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2013年十一大物理学进展:冻结光线一分钟

时间:2016-04-16  来源:  作者:

  美国物理学会网站,世界已经迎来了崭新的2014年,在过去的2013年中,物理学领域取得了一些重要的进展,回顾这一年,物理学领域取得的这些进展产生的影响远远的超出了物理学本身。近日美国物理学会在其刊物《物理学》(Physics)网站上公布了其评选出的2013年度最重要物理学进展。

  四夸克物质


  夸克一般为2个或3个成对,这是几乎所有的实验给出的结果。但在2013年夏季,中国的BESIII实验和日本的Belle实验分别报告称他们在高能正负电子对撞实验中检测到了由4个夸克组成的神秘粒子。尽管对这种被称作Zc(3900)的粒子的性质还有其它可能的解释,但4夸克粒子真实存在的可能性看来非常大,因为在那之后中国的研究组又发现了其它一系列由4夸克组成的物质粒子。

  超高能中微子

  那些用于监测罕见偶发事件的监测系统往往造价昂贵,但最终监测数年而一无所获。因此,近期科学家们对一个消息感到振奋鼓舞的心情也就不难理解了:他们设立在南极的冰立方探测器——一台专用于监测中微子的巨型设备,在2013年报告检测到两个具有异常高能量的中微子粒子,其能量接近1000TeV(1千万亿电子伏特),这比来自太阳的中微子能量高出近10亿倍。随后南极冰立方望远镜项目的科学家们进一步进行了数据分析并发现了另外26个能量高于30TeV的中微子。科学家们目前还需要更多的观测数据才能尝试确定这些具有异乎寻常高能量的中微子的来源,而这样做将可能需要建造一台更大的探测器。但有一点,他们初步认为这些中微子是源自太阳系之外的,而自从1987年之后人们就再也没有在实验中探测到如此遥远来源的中微子。科学家们相信这些神秘粒子携带着有关天体物理学事件,如遥远星系中伽马射线暴的信息。

  难以捉摸的暗物质

  2013年在暗物质研究领域同样取得了进展,一批与之相关的长期研究项目陆续开始公布其结果,不过遗憾的是,有关暗物质本质的问题仍然没有被揭开。在2013年的4月份,丁肇中教授领衔的,安装在国际空间站上的阿尔法磁谱仪项目报告他们在宇宙射线中检测到正电子的过量。这可能与空间中暗物质粒子的湮灭有关,但在更高能级水平上的数据还需要排除其它可能的解释。而另外两项在地面上进行的实验则从另一个方向着手,他们试图直接捕获被认为构成了暗物质的候选粒子,即“WIMP”(大质量弱相互作用粒子)。这两项实验分别是美国费米国家实验室的“低温暗物质搜寻实验”(CDMS)以及设在南达科他州的“大型地下氙探测实验”(LUX)。今年CDMS实验小组宣布的一个消息曾经引起广泛关注,当时研究人员称他们在闪烁探测器信号中检测到一个可能与WIMP粒子有关的峰。但很快LUX实验的探测结果就给这一消息浇了一碰冷水,该实验在更高的精度上进行观测,但却并未检测到类似的信号。目前这两个实验项目组正在相互竞争,争相提升己方的探测精度,并希望能在未来给出有关暗物质粒子的确凿证据。

  冻结光线一分钟

  在真空中,光以每秒30万公里的速度传播,但物理学家们知道如何让光的速度降低,甚至让它完全停止。这项技术将有望被应用于量子计算,并使用光子进行信息存储。德国达姆施塔特工业大学的一个研究组在2013年的一项实验中创纪录地让一束光停止了整整一分钟。这项技术可以造成一种名为“电磁诱导透明”的现象,在这一现象中,一束受控激光可以让一种不透明介质暂时性的变透明,从而可以存储光子。尽管一分钟的时长已经是该研究组在实验中所用晶体的理论极限,但未来将很有可能达成更长的光存储时间:研究人员正在尝试使用掺铕晶体进行实验,理论上这将让光存储时间延长到数小时之久。

  古老宇宙光线的扭曲

  宇宙微波背景辐射(CMB)是宇宙创生大爆炸的余晖,这是我们窥视宇宙初生时期状态的最好窗口。2013年中,科学家们正忙着分析3月份由普朗克探测器传回的全天宇宙微波背景辐射地图,但从地面上却意外传来了一项宇宙学领域的突破性进展:南极望远镜项目组的科学家们在宇宙微波背景辐射信号中检测到微弱的扭曲,即所谓B-模偏振现象。之所以会发生这种扭曲,是因为构成CMB信号的光线在穿越宇宙抵达地球的途中遭遇大质量体引力透镜效应而引发的。这一进展未来将帮助科学家们反演宇宙中物质的分布状况,其中包括难以捉摸的暗物质。

  声波激光

  声波和光波之间存在诸多相似性,事实上许多光学领域的概念也同样可以被应用于声学领域。在2013年的3月份,日本电报电话公司(NTT)基础研究实验室的一个小组展示了世界上首个完全实现的“声波激光”。

  氢原子波函数的直接成像

  打开任何一本一年级的量子力学课本,你一定会看到一些描述氢原子电子轨道的示意图,球形的,哑铃型的,或是三叶草型的。但在今年以前,所有这些都还只是理论上的,没有任何人曾经在实验上直接“观察”到它们。但就是在2013年,荷兰原子和分子物理学研究所(AMOL)的研究人员和合作者们设计了一种“量子显微镜”,其原理是首先使用光将氢原子电离,随后使用静电透镜构建一种逃逸电子的干涉模式。科学家们通过这种方法获得干涉图像,并重构出原始的电子轨道。

  复杂设备小型化

  2013年,科学家们实现了对一些大型且昂贵设备小型化方面的一系列重要进展,从而可以将它们全都安放进本就拥挤的实验室里。2013年,美国洛斯阿拉莫斯实验室的科学家们制作成功一台可以放在桌面上的小型中子源,其强度和聚焦能力足以实现对材料缺陷探查等功能。这种设备的原理是利用强大的激光束与固体靶标之间的相互作用来产生中子,其应用领域包括测试中子探测器,或用于分析材料遭受的辐射损伤。相似的,另一个来自美国斯坦福大学的小组,以及两个德国的研究组——马克斯普朗克量子光学研究所小组以及朗根-纽伦堡弗里德里希·亚历山大大学小组,他们在制造造价更加低廉,结构更紧凑的小型X射线源方面取得重要进展。这几个研究组发现他们可以借助纳米光栅加速电子,这种做法要比传统粒子加速器中使用的射频技术所用设备体积要小得多。

  纳米线的马约拉纳费米子湮灭

  物理学家们一直致力于搜寻马约拉纳费米子的存在,这种粒子的自旋为1/2,这意味着其反粒子是其本身。此前有关发现这种神秘粒子的消息都仍然存在问题,2013年,美国伊利诺伊大学的研究人员在连接到超导态铅棒上的纳米线两端成功获得两个准粒子(quasiparticle),并应用磁场诱导这两个粒子相互湮灭,这一点完全符合预期。在固体中发现马约拉纳态的案例对于未来开发量子计算机并加强其对抗噪音的能力意义重大。

  量子学高歌猛进

  2013年是量子学领域高歌猛进的一年,成果丰硕,但量子计算机仍然尚未面世。

  我们何时才能拥有量子计算机,它们的性能是否真的能胜过传统计算机?一家加拿大公司“D-WaveSystems”报告称他们今日解决了一项量子计算机方面的重要困难并取得进展。但很多专家对这家公司所言并不信服,他们指出该公司研发的由大约100个超导元素构成的设备可以被称作量子计算机,并且其性能表现也并无法战胜传统计算机。因此量子计算机的研制可能还需要多年的努力,但在过去的2013年内科学家们的确在解决量子信息存储以及通讯协议等方面取得了一系列的重要进展。在量子加密方面,密码学专家们将最终击败黑客,就在2013年,全球有两个研究组展示了一项量子加密技术,这项技术的问世将让信息窃取成为不可能。

  另外两项进展则与量子纠缠有关。这是赋予量子技术战胜经典技术的关键因素之一,科学家们验证了这项技术现在已经可以对抗噪音与耗散。来自美国麻省理工学院的一个研究组证明,在一个安全的量子通讯信道内,使用者将能获取纠缠带来的益处,即便是在其被噪音打破之后也是如此。而另一个来自德国柏林自由大学,丹麦尼尔斯·玻尔研究所以及慕尼黑理工大学的科学家组成的研究组则发现,借助一项名为量子照明的技术,耗散过程可以被工程师利用,并借此构建更为强健的量子态。

  黑洞防火墙

  2012年,美国加州大学圣芭芭拉分校的一组物理学家提出,一个假想中掉进黑洞的观察者将会被位于视界附近的防火墙摧毁。他们认为,如果这种防火墙的确存在,那将帮助解决黑洞模型理论中现存的一些问题,但这一假设在理论物理学界引发了激烈的争议,因为这一防火墙的想法违背了爱因斯坦提出并已广泛为物理学界所接受的等效原理,其基本表述是:观测者不能在局部的区域内分辨出由加速度所产生的惯性力或由物体所产生的引力,因而当其跨过视界时,其本身并不可能意识到这一点。而在2013年,当初的两名防火墙理论支持者重新点燃了争论的大火。这两名作者发展了一套理论模型来描述黑洞的内部,并提出这样一名观察者将会遭遇具有任意高的能量的量子海洋,而这正是一道“防火墙”。