2022年，物理世界奇遇记
2022年，物理世界奇遇记Original 原原
原理 2022-12-25 04:31
Posted on 浙江
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去年圣诞节，在经历了不断延期和严重预算超支后，韦布空间望远镜（JWST）终于在万众瞩目之下冲出天际。
在前往第二拉格朗日点的旅途中，JWST上的遮阳板、主镜等部件逐渐顺利展开。在最终开始进行观测之前，没有人敢掉以轻心，因为有344个关键步骤都可能出错。而哪怕有一个地方出错，都可能使望远镜的能力大受限制，甚至是导致任务失败。
一年后的今天，科学家已经深切地感受到了所有的付出和等待都是值得的，因为JWST所展现出来的能力远超预期。在不到半年的时间里，JWST揭开了一幅幅令人惊叹的宇宙画卷：
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JWST拍摄到了木星的环和极光，揭示了系外行星的大气成分，看到了绚丽的“宇宙悬崖”，捕捉到了距离地球约2.9亿光年之外的斯蒂芬五重星系……从我们的太阳系到恒星的诞生之地再到最遥远的星系，JWST正为我们揭开宇宙的全新细节。然而，这一切才刚刚开始，我们期待着未来JWST在解开那些困惑已久的谜题的同时，也能为我们带来完全意想不到的新发现。
除了JWST带给我们的深深震撼之外，这一年，我们还见证了物理世界中的许多突破。
万物是由什么构成的？
自古希腊以来，我们就从未停止过追问，构成世间万物的最基本单元究竟是什么？直到上个世纪70年代，物理学家终于发现了一张基本粒子清单。这些粒子比原子更加基本，因为它们无法进一步被分割，比如电子和夸克。它们的属性和相互作用由粒子物理学的标准模型所支配。
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/tqOuxs8dsHO6zwjBDFUgjALI5UAZjWkQtcHz43Cs0aCOnOZDC2zrNCyNIO71boUp8p4fGh5eJ4J9C34ve3ug0w/640?wx_fmt=jpeg上世纪60年代，科学家预言了W玻色子的存在，但直到1983年它才被正式发现。扩展阅读：《超重的粒子》
但这就是故事的全部吗？并不是，比如理论上遍布宇宙的暗物质粒子就不在这张清单上。因此，物理学家一直在寻找超越标准模型的实验证据。除了直接去寻找那些预言中的全新粒子，物理学家还可以通过观测已知粒子的一些异常现象来寻找蛛丝马迹。
在标准模型中，W玻色子是被重点关注的对象。它是一种载力粒子，与Z玻色子一起负责传递自然界中的四种基本力之一——弱力。今年四月，在一项迄今为止对W玻色子进行的最精确测量中，研究人员发现它的质量比标准模型预测的要重得多！
如果这个结果进一步被证实，就意味着宇宙中存在着未被发现的全新粒子或基本力。
银河系中心真的有一个黑洞吗？
黑洞是宇宙中最简单也最复杂的存在的。物理学家早已发现，当大质量恒星在死亡后会坍缩形成黑洞。
但更令人惊奇的是，天文观测表明，在几乎所有星系的中心都存在着一个形成机制尚未清晰的超大质量黑洞，我们的银河系也不例外。通过追踪绕银心快速运行的恒星，天文学家推断那里有一个质量约为429.7万倍太阳质量的超大质量黑洞。
如果距离地球约2.7万光年的银心确实有一个超大质量黑洞，那么我们能够看到它吗？能，但我们需要有一台可以跟地球大小媲美的望远镜。事件视界望远镜正是这样一台望远镜，它利用干涉测量法连接了遍布全球的射电天文台，创建了一个地球大小的虚拟望远镜。
今年五月，在经历了多年艰辛的分析之后，事件视界望远镜合作组终于公布了银心超大质量黑洞——人马座A*的图像。这是人马座A*的首个视觉证据，也是有史以来第二张超大质量黑洞的照片。
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我们能防御小行星带来的毁灭性撞击吗？
大约6600万年前，一颗直径12千米的巨大小行星撞上了地球，落向如今的墨西哥尤卡坦半岛，给地球留下了一道深深的疤痕。这次的撞击，引发了一连串波及全球的事件，最终导致了著名的白垩纪-古近纪（K-Pg）灭绝事件。
今天，我们知道有大量的近地天体（包括小行星和彗星）正围绕着太阳运行，并经常撞向地球。
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_png/tqOuxs8dsHO0sajSjN42ZjfCciaFJvic43cKZk2Q3Oh6lIo52sExDOp74eHnJh903icrUE0364BMWqGb5gpP4KCDQ/640?wx_fmt=png&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1NASA发现的近地小行星统计。（图／The Conversation, source from NASA, JPL）
幸运的是，大多数的撞击并不会引发太大的灾难。但如果一个近地天体进入距离地球740万千米的范围内，并且直径超过140米，那么它就有可能造成极端的区域性破坏。如果天体的尺寸更大，那就有可能带来更加毁灭性的影响。
因此，如何避免近地天体带来毁灭性的撞击一直是科学家关注的焦点。而其中一个方法便是以撞击防止撞击！
今年九月，在经过10个月的太空飞行后，双小行星重定向测试（DART）成功撞击了目标小行星“孪小星”，并彻底改变了孪小星的运动轨迹。有朝一日，这一防御策略或许能够拯救无数人的生命。
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/tqOuxs8dsHNvVPVzuNuLVWxQpy7K1F0icrv8iamVbZHPwiaov0BYpsYdOTgZPAJxJk8TL123Y19xyxPgDEOa1IQIg/640?wx_fmt=jpeg哈勃空间望远镜和它的继任者韦布空间望远镜首次同时观测同一个目标。在DART撞击孪小星的几小时后，它们同时对它进行了观测。扩展阅读：《一趟有去无回的任务》
宇宙中存在虫洞吗？
与黑洞一样，虫洞也由爱因斯坦的广义相对论预言的。1935年，爱因斯坦和他的助手罗森提出了一座能够连接时空中两个不同区域的桥——爱因斯坦-罗森桥。这座桥后来被惠勒命名为虫洞。
在科幻作品中，我们或许会看到类似这样的桥段：宇宙飞船穿越了虫洞前往一个遥不可及的地方。然而在现实中，尽管广义相对论允许虫洞的存在，但我们从未在宇宙中观测到过真实的虫洞。
今年十一月，科学家在量子处理器“悬铃木”创造了一个时空“虫洞”。他们在量子计算机上用一种先进的量子隐形传态协议打开了虫洞，让量子信号穿过它，创造出了一种“虫洞隐形传态协议”。
这当然不是一个真实的虫洞，因为理论上，若我们想要打开一个虫洞，就需要具有负能量密度和负压的奇异物质，但这样的物质似乎并不存在。
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/tqOuxs8dsHNvVPVzuNuLVWxQpy7K1F0icJFxiclticTA3Hxl47tFIgH9HMcI7URwicc2kVmy4ZxLtEibShvN73nMf1A/640?wx_fmt=jpeg量子处理器中的可穿越虫洞的示意图。在实验中，研究人员使用与量子隐形传态相同的微观机制传输一个量子比特，就像可穿越虫洞一样。扩展阅读：《物理学家创造了一个虫洞？》
我们离可控核聚变还有多远？
核聚变是两个轻原子核相互碰撞形成重原子核，释放出巨大能量的过程。这种过程发生在热核武器以及太阳等恒星中。
在能源领域，科学家想要获得的是高度可控的核聚变，它有着无可比拟的优势，比如清洁、低碳、低风险、低废弃物、可持续等。
科学家已经通过各种不同的方式实现了核聚变反应，但从来没有一个持续的聚变反应实现了“点火”——指的是当聚变反应所产生的能量等于或大于输入能量的时刻。
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/tqOuxs8dsHNvVPVzuNuLVWxQpy7K1F0icnQDVjVks9ro14PYBxzBFfYTLLpVwacFhp3xfQibvEXdZIZIwziatIvCA/640?wx_fmt=jpeg为了实现聚变点火，NIF的激光能量在腔靶内转换成X射线，然后压缩燃料丸，直到它爆聚，产生高温高压等离子体。扩展阅读：《核聚变8问》
今年十二月，可控核聚变迎来了一个里程碑式突破：一项实验通过将2.05兆焦耳的激光聚焦到一个胡椒粒大小的聚变燃料丸上，产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出，成功实现了点火。这是研究人员奋斗了数十年所追求的目标。
虽然这一突破并不代表我们已经解决了能源需求，但不可否认的事，这是一次伟大的成功，它标志着我们向商业核聚变迈出了巨大一步。
更多的突破
除了以上提到的这些，这一年还有许多进展值得关注，比如：
[*]物理学家用超冷原子证明了神奇的阿哈罗诺夫-玻姆效应不仅适用于磁场，也适用于引力；
[*]物理学家首次通过实验观测确认了由四个中子构成的不带电的核体系；
[*]物理学家在原子级尺度上直接可视化了铜氧化物的超导性，揭示了高温超导现象的机制；
[*]MICROSCOPE卫星对弱等效原理进行了迄今为止最精确的检验；
[*]我国首颗综合性太阳探测卫星”夸父一号“成功发射，并传回了首批科学图像；
......
粒子、虫洞、核聚变......我们仿佛闯入了一个奇妙的世界。我们期待，明年将会看到更多精彩的故事。#创作团队：
撰文：原原设计：雯雯#图片来源：
封面图：新原理研究所首图：NASA, ESA, CSA, STScI
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