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Physics Magazine：2023年度十大物理学重要事件

赛赛先生约 6 分钟

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导读：

   12月18日，美国物理学会旗下的Physics Magazine在Physics网站公布了其杂志编辑梳理的2023年度重要事件（Highlights of the Year），其中包括银河系中的巨型引力波、量子网络的中继器、高精度分子钟等重要进展，也包括物理学界的多元化和公平性等社会议题。

01 银河系在引力波之间冲浪
今年，物理学界首次探测到纳赫兹引力波存在的证据。这些巨大、超低频的波动在数年到数十年的周期上拉伸和压缩着时空。
四个独立的射电天文学项目——北美的NANOGrav、欧洲和印度的EPTA/InPTA、中国的脉冲星测时阵列、澳大利亚PPTA——合作完成并共同报道了这一重大发现。他们通过记录来自脉冲星的信号到达地球时间的细微变化来探测引力波。
关于纳赫兹引力波的由来，一个最合理的解释是：当两个星系合并时，它们各自中心的超大质量黑洞可能形成双黑洞系统，并在完成合并前相互绕行数千甚至数百万年。此类超大质量天体的运动会产生纳赫兹频率的引力波。当然，也不能排除暗物质或宇宙膨胀相关起源。

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计算机模拟得到的成对超大质量黑洞系统
02 透过中微子观察银河系
今年6月，冰立方中微子天文台（IceCube Neutrino Observatory）发布了首张银河系的中微子图像。图像由一系列蓝色、模糊、相连的斑点构成，与另外三种波长（无线电、光学和伽马射线）下的视图大致匹配。
Image银河系的四种视图。前三种视角来自不同频率的光波：无线电、光学和伽马射线。最后一个是中微子视角下的银河系。
冰立方能利用南极绝佳的透明冰川环境研究宇宙中微子，包括一些有史以来最高能的中微子。安装于寒冰深处的光学传感器检测中微子与冰中原子相互作用的信号。研究团队也正是基于这类信号绘制出了银河系图像。
03 协调量子力学与广义相对论
量子力学是最棒的物质理论，通过波动方程描述微观粒子的离散（量子化）行为。广义相对论是最好的引力理论，通过时空曲率描述大质量物体的连续（经典）运动。但这两个理论在时空的本质上似乎存在根本分歧：量子波动方程在固定的时空上定义的，广义相对论却说时空是动态的，因物质分布而弯曲。
过去70年来，基础物理学中最重要的问题之一就是协调、统一量子力学与广义相对论。这种统一有两种策略：要么将引力量子化，要么找到一种方法将量子物质引入经典引力框架。大多数努力都围绕前一种展开，不过尚无实验证实量子引力概念。后一种策略在今年取得突破性进展。
伦敦大学学院的乔纳森·奥本海姆（Jonathan Oppenheim）提出一种替代方案：将引力保留于经典理论，并通过概率机制将其与量子理论结合。这种做法过去被认为不可能，因为它会导致不一致。奥本海姆避开了这一问题，付出的代价则是必须将概率引入时空演化。未来的实验可通过探测量子引力来测试上述方案的可行性。
04 细胞传输信号所需的最小能量
通信将生物与非生物区别开来。生物体需要不断地与环境交换能量，也需要发送和接收信息。科学家会将能量与信息流（相互交织）的存在视为生命系统的定义特征。
今年，耶鲁大学的物理学家塞缪尔·布莱恩特（Samuel Bryant）和本杰明·马赫塔（Benjamin Machta）推导出了细胞利用电流、分子扩散和声波传输内部信号所需的最小能量。他们的计算表明，最有效的信号机制取决于几个因素，包括信号需要传播的距离——这符合人类日常交流经验：面对面交谈，声波即可传递信息；若远隔重洋，交流双方要靠电磁波了。
05 量子网络的中继器
量子技术的进展使量子通信网络成为可能。行业对此感到兴奋——若可做到远距离量子通信，就能实现经典网络无法实现的功能。量子网络在单光子水平上交换信号，因此光子损失是系统的主要误差源。
通过量子中继器作为中间网络节点，可以弥补光子损失；这些节点在相距甚远的网络节点之间创建直接的量子纠缠连接。奥地利因斯布鲁克大学的维克托·克鲁琴斯基（Victor Krutyanskiy）与同事实现了一种基于陷俘离子的量子中继器，并用该中继器将两个独立的长25公里的纠缠链路拼接成一个50公里长的连接。这个距离达到了现实世界量子网络的要求。

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量子中继器连接两个网络节点的示意图
06 白男与偏见
在今年3月举行的美国物理学会年会（APS March Meeting）上，大家围绕“建立公平的物理学界”这一主题进行了讨论。其中有一项关于白人直男（white, cisgender men）在维持物理学不平等方面所扮演角色的研究：

作者团队采访一组自认为进步且开明的人士，结果发现该群体中的白人直男表现出一致的不知情、不作为和不负责模式。

参与研究的梅丽莎·丹西（Melissa Dancy）表示：“与我们交谈的人似乎都真诚地希望世界公平。教育这类男性如何帮助别人，将改变物理学领域对歧视行为的认知。然后我们就能做出有意义的改变。”
07 物理学家能为人工智能做什么？
人工智能和机器学习对物理学的影响力越来越大了。一些应用程序借AI之力检索大量数据，提取有意义的物理见解。不过正如马里兰大学的桑卡尔·萨尔马（Sankar Das Sarma）所言，AI不仅可以成为执行常规任务的工具，还具有发现新概念和新理论、变革物理学的潜力。
萨尔马认为，物理学家不应该只是被动地使用人工智能/机器学习，还要努力理解它为何有效以及何时会失败。
“我们不仅应该问AI能为我们做什么，还应该问我们能为AI做什么。”
08 星球安全
研究太阳系混沌的科学家发现，行星在数百万年的时间尺度上会脱离轨道，并可能因此发生碰撞。不过我们的太阳系在十亿年的时间尺度上是稳定的。
今年，巴黎天文台的费德里科·莫加韦罗（Federico Mogavero）、黄南洪（Nam Hong Hoang）和雅克·拉斯卡（Jacques Laskar）揭示了可能阻止灾难性行星撞击的因素。他们确定了太阳系中受特定守恒定律（类似角动量守恒定律）约束的量；这些定律“引导”行星的混沌运动，因此轨道变化需很长时间才能发生。
09 分子时钟
计量时间的精度极限在哪里？基于陷俘原子的原子钟是当前的精度天花板，但我们也不应忽视分子钟的进展。
哥伦比亚大学的谭雅·泽莱文斯基（Tanya Zelevinsky）与同事利用锶分子（Sr2）构建得到迄今为止最精确的太赫兹振动分子钟，其计量精度达10-14级别。虽然不如锶原子钟那么精确，但它也足以满足特定物理学应用需求了。例如，研究人员可通过比较由不同锶同位素制成的锶分子钟的计量频率，来寻找假设的重力相关力（gravity-dependent forces）。

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运行分子钟需要多个激光器、镜子、棱镜和其他光学组件。
10 水波无痕
如果水波、光波或声波撞到理想中的完美吸收体上，它们既不会被反射，也不透射，而是被“吞噬”、消失。巴黎高等物理化工学院的数学物理学家艾格尼丝·莫瑞尔（Agnes Maurel）与同事构建了一条宽6厘米的神奇水道，能完美吸收沿水道传播的水波。水道侧方设计了所谓的谐振腔体，水波遇到谐振腔而产生的反射会刚好抵消水波本身。

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设计有谐振腔的完美吸波水道
研究团队相信，在海岸线附近部署此类设计，可以减少侵蚀，保护敏感结构。专家表示，这项新成果可用于降低堤坝的漫溢风险，也有望衍生出获取海浪能量的系统。Image
资料来源：
Highlights of the Year，https://physics.aps.org/articles/v16/213
本文中文编译版首发于微信公众号“世界科学”，《赛先生》获授权转载。
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