最近40年,美国物理学会告诉你,物理学都取得了哪些重大突破

今年是Physical Review(《物理评论》)创刊125周年,为了纪念这一时刻,美国物理学会(APS)遴选出了49项具有里程碑意义的工作,绘制出了一张横跨百年的时间表。今天,我们看看物理学发展历程中在最近40年有那些非凡的闪光时刻。

1:1981古思提出暴涨理论最近40年,美国物理学会告诉你,物理学都取得了哪些重大突破

1981年,古思假设在大爆炸发生后不到一秒的时间内,宇宙经历了指数方式的快速膨胀过程。暴涨模型为宇宙的均匀性和平坦性提供了解释,这在之前一直都是宇宙学家想要解决的难题。在暴涨理论中。宇宙早期在仅仅10 的-34次方秒内,宇宙的大小就增加了至少10 的20次方倍。在暴胀结束后,宇宙继续膨胀,但膨胀速度逐渐降低,看上去就像标准的大爆炸。从这个描述我们可以看到,暴涨理论仅仅是一种定性的猜想,没有任何理论物理根据。要证实这样的理论是相当困难的,甚至也许是不可能的。

1982贝尔测试验证量子力学预言最近40年,美国物理学会告诉你,物理学都取得了哪些重大突破

量子理论预言纠缠态中的粒子之间的关联性超出了经典例子可达到的极限。1982年,阿兰.阿斯佩和其合作者通过贝尔测试证实了这个预言。

下面简单介绍一下贝尔测试

1964年,物理学家约翰.贝尔写下了一篇现如今已经名垂青史的论文:《论爱因斯坦-波多尔斯基-罗森悖论》。从这篇论文中诞生了一个伟大的实验思路: 大贝尔测试。

量子力学认为,微观粒子在没被观测时,甚至会比没有被老师盯着的学生更加欢脱,也更加完全没有正形,直到对它进行观测,粒子才会突然老实下来,才有了确定的状态。

量子力学还认为,相互独立且的都没有正形的两个粒子能够"纠缠"在一起,只要对其中一个粒子进行观测,不仅是被观测的粒子,与它纠缠的另一个粒子也会瞬间老实下来,无论它们之间相距多远。它们之间"通风报信"的速度远远超过光速;这是爱因斯坦无法接受的,我们把这个现象称为"远距离闹鬼事件"。贝尔测试要检验的,恰恰就是这种现象。

实验原理说来简单:把一对纠缠粒子分隔两地,让不同的观测者,比如A和B,同时对两个粒子进行独立观测,具体观测方法则必须由随机选择而定。只有真正作出随机选择,才能打粒子一个措手不及,不让它们有提前串通的机会。对大量成对的纠缠粒子进行随机观测后,A和B再来比较他们各自观测得到的数据。

A和B会通过随机选择的观测方法同时对两个例子进行独立观测。这个时候,就轮到"贝尔不等式"登场了。别怕,我们不需要了解贝尔不等式到底是怎么回事。我们只要知道,如果A和B的结果满足这个不等式,就证明"远距离闹鬼事件"不存在;反之,如果违背这个不等式,则证明"远距离闹鬼事件"现象确实存在的。

1982扫描隧道显微镜的发明

最近40年,美国物理学会告诉你,物理学都取得了哪些重大突破

1984准晶的发现最近40年,美国物理学会告诉你,物理学都取得了哪些重大突破

准晶

最近40年,美国物理学会告诉你,物理学都取得了哪些重大突破

准晶

1984年,谢赫特曼和他的合作者在合金中的发现促使物理学家重新思考晶体的概念,因为在这种合金中的原子排列呈现出五重旋转对称性,并且不具有周期性的结构。在后续的论文中,莱文和斯坦哈特把这种原子排列方式称为准晶并解释了这种结构可以存在的原因。 谢赫特曼因此获得了2011年的诺贝尔化学奖。

1985朱棣文发明激光冷却技术

最近40年,美国物理学会告诉你,物理学都取得了哪些重大突破

1985年,朱棣文利用相向传播激光束的辐射压,将原子限制在极度低温的状态下,这种技术可以在100毫秒内将原子温度降低至几百毫开尔文。他们冷却和俘获原子的技术提高了原子光谱学的精度,也推进了包括玻色爱因斯坦凝聚等在内的体系量子相的研究。朱棣文也因此获得了1997年的诺贝尔物理学奖。

1987高温超导体的发现最近40年,美国物理学会告诉你,物理学都取得了哪些重大突破

1987年,朱经武和他的合作者合成钇钡铜氧化合物,这种物质在创纪录拥有创纪录的超导转变温度93K。这么高的转变温度已经可以利用液氮达到,这使得钇钡铜氧材料可以在实际生活中得到应用。

1988巨磁阻效应的发现最近40年,美国物理学会告诉你,物理学都取得了哪些重大突破

1988年,费尔和克鲁伯格发现他们可以通过转动两层磁体中的一层来显著改变两层磁体之间的电阻。巨磁阻效应现在被用于制造硬盘驱动器和自旋电子学器件,这些装置可以用电子的自旋而不是电荷来传递和储存信息。费尔和克鲁伯格因此获得了2007年诺贝尔物理学奖。

1992利用光子实现宏观量子态最近40年,美国物理学会告诉你,物理学都取得了哪些重大突破

1992年,阿罗什利用光子和腔中原子相互作用实现了宏观量子叠加态,也就是我们常说的"薛定谔的猫"态。利用类似的装置,这个团队观测到量子退相干,而退相干是量子测量核心手段。阿罗什因此获得了2012年的诺贝尔物理学奖。

1998中微子振荡的发现最近40年,美国物理学会告诉你,物理学都取得了哪些重大突破

1998年,日本超级神冈实验以确凿的实验证据证明了μ子中微子可以自发地转化成τ子中微子,反之亦然,这就是中微子振荡。2001年,加拿大的萨德伯里中微子天文台探测到了太阳发出的全部三种中微子,总流量与标准太阳模型的预言符合得非常好,解决了先前观测到的太阳中微子缺失问题。中微子振荡意味着中微子具有质量,这与原始的粒子物理标准模型不相吻合,对理论物理和实验物理而言都有一定的影响。神冈实验室的领导者小柴昌俊也因此获得了2002年的诺贝尔物理学奖。

2006第118号元素的合成最近40年,美国物理学会告诉你,物理学都取得了哪些重大突破

最近40年,美国物理学会告诉你,物理学都取得了哪些重大突破

2006年,俄罗斯杜布纳核研究联合研究所的科学家在论文中报道发现了一种具有118个质子超重化学元素。这项实验是在2002年进行的,至此,元素周期表第七周期被全部填满。第118号元素最终被命名为Oganesson,以纪念其发现者。

2007三维拓扑绝缘体的预言最近40年,美国物理学会告诉你,物理学都取得了哪些重大突破

2007年,傅亮和凯恩预言合金材料Bi1-xSbx在当x处于0.07和0.22之间时变成三维拓扑绝缘体,具有导电表面态,并且即便存在杂质或缺陷也能保持稳定。在他们预言之前,拓扑绝缘体只存在于二维体系中,他们的研究表明这种神奇的性质可能存在于更多种类的材料之中。

2015外尔费米子的发现最近40年,美国物理学会告诉你,物理学都取得了哪些重大突破

1929年,德国科学家外尔在理论上预言存在一种具有手性的无质量费米子,也就是"外尔费米子",然而并没有任何一种基本粒子符合这种性质。2015年,中科院物理所研究团队在凝聚态体系TaAs中发现了外尔费米子,该项研究从理论预言、样品制备、到实验观测的全过程,都是由我国科学家独立完成。

2016引力波的发现最近40年,美国物理学会告诉你,物理学都取得了哪些重大突破

2016年,激光干涉引力波天文台(LIGO)探测到了两个黑洞合并产生的引力波信号,这是爱因斯坦广义相对论的最后一个预言。引力波的发现开启了引力波天文学的新时代,并于今年观测到双中子星合并的引力波信号。美国麻省理工学院教授雷纳.韦斯、加州理工学院教授基普.索恩和巴里.巴里什也因此获得了2017年的诺贝尔物理学奖。


分享到:


相關文章: