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2019.11.19
21世纪10年代，这十年是物理学史上一系列转折点。对于新知识而言是令人难以置信的十年，但更重要的是，这十年的发现改变了物理学家对各自领域的看法。粒子物理学和天体物理学已经进入新的时代，这将重塑研究人员从事科学的方式。基于量子力学框架的新技术可能标志着计算、材料科学和我们处理能源方式的重大转变。
IBM量子计算机
斯坦福大学粒子物理学和天体物理学副教授纳塔利娅·托罗（NataliaToro）对我们说：'感觉我们正处于范式转变之中。目前还不清楚我们要去哪里，但我认为，50年后，过去十年将成为我们对物理学认识重大转变的开始。'
这十年使科学家对大与小的理解方式发生了根本性的变化。也许最值得注意的是，在瑞士日内瓦，大型强子对撞机的科学家们发现了希格斯玻色子的证据，希格斯玻色子是粒子物理中心理论标准模型中描述的最后一个粒子。
粒子物理中心理论标准模型
在1964年之前，一些理论很好地描述了宇宙，但他们遇到一个问题：物理学家认为有质量的某些粒子应该是无质量的。然后，六位科学家（最著名的彼得·希格斯）发表了三篇论文来阐述这个问题，详细阐述了无质量'载力子”产生的机制，这种'载力子”称为规范玻色子，因此那些解释宇宙理论仍然有效，该机制需要另一个粒子的存在，称为希格斯玻色子。尽管进行了多次搜索，希格斯玻色子直到这十年才被发现。
欧洲核子研究中心的大型强子对撞机于2008年启用，这是有史以来规模最大的科学实验。2012年7月4日，世界各地的研究人员挤满了礼堂和演讲厅，聆听LHC研究人员最终宣布，他们的实验在两个建筑大小的探测器（称为ATLAS和CMS）中发现了希格斯的证据。许多人吹嘘标准模型预测的所有粒子都已经找到了，因此，模型是完整的。这是真的吗？
瑞士日内瓦郊区的欧洲核子研究中心最新“Linac4”线性加速器
费米国家加速器实验室的杰出科学家、欧洲核子研究中心CMS合作副发言人帕蒂·麦克布赖德对我们说：'说我们已经完成了标准模型，其实不是，大量的奥秘需要我们去探索。'事实上，宇宙中大约96%的东西，仍然无法用标准模型解释。
自2012年以来，大型强子对撞机一直非常安静。此后，对标准模型进行了大量有趣的测试，但在希格斯玻色子之后，没有发现新的粒子。物理学家希望欧洲核子研究中心能够发现其他粒子的证据，比如'超伴子'，这些粒子被预测同时解释为什么引力比其他力量弱得多（想想——地球所有的引力都无法阻止冰箱磁铁拾起回形针），并作为暗物质的真实身份，这种神秘的物质构成了宇宙的“脚手架”，但尚未被直接观察到。尽管仍有大量的大型强子对撞机（LHC）数据需要筛选，而且LHC将接受升级，以更高的碰撞率继续运行，但科学家们开始怀疑它们能否找到这些粒子的证据。
大型强子对撞机（LHC）
但是，缺乏发现也许有一天会被视为物理学史上的一个转折点。粒子物理学家已经开始以新的方式寻找粒子，例如使用高精度实验来测试各种标准模型预测，通过寻找与理论预测有统计学意义的小偏差，而不是高能的强力超级对撞机。它还鼓励理论家跳出框框思考，寻找诸如暗物质之类的新解释。
'将[粒子加速器]推向更高的能量正面临越来越多的技术挑战。'芝加哥大学天文学和天体物理学系教授，费米实验室粒子物理部门负责人乔希·弗里曼（JoshFrieman）告诉我们，'粒子物理学界已经意识到我们需要多种方法，这将是一个具有挑战性的问题。当您遇到一个具有挑战性的问题时，您希望利用工具箱中的所有工具，因为新的物理原理需要多种工具协调。'
粒子碰撞
这十年也对物理学产生了最大的变革。一个多世纪前，阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论预言，高能事件会发出扰动，以光速在时空中波动，称为引力波。长期以来，科学家们一直在寻找超新星或双星黑洞产生的引力波，这些黑洞相互绕行并相撞。波的间接证据首先开始出现，发现双脉冲星（一种旋转的中子星），称为PSR1913+16。几年后，科学家们意识到它的轨道周期正在减少，就像广义相对论预测这样的系统会因引力波的产生而失去能量一样。但是，尽管进行了其他搜索，直接证据未能实现。
美国LIGO引力波探测器
更多的观测结果随之而来，但更具有开创性的发现发生在2017年，当时探测器与意大利的Virgo引力波探测器相结合，在同一时刻，世界各地的望远镜发现一波来自天空中同一点的无线电、紫外线、红外和引力波。这种能量的爆发是两颗城市大小的中子星碰撞的结果。这一单一事件使科学家能够了解周期表中一些最重的元素的起源，并且有朝一日可能有助于结束物理学中关于宇宙膨胀加速的当今'危机'。
宇宙深空中两个黑洞发生碰撞
这种模式转变的发现是多信使天文学的标志，也就是说，在天文学中，科学家既使用光波又使用其他粒子或波的探测来观察信号源。望远镜最初只使用可见光，然后使用其他波长的电磁辐射（例如X射线或无线电波），现在互补的观测站可能包括来自太空的数据，这些数据来自中微子或引力波等粒子。
'这是'多信使'天文学的黄金时代，'哈佛大学科学史物理学教授彼得·加利森告诉我们。
黑洞领域以其他方式经历了一个分水岭，当时科学家操作着世界各地射电望远镜合作的事件地平线望远镜，将其对准M87星系中心65亿太阳质量的黑洞。这产生了世界上第一张黑洞的图像，或者更准确地说，黑洞投射在黑洞后面的物体上的阴影。尽管研究人员早就发现了这些弯曲光的证据（巨大的庞然大物扭曲时空，以至于光线无法逃脱它们的吸引力），但这次观察却对其中一个物体产生了最好的直接观察。科学家希望这一发现开启了黑洞科学的新纪元，并希望他们能够更好地理解超大质量黑洞从其中心喷出的巨大物质。
M87星系中心65亿太阳质量的黑洞
'（黑洞）可以形成宇宙尺度的现象，'加利森说，“我们看到这些物体发出的光只是自大爆炸以来的一小部分。它们就像是可见宇宙边缘的灯塔，向我们发出光芒。了解这些射流的起源，对于更好地把握这些射流的起源具有重要意义，因为可能这些射流中存形成星系的物质。”
也许这十年间，天体物理学和粒子物理学的无名英雄是越来越多地使用机器学习算法来分类庞大的数据集。如果没有机器学习，黑洞图像将不复存在。在这十年里，它在粒子物理学中的使用正在经历一个'转折点'。
这十年也开启了基于粒子物理学怪癖的技术新时代，比如量子计算机。麻省理工学院数学数学家彼得·肖尔（PeterShor）对我们说：'我认为，这十年绝对是量子计算机从科幻小说变成看起来将成为现实的十年。'
这些量子装置是由理查德·费曼在1981年提出的，它们旨在解决常规计算机无法使用奇怪的、被颠覆的原子概率数学，而不是常规逻辑的某些问题。具体来说，科学家希望有一天能模拟分子的行为，或者使用新的数学微调来运行某些复杂的算法。就好像这些机器只是通过翻转硬币生成概率分布，这些硬币可以通过能量脉冲在半空中轻推，与概率的常规规则不同，当您把这些'硬币'加在一起时，这些量子概率可能会带有负号，导致比常规翻转硬币的概率分布更复杂。
直到2007年，耶鲁大学的物理学家才发明了'transmonqubit'，Transmonqubit是一个合成词，在量子计算中用于以极低的电噪音来传输荷电量子位的超导体；一种相当于人造原子和量子计算的最小单元的超导导线。如今，IBM和谷歌都已开发了50多台量子位机器，它们开始显示出对经典计算机某些问题能力的提升。与此同时，其他公司也推出了基于激光器所持有的原子的类似尺寸的设备。为这些机器提供软件工具或硬件组件的初创公司的整个生态系统也有所增长。
但是物理学家们希望，他们可能会找到这些小而嘈杂的设备的用途，这些设备仍然在做一些有趣的事情，即使他们做得不好。早在2017年，加州理工学院物理学家约翰·普雷斯基尔（JohnPreskill）宣布，我们进入了一个量子计算的新时代，称为嘈杂中级量子技术（NISQ）时代。
这十年，科学家们还把量子力学的怪异性融入了新的传感技术中，中国科学家发射了一颗卫星（墨子卫星），该卫星利用量子力学的数学技术对中奥之间的视频通话进行加密。从量子到材料科学，研究人员可能已经创造了第一种在近室温下无电阻导电的材料——这是几十年来的又一发现。就在去年，科学家发现他们可以在两片石墨烯之间打开和关闭超导特性，而这一发现从那时起在二维系统中产生了大量的后续工作。
中国的墨子卫星
21世纪10年代对比20世纪初，可能不是物理学史上最好的时期，20世纪初产生了数十项新发现，其中许多完全颠覆了科学家在最大和最小尺度上对宇宙的思考方式。但不可否认的是，回顾这十年，历史学家将看到所有物理学的范式转变，包括新技术、实验方法和改变历史的进程的思维方式。