的概念,因為在這種合金中的原子排列呈現出五重旋轉對稱性,並且不具有周期性的結構。在後續的論文中,萊文和斯坦哈特把這種原子排列方式稱為準晶並解釋了這種結構可以存在的原因。 謝赫特曼因此獲得了2011年的諾貝爾化學獎。

1985朱棣文發明激光冷卻技術

最近40年,美國物理學會告訴你,物理學都取得了哪些重大突破

1985年,朱棣文利用相向傳播激光束的輻射壓,將原子限制在極度低溫的狀態下,這種技術可以在100毫秒內將原子溫度降低至幾百毫開爾文。他們冷卻和俘獲原子的技術提高了原子光譜學的精度,也推進了包括玻色愛因斯坦凝聚等在內的體系量子相的研究。朱棣文也因此獲得了1997年的諾貝爾物理學獎。

1987高溫超導體的發現最近40年,美國物理學會告訴你,物理學都取得了哪些重大突破

1987年,朱經武和他的合作者合成釔鋇銅氧化合物,這種物質在創紀錄擁有創紀錄的超導轉變溫度93K。這麼高的轉變溫度已經可以利用液氮達到,這使得釔鋇銅氧材料可以在實際生活中得到應用。

1988巨磁阻效應的發現最近40年,美國物理學會告訴你,物理學都取得了哪些重大突破

1988年,費爾和克魯伯格發現他們可以通過轉動兩層磁體中的一層來顯著改變兩層磁體之間的電阻。巨磁阻效應現在被用於製造硬盤驅動器和自旋電子學器件,這些裝置可以用電子的自旋而不是電荷來傳遞和儲存信息。費爾和克魯伯格因此獲得了2007年諾貝爾物理學獎。

1992利用光子實現宏觀量子態最近40年,美國物理學會告訴你,物理學都取得了哪些重大突破

1992年,阿羅什利用光子和腔中原子相互作用實現了宏觀量子疊加態,也就是我們常說的"薛定諤的貓"態。利用類似的裝置,這個團隊觀測到量子退相干,而退相干是量子測量核心手段。阿羅什因此獲得了2012年的諾貝爾物理學獎。

1998中微子振盪的發現最近40年,美國物理學會告訴你,物理學都取得了哪些重大突破

1998年,日本超級神岡實驗以確鑿的實驗證據證明了μ子中微子可以自發地轉化成τ子中微子,反之亦然,這就是中微子振盪。2001年,加拿大的薩德伯裡中微子天文臺探測到了太陽發出的全部三種中微子,總流量與標準太陽模型的預言符合得非常好,解決了先前觀測到的太陽中微子缺失問題。中微子振盪意味著中微子具有質量,這與原始的粒子物理標準模型不相吻合,對理論物理和實驗物理而言都有一定的影響。神岡實驗室的領導者小柴昌俊也因此獲得了2002年的諾貝爾物理學獎。

2006第118號元素的合成最近40年,美國物理學會告訴你,物理學都取得了哪些重大突破

最近40年,美國物理學會告訴你,物理學都取得了哪些重大突破

2006年,俄羅斯杜布納核研究聯合研究所的科學家在論文中報道發現了一種具有118個質子超重化學元素。這項實驗是在2002年進行的,至此,元素週期表第七週期被全部填滿。第118號元素最終被命名為Oganesson,以紀念其發現者。

2007三維拓撲絕緣體的預言最近40年,美國物理學會告訴你,物理學都取得了哪些重大突破

2007年,傅亮和凱恩預言合金材料Bi1-xSbx在當x處於0.07和0.22之間時變成三維拓撲絕緣體,具有導電錶面態,並且即便存在雜質或缺陷也能保持穩定。在他們預言之前,拓撲絕緣體只存在於二維體系中,他們的研究表明這種神奇的性質可能存在於更多種類的材料之中。

2015外爾費米子的發現最近40年,美國物理學會告訴你,物理學都取得了哪些重大突破

1929年,德國科學家外爾在理論上預言存在一種具有手性的無質量費米子,也就是"外爾費米子",然而並沒有任何一種基本粒子符合這種性質。2015年,中科院物理所研究團隊在凝聚態體系TaAs中發現了外爾費米子,該項研究從理論預言、樣品製備、到實驗觀測的全過程,都是由我國科學家獨立完成。

2016引力波的發現最近40年,美國物理學會告訴你,物理學都取得了哪些重大突破

2016年,激光干涉引力波天文臺(LIGO)探測到了兩個黑洞合併產生的引力波信號,這是愛因斯坦廣義相對論的最後一個預言。引力波的發現開啟了引力波天文學的新時代,並於今年觀測到雙中子星合併的引力波信號。美國麻省理工學院教授雷納.韋斯、加州理工學院教授基普.索恩和巴里.巴里什也因此獲得了2017年的諾貝爾物理學獎。


分享到:


相關文章: