2025年，十大物理學(xué)突破

2025年，物理學(xué)的多個前沿領(lǐng)域迎來了令人矚目的突破。從微觀粒子的精密測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，物理學(xué)家們不斷刷新我們對自然界的認(rèn)知。在這里，我們挑選了今年物理學(xué)的十個重要突破，它們有的提出了新的問題，有的為未來的探索開辟了道路。

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，比如它沒有解釋什么是暗物質(zhì)，也沒有解釋等級問題。

在過去的20多年，實驗發(fā)現(xiàn)繆子的反常磁矩（g-2）偏離了理論預(yù)測，因此被視為超越標(biāo)準(zhǔn)模型的潛在線索。如果這個結(jié)論被證實，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實驗合作組發(fā)布了最終的實驗結(jié)果，同時理論物理學(xué)家也給出了基于格點量子色動力學(xué)計算出的新理論值。結(jié)果顯示，實驗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)志著實驗與理論精度的雙重飛躍，是對標(biāo)準(zhǔn)模型的一次極其嚴(yán)格的檢驗。

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)它們相遇時會全部湮滅，只留下能量。但這顯然沒有發(fā)生，否則我們今天也不會看見恒星、行星，甚至是生命了。

是什么導(dǎo)致了物質(zhì)和反物質(zhì)之間的輕微不對稱性，使今天我們觀測到的可觀測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，如果宇宙滿足幾個條件那么就有可能演化出一個由物質(zhì)主導(dǎo)的世界，其中一個條件是電荷共軛-宇稱（CP）對稱性必須被打破。電荷共軛（C）能讓正反電荷互換，將一個粒子轉(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；對物質(zhì)實施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，首次明確觀測到了重子衰變中的CP破壞。雖然還無法解釋物質(zhì)和反物質(zhì)不對稱性的謎團，但這一里程碑發(fā)現(xiàn)為從理論和實驗層面研究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)？這個謎團，還可以通過極其精確地比較物質(zhì)與反物質(zhì)粒子的屬性來加以探究。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重大謎團帶來線索。

今年，BASE團隊宣布，他們實現(xiàn)了對反質(zhì)子自旋的首個相干光譜測量，并保持了長達50秒的自旋相干時間。這也標(biāo)志著首個反物質(zhì)量子比特的實現(xiàn)。不過，由反物質(zhì)量子比特構(gòu)成的量子計算機距離現(xiàn)實仍然非常遙遠，其建造難度也將遠高于已經(jīng)極具挑戰(zhàn)性的普通物質(zhì)量子計算機。

但新的成果為在高精度實驗中將完整的相干光譜學(xué)方法應(yīng)用于單個物質(zhì)或反物質(zhì)粒子奠定了基礎(chǔ)，并且將幫助BASE在未來的實驗中以至少10倍的精度測量反質(zhì)子的磁矩，從而徹底改變對反物質(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)以萬億計的中微子穿過我們的身體而不留下任何痕跡，這是因為它們幾乎不與物質(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，它們在傳播的過程中可以相互轉(zhuǎn)化或振蕩。然而，以往的一些實驗觀測到了無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)為只通過引力與其他粒子發(fā)生相互作用。

KATRIN和MicroBooNE是兩個尋找惰性中微子的著名實驗，今年，兩個實驗團隊均宣布未發(fā)現(xiàn)惰性中微子的證據(jù)。這一“負(fù)結(jié)果”并非失敗，而是更好地為未來的中微子實驗指明了方向。

大型強子對撞機中的“鉛變金”

把鉛變成金，這是十七世紀(jì)煉金術(shù)士最大的夢想。鉛原子核里有82個質(zhì)子，而金是79個，兩者差了整整3個質(zhì)子。因此用任何化學(xué)方法都無法讓它們互相轉(zhuǎn)化。但是，大型強子對撞機的物理學(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撞，但是在大多數(shù)時候，這些離子并不會正面碰撞，而是“擦肩而過”。當(dāng)這種“擦肩而過”發(fā)生時，一個鉛離子周圍的強電磁場會產(chǎn)生能量脈沖，激發(fā)另一個鉛原子核噴射出3個質(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)大型強子對撞機ALICE團隊的估算，在2015到2018年間，共制造了約860億個金原子核。聽起來很多，但它們的總質(zhì)量僅約為29皮克。而且，制造出來的金原子核存在時間極其短暫。雖然無法帶來財富，甚至要付出高昂的代價，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

在量子計算機中，計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)。這種特性使量子計算機在某些特定問題上能夠遠比經(jīng)典計算機高效。但問題是：量子比特極其脆弱。

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

今年，陸朝陽及其合作者開發(fā)了一種基于人工智能的實時優(yōu)化模型，能夠高效計算光鑷的最優(yōu)控制方案，從而實現(xiàn)原子陣列的整體重排。作為展示，研究人員利用549個銣原子制作了一段薛定諤貓動畫。該方法同時具有良好的可擴展性，目前系統(tǒng)已驗證可操控多達2024個原子，并有望進一步擴展至更大規(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成的量子體系進行實時、精密的操控。

氫分子超流性被證實

在接近絕對零度的低溫下，某些流體會進入一種零黏度狀態(tài)，表現(xiàn)出毫無無阻力、無摩擦地流動的能力。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，但是要驗證這一點極其困難。理論預(yù)測，氫分子會在1~2K的溫度下轉(zhuǎn)變成超流體，但氫在低于13.8K時就會凝固。

為了打破這一困境，一個國際研究團隊設(shè)計一種創(chuàng)新的“納米超冷實驗室”：他們將由少量氫分子構(gòu)成的團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，他們向氫團簇中嵌入一個甲烷分子，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)氫團簇中觀測到了甲烷的清晰光譜，從而確認(rèn)了周圍的氫分子表現(xiàn)出無摩擦的量子流動行為。這不僅驗證了金茨堡提出的長期預(yù)測，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，其物理性質(zhì)會發(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，因為原子往往會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，張廣宇團隊報道了一種利用臺式液壓機將金屬壓縮至原子級厚度的方法。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)晶體過熱時，存在一個臨界點，在這個點上，晶體的熵與其液態(tài)對應(yīng)物的熵相等。這個臨界點被認(rèn)為是固體穩(wěn)定性的極限，通常出現(xiàn)在熔點的三倍左右的溫度。一旦超過這個臨界溫度，固體將自發(fā)融化，否則就違反了熱力學(xué)第二定律。

然而，在一項實驗中，研究人員使用一束持續(xù)時間僅45飛秒的高能、高聚焦激光脈沖，對一個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)萬億分之一秒內(nèi)，激光能將金的溫度提升至金熔點的14倍以上，而金仍保持固體晶體結(jié)構(gòu)。

那么，這個實驗結(jié)果是否違反了熱力學(xué)第二定律？并沒有。這是因為金樣品是在極短時間內(nèi)被加熱到如此高的溫度，所以金原子幾乎沒有時間運動并變得無序，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，過熱的上限可能比之前的理論預(yù)測要高得多，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

自2015年首次直接探測到引力波以來，科學(xué)家們已經(jīng)記錄了近300起引力波事件，它們有的來自雙黑洞的并合，有的來自雙中子星的并合，還有的則來自黑洞吞噬中子星的劇烈過程。對于這類事件，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器的靈敏度顯著提升，它們還可能探測到源自于“擦肩而過”的事件，比如兩個黑洞互相靠近但沒有并合，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，對應(yīng)的理論預(yù)測模型也更復(fù)雜。

今年，物理學(xué)家對兩個黑洞飛掠時產(chǎn)生的引力波，給出了具有里程碑意義的高精度預(yù)測。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)，如今開始在實際的天體物理問題中發(fā)揮作用。

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撰文&設(shè)計：原理編輯部

#圖片來源：

封面圖&首圖：Daniel Dominguez / CERN

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