2022年,物理世界奇遇記

去年聖誕節,在經歷了不斷延期和嚴重預算超支後,韋布空間望遠鏡JWST)終於在萬眾矚目之下衝出天際。

在前往第二拉格朗日點的旅途中,JWST上的遮陽板、主鏡等部件逐漸順利展開。在最終開始進行觀測之前,沒有人敢掉以輕心,因為有344個關鍵步驟都可能出錯。而哪怕有一個地方出錯,都可能使望遠鏡的能力大受限制,甚至是導致任務失敗。

一年後的今天,科學家已經深切地感受到了所有的付出和等待都是值得的,因為JWST所展現出來的能力遠超預期。在不到半年的時間裡,JWST揭開了一幅幅令人驚歎的宇宙畫卷:‍

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JWST拍攝到了木星的環和極光,揭示了系外行星的大氣成分,看到了絢麗的「宇宙懸崖」,捕捉到了距離地球約2.9億光年之外的斯蒂芬五重星系……從我們的太陽系到恆星的誕生之地再到最遙遠的星系,JWST正為我們揭開宇宙的全新細節。然而,這一切才剛剛開始,我們期待著未來JWST在解開那些困惑已久的謎題的同時,也能為我們帶來完全意想不到的新發現。

除了JWST帶給我們的深深震撼之外,這一年,我們還見證了物理世界中的許多突破。

萬物是由什麼構成的?‍‍

自古希臘以來,我們就從未停止過追問,構成世間萬物的最基本單元究竟是什麼?直到上個世紀70年代,物理學家終於發現了一張基本粒子清單。這些粒子比原子更加基本,因為它們無法進一步被分割,比如電子和夸克。它們的屬性和相互作用由粒子物理學的標準模型所支配。

所支配

上世紀60年代,科學家預言了W玻色子的存在,但直到1983年它才被正式發現。擴展閱讀:《超重的粒子》

但這就是故事的全部嗎?並不是,比如理論上遍佈宇宙的暗物質粒子就不在這張清單上。因此,物理學家一直在尋找超越標準模型的實驗證據。除了直接去尋找那些預言中的全新粒子,物理學家還可以通過觀測已知粒子的一些異常現象來尋找蛛絲馬跡。‍‍‍

在標準模型中,W玻色子是被重點關注的對象。它是一種載力粒子,與Z玻色子一起負責傳遞自然界中的四種基本力之一——弱力。今年四月,在一項迄今為止對W玻色子進行的最精確測量中,研究人員發現它的質量比標準模型預測的要重得多!

如果這個結果進一步被證實,就意味著宇宙中存在著未被發現的全新粒子或基本力。‍

銀河系中心真的有一個黑洞嗎?

黑洞是宇宙中最簡單也最複雜的存在的。物理學家早已發現,當大質量恆星在死亡後會坍縮形成黑洞。

但更令人驚奇的是,天文觀測表明,在幾乎所有星系的中心都存在著一個形成機制尚未清晰的超大質量黑洞,我們的銀河系也不例外。通過追蹤繞銀心快速運行的恆星,天文學家推斷那裡有一個質量約為429.7萬倍太陽質量的超大質量黑洞。

如果距離地球約2.7萬光年的銀心確實有一個超大質量黑洞,那麼我們能夠看到它嗎?能,但我們需要有一臺可以跟地球大小媲美的望遠鏡。事件視界望遠鏡正是這樣一臺望遠鏡,它利用干涉測量法連接了遍佈全球的射電天文臺,創建了一個地球大小的虛擬望遠鏡。

今年五月,在經歷了多年艱辛的分析之後,事件視界望遠鏡合作組終於公佈了銀心超大質量黑洞——人馬座A*的圖像。這是人馬座A*的首個視覺證據,也是有史以來第二張超大質量黑洞的照片。

ALMA正在仰望銀河,以及位於銀心的人馬座A*。擴展閱讀:《銀河系中心的黑洞照片公佈》

我們能防禦小行星帶來的毀滅性撞擊嗎?

大約6600萬年前,一顆直徑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島,給地球留下了一道深深的疤痕。這次的撞擊,引發了一連串波及全球的事件,最終導致了著名的白堊紀-古近紀(K-Pg)滅絕事件。

今天,我們知道有大量的近地天體(包括小行星和彗星)正圍繞著太陽運行,並經常撞向地球。

NASA發現的近地小行星統計。(圖/The Conversation, source from NASA, JPL)

幸運的是,大多數的撞擊並不會引發太大的災難。但如果一個近地天體進入距離地球740萬千米的範圍內,並且直徑超過140米,那麼它就有可能造成極端的區域性破壞。如果天體的尺寸更大,那就有可能帶來更加毀滅性的影響。‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

因此,如何避免近地天體帶來毀滅性的撞擊一直是科學家關注的焦點。而其中一個方法便是以撞擊防止撞擊!

今年九月,在經過10個月的太空飛行後,雙小行星重定向測試(DART)成功撞擊了目標小行星「孿小星」,並徹底改變了孿小星的運動軌跡。有朝一日,這一防禦策略或許能夠拯救無數人的生命。

哈勃空間望遠鏡和它的繼任者韋布空間望遠鏡首次同時觀測同一個目標。在DART撞擊孿小星的幾小時後,它們同時對它進行了觀測。擴展閱讀:《一趟有去無回的任務》

宇宙中存在蟲洞嗎?

與黑洞一樣,蟲洞也由愛因斯坦廣義相對論預言的。1935年,愛因斯坦和他的助手羅森提出了一座能夠連接時空中兩個不同區域的橋——愛因斯坦-羅森橋。這座橋後來被惠勒命名為蟲洞。

在科幻作品中,我們或許會看到類似這樣的橋段:宇宙飛船穿越了蟲洞前往一個遙不可及的地方。然而在現實中,儘管廣義相對論允許蟲洞的存在,但我們從未在宇宙中觀測到過真實的蟲洞。‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

今年十一月,科學家在量子處理器「懸鈴木」創造了一個時空「蟲洞」。他們在量子計算機上用一種先進的量子隱形傳態協議打開了蟲洞,讓量子信號穿過它,創造出了一種「蟲洞隱形傳態協議」。

這當然不是一個真實的蟲洞,因為理論上,若我們想要打開一個蟲洞,就需要具有負能量密度和負壓的奇異物質,但這樣的物質似乎並不存在。

量子處理器中的可穿越蟲洞的示意圖。在實驗中,研究人員使用與量子隱形傳態相同的微觀機制傳輸一個量子比特,就像可穿越蟲洞一樣。擴展閱讀:《物理學家創造了一個蟲洞?》

我們離可控核聚變還有多遠?

核聚變是兩個輕原子核相互碰撞形成重原子核,釋放出巨大能量的過程。這種過程發生在熱核武器以及太陽等恆星中。

在能源領域,科學家想要獲得的是高度可控的核聚變,它有著無可比擬的優勢,比如清潔、低碳、低風險、低廢棄物、可持續等。

科學家已經通過各種不同的方式實現了核聚變反應,但從來沒有一個持續的聚變反應實現了「點火」——指的是當聚變反應所產生的能量等於或大於輸入能量的時刻。

為了實現聚變點火,NIF的鐳射能量在腔靶內轉換成X射線,然後壓縮燃料丸,直到它爆聚,產生高溫高壓等離子體。擴展閱讀:《核聚變8問》

今年十二月,可控核聚變迎來了一個里程碑式突破:一項實驗通過將2.05兆焦耳的鐳射聚焦到一個胡椒粒大小的聚變燃料丸上,產生了3.15兆焦耳的聚變能量輸出,成功實現了點火。這是研究人員奮鬥了數十年所追求的目標。‍

雖然這一突破並不代表我們已經解決了能源需求,但不可否認的事,這是一次偉大的成功,它標誌著我們向商業核聚變邁出了巨大一步。

更多的突破

除了以上提到的這些,這一年還有許多進展值得關注,比如:‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

  • 物理學家用超冷原子證明了神奇的阿哈羅諾夫-玻姆效應不僅適用於磁場,也適用於引力;

  • 物理學家首次通過實驗觀測確認了由四個中子構成的不帶電的核體系;

  • 物理學家在原子級尺度上直接視覺化了銅氧化物的超導性,揭示了高溫超導現象的機制;

  • MICROSCOPE衛星對弱等效原理進行了迄今為止最精確的檢驗;

  • 我國首顆綜合性太陽探測衛星」夸父一號「成功發射,並傳回了首批科學圖像;‍

……

粒子、蟲洞、核聚變……我們彷彿闖入了一個奇妙的世界。我們期待,明年將會看到更多精彩的故事。

#創作團隊:

撰文:原原

設計:雯雯

#圖片來源:

封面圖:新原理研究所

首圖:NASA, ESA, CSA, STScI

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