这十年不仅标志着物理学史上的一个转折点，而且是一系列转折点。
21世纪10年代，对于新知识来说是一个不可思议的十年，但更重要的是，这十年的发现和其中巨大的缺乏改变了物理学家在各自领域的思考方式。粒子物理学和天体物理学已经进入了一个新的时代，这将重塑研究人员进行科学研究的方式。基于量子力学框架的新技术可能标志着计算、材料科学以及能量处理方式的重大转变。
计算机模拟显示由两个黑洞的碰撞而产生了引力波。
“感觉我们正处在一个典范性转变的中间，”斯坦福大学粒子物理学和天体物理学副教授Natalia Toro告诉天文在线， “目前还不清楚我们将走向何方，但我认为，从现在开始的50年里，过去的10年将被视为我们对物理学的理解发生重大转变的开始。”
寻找最小的物质
这十年里，科学家们对大小的理解发生了根本性转变，也许最值得注意的是，科学家在位于瑞士日内瓦的大型强子对撞机（一个17英里的圆形粒子加速器和对撞机）中发现了希格斯玻色子的存在，这是粒子物理学中心理论所描述的最后一个粒子，称为标准模型。
在1964年之前，一些理论很好地描述了宇宙，但他们有一个问题:他们预测某些物理学家已经知道有质量的粒子应该是无质量的。六名科学家(最著名的是彼得·希格斯)发表了三篇论文来解决这个问题，详细阐述了一种机制，即质量可以在被称为“计量玻色子”的带力粒子中出现，这样那些解释宇宙的理论就仍然有效。这种机制需要另一种粒子的存在，即希格斯玻色子。尽管进行了许多研究，希格斯玻色子直到这十年才被发现。
欧洲粒子物理研究中心的大型强子对撞机于2008年启用，这是迄今为止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讲堂，聆听大型强子对撞机的研究人员最终宣布，他们在两个实验建筑大小的探测器——ATLAS和CMS中发现了希格斯玻色子的存在。许多人吹捧说，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……是这样吗？
“说标准模型的完成意味着我们已经完成了，” Fermi国家加速器实验室的杰出科学家、欧洲粒子物理研究中心CMS合作副发言人Patty McBride告诉天文在线。“不是的。”还有大量的谜团，事实上，宇宙中大约96%的物质，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安静得出奇。此后，测试标准模型的有趣结果层出不穷，但在希格斯玻色子之后，再没有发现新的粒子。物理学家希望欧洲粒子物理研究所能发现其他粒子的证据，比如超级粒子。据预测，这些粒子可以同时解释为什么引力比其他力弱得多(想想看，所有的地球引力都不能阻止电冰箱磁铁吸起回形针)以及作为暗物质的真实身份,这些神秘的物质似乎构成宇宙的框架,但还没有被直接观测到。尽管仍有大量的大型强子对撞机数据需要筛选——大型强子对撞机也将升级以保持更高的碰撞率运行——科学家们开始怀疑他们是否能找到这些粒子的迹象。
但终有一天，这一发现的缺失可能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，比如通过高精度的实验来测试各种标准模型的预测，通过寻找微小但与理论预测有统计学意义的显著偏差，，而不是寻找高能的强力超级对撞机。这也鼓励了理论学家跳出固有的思维模式，为暗物质等事物寻找新的解释。
芝加哥大学天文和天体物理系教授Josh Frieman告诉天文在线:“将(粒子加速器)推到更高的能量去寻找新粒子在技术上越来越具有挑战性。”“粒子物理学界已经意识到我们需要多样化的方法……这将是一个极具挑战性的问题。当你遇到一个有挑战性的问题时，你会想要利用你工具箱里的所有工具，因为新物理学有点含糊其辞。”
时空本身的波动
这十年也在最大规模上革新了物理学。一个世纪前，爱因斯坦的广义相对论预言，高能事件会产生以光速穿过时空的扰动，这种扰动被称为引力波。科学家们长期以来一直在寻找超新星或双星黑洞相互环绕并碰撞产生的引力波。波的间接证据最早出现在被称为PSR 1913+16的双星脉冲星(一种旋转的中子星)的发现。几年后，科学家们意识到它的轨道周期正在以广义相对论所预测的那样精确地缩短，这一系统将因引力波的产生而失去能量。尽管进行了其他研究，但没有发现直接证据。
也就是说，直到这十年。2015年9月14日，美国东部时间凌晨5:51，两个L形设施，每一个都由一对1英里长的隧道组成，并以直角相遇，一个在华盛顿州，另一个在路易斯安那州，记录下它们的激光在探测器上相互移相和失相。这些摆动是由两个质量分别为太阳质量29倍和36倍的黑洞造成的，它们相互缠绕，然后合并，在13亿光年之外，向地球传播它们的引力波。
随后进行了更多的观测，但也许更具开创性的发现发生在2017年，当时这些探测器，现在与意大利类似的处女座实验相结合，测量了引力波，世界各地的望远镜同时发现了来自天空中同一点的无线电、紫外线、红外和光学辐射。这种能量的爆发是两颗中子星碰撞的结果，它们是城市大小般的恒星尸体。这一事件让科学家们了解到一些周期表中最重元素的起源，也许有一天会有助于解决当今物理学中关于宇宙加速速度的“危机”。这一范式转变的发现是多要素天文学的一个标志——即科学家在天文学中使用光波、其他粒子或波的探测来观察一个光源。望远镜最初只是使用可见光，然后是其他波长的电磁辐射，如x射线或无线电波，现在互补的天文台可能包括来自空间的数据，这些数据来自中微子或引力波等粒子。
“这是多元化天文学的黄金时代。”哈佛大学科学史物理学教授Peter Galison告诉天文在线。
黑洞领域以其他方式经历了一个分水岭时刻，当时，由世界各地射电望远镜合作运营的“活动视界望远镜”（Event Horizon Telescope）的科学家们联合起来，将望远镜对准了位于星系M87中心的65亿个太阳质量黑洞。这产生了世界上第一个黑洞的图像，或者更准确地说，是一个黑洞在其背后投射的阴影。尽管研究人员早就看到了这些弯曲光线的物体的证据——巨大的庞然大物扭曲了时空，以至于光线无法逃脱它们的引力——但这一观测结果产生了对其中一个物体最好的直接视角。科学家们希望这一发现开启了黑洞科学的新时代，并希望他们能更好地理解超大质量黑洞从其中心喷出的巨大物质射流。
“(黑洞)可以影响宇宙尺度的现象，”Galison说。“我们看到这些物体在大爆炸后的一小段时间内发出光。它们就像可见宇宙边缘的灯塔，向我们闪烁着它们的光芒。了解这些射流的起源对于更好地把握......可能影响星系中物质分布的物体具有重要意义。”
现实世界的物理学
这十年来，在天体物理学和粒子物理学领域，人们越来越多地使用机器学习算法来对庞大的数据集进行分类。如果没有机器学习，黑洞图像是不可能存在的——这十年，它在粒子物理学中的应用正在经历一个“转折点”，Toro告诉天文在线。
这十年也开启了一个基于粒子物理学的技术新时代，如量子计算机。麻省理工学院数学家彼得·肖尔在接受《天文在线》采访时表示:“我认为，这十年绝对是量子计算机从科幻小说变成现实的十年。”
这些量子器件是由理查德·费曼在1981年提出的。它们的目的是解决某些普通计算机无法使用原子的古怪的、被颠覆的概率数学的问题，而不是常规逻辑可以解决的。具体来说，科学家们希望有一天他们能够模拟分子的行为，或者使用新的数学调整来运行某些复杂的算法。基本上，就好像这些机器只是通过翻转硬币来产生概率分布，这些硬币可以在半空中被能量脉冲推动，而且与概率的规则不同，当你把“硬币”加在一起时，这些量子概率可能会有负号，导致其比普通硬币具有更复杂的概率分布。
直到2007年，耶鲁大学的物理学家才发明了“转体量子位元”，这是一种由超导导线构成的回路，充当人造原子和量子计算的最小单位。今天，IBM和谷歌都开发了50多台量子位机器，这些机器在处理某些问题时的速度开始超过传统计算机。与此同时，其他公司也推出了基于激光固定原子的类似大小的设备。为这些机器提供软件工具或硬件组件的初创公司的整个系统也得到发展。
可能要几十年后，这些机器才能提供超越传统的计算机的优势，除了花式随机数发生器。在它们因为外界的振动或辐射而失去原有的质量之前，很难控制它们。它们可能仍然会产生错误的结果——例如，二进制字符串中的一个0应该输出一个1个字符。研究人员现在正致力于实现误差校正，将多个量子位元结合在一起，创造一个不易出错的“逻辑”量子位元。一个物理学家梦寐以求的真正“容错”的通用量子计算机可能需要数百万个量子位元来实现其全部潜力。
但是物理学家们希望他们能发现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，即使它们做得不好。早在2017年，加州理工学院的物理学家John Preskill就宣布，我们已经进入了一个量子计算的新时代，这个新时代被称为嘈杂的中等规模量子技术(NISQ)时代。
这十年，科学家们还将量子力学的奇异之处融入到新的传感技术中，中国科学家发射了一颗卫星，利用量子力学的数学原理加密了中国和奥地利之间的视频通话。超越量子科学进入材料科学，研究人员可能已经创造出第一种在近室温下无电阻导电的材料——这是另一项酝酿了几十年的发现。就在去年，科学家们发现，他们可以在两层石墨烯中打开或关闭超导性，只需稍微改变一下，这一发现从此引发了二维体系的后续研究热潮。
作者: Ryan F. Mandelbaum
FY: 沐可
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选文：天文志愿文章组-
翻译：天文志愿文章组-沐可
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排版：天文志愿文章组-零度星系
美观：天文志愿文章组-
参考资料
1.WJ百科全书
2.天文学名词
3.原文来自：https://gizmodo.com/how-the-2010s-changed-physics-forever-1839677834
本文由天文志愿文章组-沐可翻译自Ryan F. Mandelbaum的作品，如有相关内容侵权，请于三十日以内联系运营者删除。
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