2025年，十大物理學(xué)突破

2025年，物理學(xué)的多個(gè)前沿領(lǐng)域迎來(lái)了令人矚目的突破。從微觀粒子的精密測(cè)量到宏觀宇宙的黑洞飛掠，從二維金屬的新制備方法到超流氫的首次觀測(cè)，物理學(xué)家們不斷刷新我們對(duì)自然界的認(rèn)知。在這里，我們挑選了今年物理學(xué)的十個(gè)重要突破，它們有的提出了新的問(wèn)題，有的為未來(lái)的探索開(kāi)辟了道路。

繆子g-2之謎的最終裁決

標(biāo)準(zhǔn)模型，描述了基本粒子的行為和屬性，以及它們之間的相互作用。盡管它極其成功，但物理學(xué)家知道它并不完備，比如它沒(méi)有解釋什么是暗物質(zhì)，也沒(méi)有解釋等級(jí)問(wèn)題。

在過(guò)去的20多年，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)繆子的反常磁矩（g-2）偏離了理論預(yù)測(cè)，因此被視為超越標(biāo)準(zhǔn)模型的潛在線索。如果這個(gè)結(jié)論被證實(shí)，就意味著自然界中或許存在全新的粒子或相互作用。

今年，繆子g-2實(shí)驗(yàn)合作組發(fā)布了最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)理論物理學(xué)家也給出了基于格點(diǎn)量子色動(dòng)力學(xué)計(jì)算出的新理論值。結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)與理論之間不再存在顯著差異。

這一結(jié)論雖令期待“新物理”的人略感失望，卻標(biāo)志著實(shí)驗(yàn)與理論精度的雙重飛躍，是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的一次極其嚴(yán)格的檢驗(yàn)。

重子衰變中的CP破壞

根據(jù)理論，宇宙大爆炸后應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生等量的物質(zhì)與反物質(zhì)，而當(dāng)它們相遇時(shí)會(huì)全部湮滅，只留下能量。但這顯然沒(méi)有發(fā)生，否則我們今天也不會(huì)看見(jiàn)恒星、行星，甚至是生命了。

是什么導(dǎo)致了物質(zhì)和反物質(zhì)之間的輕微不對(duì)稱性，使今天我們觀測(cè)到的可觀測(cè)宇宙幾乎完全由物質(zhì)組成？

1967年，物理學(xué)家薩哈羅夫提出，如果宇宙滿足幾個(gè)條件那么就有可能演化出一個(gè)由物質(zhì)主導(dǎo)的世界，其中一個(gè)條件是電荷共軛-宇稱（CP）對(duì)稱性必須被打破。電荷共軛（C）能讓正反電荷互換，將一個(gè)粒子轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的反粒子今年；宇稱（P）則是讓空間坐標(biāo)翻轉(zhuǎn)的變換；對(duì)物質(zhì)實(shí)施CP變換，就能得到相應(yīng)反物質(zhì)的鏡像。

今年，LHCb合作組宣布，首次明確觀測(cè)到了重子衰變中的CP破壞。雖然還無(wú)法解釋物質(zhì)和反物質(zhì)不對(duì)稱性的謎團(tuán)，但這一里程碑發(fā)現(xiàn)為從理論和實(shí)驗(yàn)層面研究CP破壞的本質(zhì)鋪平了道路，并有望為超越標(biāo)準(zhǔn)模型的理論提供新的約束條件。

反物質(zhì)量子比特的首次演示

為什么宇宙充滿了物質(zhì)？這個(gè)謎團(tuán)，還可以通過(guò)極其精確地比較物質(zhì)與反物質(zhì)粒子的屬性來(lái)加以探究。例如，標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為質(zhì)子和反質(zhì)子應(yīng)該具有相同的質(zhì)量，但電荷相等且相反。與標(biāo)準(zhǔn)模型描述的任何偏差都可能為這個(gè)重大謎團(tuán)帶來(lái)線索。

今年，BASE團(tuán)隊(duì)宣布，他們實(shí)現(xiàn)了對(duì)反質(zhì)子自旋的首個(gè)相干光譜測(cè)量，并保持了長(zhǎng)達(dá)50秒的自旋相干時(shí)間。這也標(biāo)志著首個(gè)反物質(zhì)量子比特的實(shí)現(xiàn)。不過(guò)，由反物質(zhì)量子比特構(gòu)成的量子計(jì)算機(jī)距離現(xiàn)實(shí)仍然非常遙遠(yuǎn)，其建造難度也將遠(yuǎn)高于已經(jīng)極具挑戰(zhàn)性的普通物質(zhì)量子計(jì)算機(jī)。

但新的成果為在高精度實(shí)驗(yàn)中將完整的相干光譜學(xué)方法應(yīng)用于單個(gè)物質(zhì)或反物質(zhì)粒子奠定了基礎(chǔ)，并且將幫助BASE在未來(lái)的實(shí)驗(yàn)中以至少10倍的精度測(cè)量反質(zhì)子的磁矩，從而徹底改變對(duì)反物質(zhì)的研究方式。

惰性中微子被排除了嗎？

中微子是宇宙中數(shù)量最為豐富的粒子之一，每秒鐘都有數(shù)以萬(wàn)億計(jì)的中微子穿過(guò)我們的身體而不留下任何痕跡，這是因?yàn)樗鼈儙缀醪慌c物質(zhì)相互作用。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，中微子有三種“味”：電子中微子、繆子中微子、陶子中微子，它們?cè)趥鞑サ倪^(guò)程中可以相互轉(zhuǎn)化或振蕩。然而，以往的一些實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了無(wú)法用三種中微子框架加以解釋的中微子行為。因此，物理學(xué)家提出了第四種假想的中微子——惰性中微子。這種中微子被認(rèn)為只通過(guò)引力與其他粒子發(fā)生相互作用。

KATRIN和MicroBooNE是兩個(gè)尋找惰性中微子的著名實(shí)驗(yàn)，今年，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)均宣布未發(fā)現(xiàn)惰性中微子的證據(jù)。這一“負(fù)結(jié)果”并非失敗，而是更好地為未來(lái)的中微子實(shí)驗(yàn)指明了方向。

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中的“鉛變金”

把鉛變成金，這是十七世紀(jì)煉金術(shù)士最大的夢(mèng)想。鉛原子核里有82個(gè)質(zhì)子，而金是79個(gè)，兩者差了整整3個(gè)質(zhì)子。因此用任何化學(xué)方法都無(wú)法讓它們互相轉(zhuǎn)化。但是，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的物理學(xué)家卻把不可能變成了可能。

他們讓兩束幾乎以光速飛行的鉛離子束彼此對(duì)撞，但是在大多數(shù)時(shí)候，這些離子并不會(huì)正面碰撞，而是“擦肩而過(guò)”。當(dāng)這種“擦肩而過(guò)”發(fā)生時(shí)，一個(gè)鉛離子周圍的強(qiáng)電磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生能量脈沖，激發(fā)另一個(gè)鉛原子核噴射出3個(gè)質(zhì)子——這就意味著它的質(zhì)子數(shù)82減少到79，從而變成了金。

根據(jù)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)ALICE團(tuán)隊(duì)的估算，在2015到2018年間，共制造了約860億個(gè)金原子核。聽(tīng)起來(lái)很多，但它們的總質(zhì)量?jī)H約為29皮克。而且，制造出來(lái)的金原子核存在時(shí)間極其短暫。雖然無(wú)法帶來(lái)財(cái)富，甚至要付出高昂的代價(jià)，但物理學(xué)家卻可以更好地了解粒子是如何相互作用和變化的。

被操控的薛定諤貓

在量子計(jì)算機(jī)中，計(jì)算的基本單元是所謂的量子比特，它們既可以是 0、1，也可以是兩者的脆弱疊加態(tài)。這種特性使量子計(jì)算機(jī)在某些特定問(wèn)題上能夠遠(yuǎn)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)高效。但問(wèn)題是：量子比特極其脆弱。

近年來(lái)，研究人員在以中性原子陣列作為量子比特的量子計(jì)算平臺(tái)上取得了重要進(jìn)展，其中每個(gè)原子都通過(guò)高度聚焦的激光束——即所謂的“光鑷”——被精確操控。為了執(zhí)行計(jì)算操作，這類量子計(jì)算機(jī)需要將大量原子移動(dòng)并排列成精確的目標(biāo)結(jié)構(gòu)，但這一過(guò)程通常非常耗時(shí)。

今年，陸朝陽(yáng)及其合作者開(kāi)發(fā)了一種基于人工智能的實(shí)時(shí)優(yōu)化模型，能夠高效計(jì)算光鑷的最優(yōu)控制方案，從而實(shí)現(xiàn)原子陣列的整體重排。作為展示，研究人員利用549個(gè)銣原子制作了一段薛定諤貓動(dòng)畫。該方法同時(shí)具有良好的可擴(kuò)展性，目前系統(tǒng)已驗(yàn)證可操控多達(dá)2024個(gè)原子，并有望進(jìn)一步擴(kuò)展至更大規(guī)模。

這一成果也象征著在量子力學(xué)誕生100年之際，人類已能夠?qū)τ缮锨ЯＷ咏M成的量子體系進(jìn)行實(shí)時(shí)、精密的操控。

氫分子超流性被證實(shí)

在接近絕對(duì)零度的低溫下，某些流體會(huì)進(jìn)入一種零黏度狀態(tài)，表現(xiàn)出毫無(wú)無(wú)阻力、無(wú)摩擦地流動(dòng)的能力。這種非凡的狀態(tài)就是超流性。早在1936年，科學(xué)家就在低溫下發(fā)現(xiàn)氦具有超流性。

到了1972年，物理學(xué)家金茨堡提出，氫分子（H?）在極低溫下也可能具備超流性，但是要驗(yàn)證這一點(diǎn)極其困難。理論預(yù)測(cè)，氫分子會(huì)在1~2K的溫度下轉(zhuǎn)變成超流體，但氫在低于13.8K時(shí)就會(huì)凝固。

為了打破這一困境，一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)一種創(chuàng)新的“納米超冷實(shí)驗(yàn)室”：他們將由少量氫分子構(gòu)成的團(tuán)簇限制在氦納米液滴中，并將整體系統(tǒng)冷卻至0.4K。接下來(lái)，他們向氫團(tuán)簇中嵌入一個(gè)甲烷分子，并使用激光脈沖激發(fā)其旋轉(zhuǎn)。最后，他們首次在微小的液態(tài)氫團(tuán)簇中觀測(cè)到了甲烷的清晰光譜，從而確認(rèn)了周圍的氫分子表現(xiàn)出無(wú)摩擦的量子流動(dòng)行為。這不僅驗(yàn)證了金茨堡提出的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)，也為量子流體研究提供了全新方向。

首例二維金屬的制備

當(dāng)金屬被削薄成僅有一層或數(shù)層原子厚度的薄片時(shí)，其物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生劇烈變化。這些由此產(chǎn)生的性質(zhì)具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，但此類二維金屬在微米尺度或更大尺寸下難以穩(wěn)定存在，因?yàn)樵油鶗?huì)回到其天然的三維排列結(jié)構(gòu)，并且在空氣中極易發(fā)生氧化。

今年，張廣宇團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種利用臺(tái)式液壓機(jī)將金屬壓縮至原子級(jí)厚度的方法。他們成功制備了鉍、鎵、銦、錫和鉛這五種二維金屬，其厚度均小于一納米。這是首次制備出在空氣中穩(wěn)定、具有宏觀尺寸的二維金屬薄片。

這些材料所展現(xiàn)出的特征不僅可以用來(lái)探索物理學(xué)的基本原理，也為它們與其他材料的集成，以及用于構(gòu)建新型電子或光子器件，打開(kāi)了諸多可能性。

超越“熵災(zāi)難”

1988年，物理學(xué)家提出了一種叫做“熵災(zāi)難”的現(xiàn)象，指的是當(dāng)晶體過(guò)熱時(shí)，存在一個(gè)臨界點(diǎn)，在這個(gè)點(diǎn)上，晶體的熵與其液態(tài)對(duì)應(yīng)物的熵相等。這個(gè)臨界點(diǎn)被認(rèn)為是固體穩(wěn)定性的極限，通常出現(xiàn)在熔點(diǎn)的三倍左右的溫度。一旦超過(guò)這個(gè)臨界溫度，固體將自發(fā)融化，否則就違反了熱力學(xué)第二定律。

然而，在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用一束持續(xù)時(shí)間僅45飛秒的高能、高聚焦激光脈沖，對(duì)一個(gè)50納米厚的金薄膜樣品迅速加熱。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在極短的數(shù)萬(wàn)億分之一秒內(nèi)，激光能將金的溫度提升至金熔點(diǎn)的14倍以上，而金仍保持固體晶體結(jié)構(gòu)。

那么，這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否違反了熱力學(xué)第二定律？并沒(méi)有。這是因?yàn)榻饦悠肥窃跇O短時(shí)間內(nèi)被加熱到如此高的溫度，所以金原子幾乎沒(méi)有時(shí)間運(yùn)動(dòng)并變得無(wú)序，從而避免了熵災(zāi)難的發(fā)生。這意味著，如果加熱足夠迅速，過(guò)熱的上限可能比之前的理論預(yù)測(cè)要高得多，甚至可能根本不存在明確的上限。

引力波物理學(xué)的里程碑式精確預(yù)測(cè)

自2015年首次直接探測(cè)到引力波以來(lái)，科學(xué)家們已經(jīng)記錄了近300起引力波事件，它們有的來(lái)自雙黑洞的并合，有的來(lái)自雙中子星的并合，還有的則來(lái)自黑洞吞噬中子星的劇烈過(guò)程。對(duì)于這類事件，物理學(xué)家已經(jīng)建立了較為成熟的理論模型。

然而，隨著下一代地面和空間引力波探測(cè)器的靈敏度顯著提升，它們還可能探測(cè)到源自于“擦肩而過(guò)”的事件，比如兩個(gè)黑洞互相靠近但沒(méi)有并合，而是發(fā)生了“飛掠”或“散射”。這類散射事件產(chǎn)生的波形與并合事件不同，對(duì)應(yīng)的理論預(yù)測(cè)模型也更復(fù)雜。

今年，物理學(xué)家對(duì)兩個(gè)黑洞飛掠時(shí)產(chǎn)生的引力波，給出了具有里程碑意義的高精度預(yù)測(cè)。令人驚喜的是，在他們的結(jié)果中涉及了與卡拉比-丘流形相關(guān)的數(shù)學(xué)函數(shù)。卡拉比-丘流形是一種復(fù)雜的高維幾何結(jié)構(gòu)，它的出現(xiàn)意味著曾經(jīng)只屬于理論最前沿的抽象結(jié)構(gòu)，如今開(kāi)始在實(shí)際的天體物理問(wèn)題中發(fā)揮作用。

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撰文&設(shè)計(jì)：原理編輯部

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封面圖&首圖：Daniel Dominguez / CERN