1.輕子中的CP破壞 

 圖片來(lái)源：The T2K Collaboration

為什么我們會(huì)存在,？

這是個(gè)極其復(fù)雜的問(wèn)題

問(wèn)題的根源要追溯回約138億年前

在大爆炸后不久

理論上宇宙中的所有物質(zhì)與所有反物質(zhì)

應(yīng)當(dāng)全部湮滅化為能量

但這顯然沒(méi)有發(fā)生

否則也就不會(huì)有恒星,、行星和星系

更不會(huì)有生命，以及人類存在了

但究竟是什么使早期宇宙中的物質(zhì)和反物質(zhì)

出現(xiàn)了輕微的不對(duì)稱,？

物理學(xué)家認(rèn)為

其中一個(gè)重要的原因

與打破CP對(duì)稱性（或CP破壞）有關(guān)

這一對(duì)稱性告訴我們

在鏡像世界中

反粒子的行為與粒子一致

過(guò)去,，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)夸克和反夸克

并不遵循這一對(duì)稱性

但從未在輕子（電子或中微子）身上看到過(guò)

今年，T2K實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家通過(guò)測(cè)量中微子

報(bào)告了他們可能首次在輕子中發(fā)現(xiàn)了CP破壞的證據(jù)

其置信水平達(dá)到95%

未來(lái),，當(dāng)置信水平超過(guò)99.9999% 

物理學(xué)家就能最終確認(rèn)這一發(fā)現(xiàn)

我們正越來(lái)越接近揭開我們的存在之謎

 2.任意子的最佳證據(jù) 

 圖片來(lái)源：Manohar Kumar

中微子是非常神秘的基本粒子

物理學(xué)家在研究中微子的道路上

已經(jīng)作出了許多重要的發(fā)現(xiàn)

中微子屬于費(fèi)米子,，喜愛“獨(dú)處”

與之性格截然相反的一類粒子

是喜歡“聚集”的玻色子，比如膠子

除了這兩類粒子外

上個(gè)世紀(jì)八十年代初

物理學(xué)家預(yù)言在二維世界中

或許還存在著第三類粒子——任意子

任意子介于費(fèi)米子和玻色子之間

它們既不會(huì)完全避開對(duì)方

也不會(huì)完全聚集起來(lái)

它們攜帶的電荷可以是比單電子少的分?jǐn)?shù)

今年4月,，《科學(xué)》刊登的一項(xiàng)研究報(bào)道了

物理學(xué)家通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)二維的微型粒子對(duì)撞機(jī)

看到了介于費(fèi)米子和玻色子之間的聚集行為

首次在實(shí)驗(yàn)室中找到了任意子存在的直接證據(jù)

9月,，另一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在《自然》發(fā)表的新研究

發(fā)現(xiàn)了任意子存在的最有力證據(jù)

物理學(xué)家認(rèn)為任意子將對(duì)建造量子計(jì)算機(jī)有著重要意義

 3.九章實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán) 

 圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)

自量子計(jì)算機(jī)的概念提出以來(lái)

便吸引了許多人的關(guān)注

因?yàn)樵诮鉀Q一些特定任務(wù)時(shí)

其計(jì)算能力將遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī)

2012年，物理學(xué)家John Preskill

提出了“量子霸權(quán)”（或“量子計(jì)算優(yōu)越性”）一詞

它是指量子計(jì)算機(jī)超越最先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)的時(shí)刻

2019年,，谷歌宣布首次實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)

其量子計(jì)算原型機(jī)“懸鈴木”

是基于由超導(dǎo)材料構(gòu)成的53個(gè)量子比特研制而成的

今年,，潘建偉、陸朝陽(yáng)等科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)

成功構(gòu)建76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”

光子也屬于玻色子

九章在處理被稱為“高斯玻色取樣”任務(wù)的速度

比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬(wàn)億倍

作為對(duì)比

九章的計(jì)算速度等效地比懸鈴木快一百億倍

實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)的又一里程碑

 4.玻色-愛因斯坦凝聚 

 圖片來(lái)源：NASA

玻色子,、費(fèi)米子,、任意子

它們之所以不同是因?yàn)樗鼈兎牟煌慕y(tǒng)計(jì)

比如任意子服從的是分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)

而費(fèi)米子遵循的是費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)

玻色子則是遵循玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)

上個(gè)世紀(jì)二十年代，玻色和愛因斯坦

以玻色最初關(guān)于光子的統(tǒng)計(jì)力學(xué)研究為基礎(chǔ)

預(yù)言了當(dāng)玻色子原子在冷卻到接近絕對(duì)零度時(shí)

會(huì)呈現(xiàn)出所謂的玻色-愛因斯坦凝聚（BEC）

這也常被稱為第五種物質(zhì)狀態(tài)

1995年

物理學(xué)家首次在實(shí)驗(yàn)中制造了BEC

之后便成為了各個(gè)實(shí)驗(yàn)室的“?？汀?/span>

今年,，物理學(xué)家首次在國(guó)際空間站的失重環(huán)境下

制造出了玻色-愛因斯坦凝聚

為一系列高精度的測(cè)量提供了新的方法

 5.首個(gè)室溫超導(dǎo)體 

 圖片來(lái)源：J. Adam Fenster

除了玻色-愛因斯坦凝聚

當(dāng)溫度降低到接近絕對(duì)零度時(shí)

還會(huì)發(fā)生許許多多意想不到的事情

比如在一百多年前

物理學(xué)家昂內(nèi)斯在對(duì)水銀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

意外地發(fā)現(xiàn)當(dāng)水銀被冷卻到4.2開爾文時(shí)

其電阻會(huì)突然下降到零

這就是所謂的超導(dǎo)現(xiàn)象

絕大多數(shù)的材料只有在極低溫下

才會(huì)實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電性

例如“懸鈴木”的超導(dǎo)量子比特

就需要保持在非常低溫的條件下

這使超導(dǎo)的應(yīng)用也受到限制

為此，物理學(xué)家一直致力于尋找

在室溫下也能轉(zhuǎn)變成超導(dǎo)體的材料

經(jīng)過(guò)一百多年的搜尋

今年,，物理學(xué)家首次在富氫材料中

觀察到了室溫下（15℃）的超導(dǎo)現(xiàn)象

雖然新型超導(dǎo)材料只能在超高壓下才能運(yùn)作

但也將人們對(duì)室溫超導(dǎo)的期待再度推向新的高點(diǎn)

 6.聲速的理論極限 

 圖片來(lái)源：GDJ / Pixabay

理論上

金屬氫也是一種近室溫的超導(dǎo)體

今年一月份

物理學(xué)家通過(guò)“金剛石壓砧”的裝置

找到了能夠金屬氫存在的最有力證據(jù)

但物理學(xué)家還無(wú)法最終確認(rèn)金屬氫是否存在

根據(jù)計(jì)算表明,，在金屬氫中

聲音的傳播速度是最快的

可以達(dá)到35千米/秒

遠(yuǎn)比在任何材料中都快

今年，幾位物理學(xué)家

通過(guò)兩個(gè)基本常數(shù),，即

精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)和質(zhì)子-電子質(zhì)量比

預(yù)測(cè)聲波的傳播速度不能超過(guò)36千米/秒

這比在空氣中的聲速高出約106倍

這一理論上限得到了兩方面的支持

一是對(duì)金屬氫中聲速的計(jì)算

二是來(lái)自一系列固態(tài)材料中的聲速實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

此外,，物理學(xué)家在不久前

以迄今為止最高的的精確度

測(cè)量了精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)

 7.迄今為止測(cè)量到的最短時(shí)間 

 圖片來(lái)源：Sven Grundmann/Goethe University Frankfurt

聲音的傳播速度存在極限

光的傳播速度也存在極限

那么時(shí)間呢？

是否有“最短時(shí)間”的極限,？

根據(jù)已知的物理學(xué)定律

最小的時(shí)間尺度是普朗克時(shí)間

約為5.4×10???秒

這是人類現(xiàn)有的測(cè)量技術(shù)

還無(wú)法企及的時(shí)間尺度

今年,，物理學(xué)家測(cè)量了

一個(gè)光子穿過(guò)一個(gè)氫分子所需的時(shí)間

對(duì)分子的平均鍵長(zhǎng)而言

這一時(shí)間大約是247×10?21秒

這也是迄今為止成功測(cè)量的最短時(shí)間跨度

 8.從黑洞獲取能量 

 圖片來(lái)源：University of Glasgow

在另一項(xiàng)研究中

物理學(xué)家利用聲波驗(yàn)證了

今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主彭羅斯

在1969年的一個(gè)奇思妙想

一個(gè)旋轉(zhuǎn)黑洞的事件視界的周圍

會(huì)創(chuàng)造出一個(gè)叫做“能層”的區(qū)域

一個(gè)落入能層的物體

如果其中一部分分裂進(jìn)入黑洞

另一部分則逃逸

那么逃逸的那部分就會(huì)有效地獲取能量

1971年，物理學(xué)家澤爾多維奇

構(gòu)思了一個(gè)可以在地球?qū)崿F(xiàn)的實(shí)驗(yàn)

來(lái)檢驗(yàn)彭羅斯從旋轉(zhuǎn)黑洞提取能量的想法

澤爾多維奇認(rèn)為

如果有一個(gè)金屬圓柱體

以合適的速度旋轉(zhuǎn)

由于旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)這種特殊現(xiàn)象

“扭曲”的光波擊中圓柱體的表面

最終會(huì)被從圓柱體旋轉(zhuǎn)中獲得額外的能量反射

現(xiàn)在,，

格拉斯哥大學(xué)的研究人員終于找到了一種方法

他們通過(guò)扭曲聲波,，而不是光波

從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了這一50年前的理論

 9.核電共振的來(lái)臨 

 圖片來(lái)源：UNSW/Tony Melov

一個(gè)好的想法

能夠在提出之后的幾十年

得到驗(yàn)證

是件非常美妙的事

今年，還有另一個(gè)這樣的想法被驗(yàn)證了

回到1961年

因激光光譜學(xué)而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的

核磁共振先驅(qū)布倫柏根提出一個(gè)設(shè)想

他認(rèn)為我們或許可以僅僅利用電場(chǎng)（而非磁場(chǎng)）

就實(shí)現(xiàn)對(duì)單原子的原子核的控制

磁場(chǎng)的產(chǎn)生需要大線圈和大電流

它們的效應(yīng)范圍往往很廣

要把磁場(chǎng)限制在非常小的空間里是非常困難的操作

而電場(chǎng)可以在一個(gè)微小電極的尖端產(chǎn)生

它可以在遠(yuǎn)離電極尖端的位置急劇下降

這種特性使得利用電場(chǎng)

來(lái)控制納米電子設(shè)備中的單個(gè)原子變得容易得多

但布倫柏根的設(shè)想一直未得到實(shí)現(xiàn)

直到今年

一個(gè)工程師團(tuán)隊(duì)宣布他們意外地實(shí)現(xiàn)了這一壯舉

這一發(fā)現(xiàn)或?qū)?duì)量子計(jì)算機(jī)和傳感器的發(fā)展產(chǎn)生重大影響

 10. 鐵電向列相液晶的首次觀測(cè) 

 圖片來(lái)源：SMRC

回到更早的100多年前

當(dāng)時(shí)物理學(xué)家預(yù)言存在一種

非常有序的鐵電向列相液晶

在這種相中

液晶特定團(tuán)塊（或叫“疇”）內(nèi)的所有分子

都指向大致相同的方向

要么都向左,，要么都向右

這種現(xiàn)象被稱為極性排序

早在20世紀(jì)初

德拜和玻恩就提出如果正確地設(shè)計(jì)液晶

它的分子可以自發(fā)地進(jìn)入極性排序的狀態(tài)

經(jīng)歷了一個(gè)多世紀(jì)的尋找后

研究人員找到了一種液晶的“鐵電向列相”

打開了一扇通往新材料世界的大門

從新型顯示屏到全新概念的計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存器

它有望開啟大量的技術(shù)創(chuàng)新