近年来（15 16 17年）物理学上的最大发现 成就等。最好有详细介绍 🙏
发布网友
发布时间：2022-04-24 08:44
共1个回答
热心网友
时间：2023-10-09 04:36
2015年2月26日，国际顶级科学期刊《自然》（Nature）以封面标题的形式发表了潘建伟、陆朝阳等人的文章《单个光子的多个自由度的量子*传态》（Quantum teleportation of multiple degrees of freedom of a single photon）。
简而言之，这项工作的新成果在于“多个自由度”，因为以前已经实现了单个自由度的量子*传态。
什么是量子？一个量如果存在最小的不可分割的基本单位，就像上台阶一样，只能上一个一个的台阶而不能上半个台阶，我们就说这个量是量子化的，把这个最小单位称为量子。我们日常所见的宏观世界似乎一切都是无限可分的，微观世界里却有很多物理量是量子化的，例如原子中电子的能量。所以准确描述微观世界的理论必然是量子化的，这种理论就是量子力学。宏观物质是由微观粒子组成的，所以对宏观世界的准确描述也必须是量子力学。中学里学的牛顿力学只是对宏观世界的近似描述，在作为量子力学对立面的意义上被称为经典力学。
什么是量子*传态？这是一种在1993年提出的方案，把粒子A的未知的量子态传输给远处的另一个粒子B，让B粒子的状态变成A粒子最初的状态。注意传的是状态而不是粒子，A、B的空间位置都没有变化，并不是把A粒子传到远处。当B获得这个状态时，A的状态必然改变，任何时刻都只能有一个粒子处于目标状态，所以并不能复制状态，或者说这是一种破坏性的复制。在宏观世界复制一本书或一个电脑文件是很容易的，在量子力学中却不能复制一个粒子的未知状态，这是量子与经典的一个本质区别。很多人听说量子力学中状态的变化是瞬时的，无论两个粒子相距多远，于是认为*传态的速度可以超过光速，推翻相对论。错了。*传态的方案中有一步是把一个重要的信息（可以理解为一个密钥）从A处传到B处，利用这个信息才能把B粒子的状态变成目标状态。这个信息需要用经典信道（例如打电话、发邮件）传送，速度不能超过光速，所以整个*传态的速度也不能超过光速。很多人把*传态当成科幻电影中的传送术，瞬间把人传到任意远处，然后还担心复制人和本尊的伦理问题，其实这些理解都是错误的。量子*传态是以不高于光速的速度、破坏性地把一个粒子的未知状态传输给另一个粒子。打个比方，用颜色表示状态，A粒子最初是红色的，通过*传态，我们可以让远处的B粒子变成红色，而A粒子同时变成了绿色。但是我们完全不需要知道A最初是什么颜色，无论A是什么颜色，这套方法都可以保证B变成A最初的颜色，同时A的颜色改变。
量子*传态是在什么时候实现的？是1997年，当时潘建伟在奥地利维也纳大学的塞林格（Zeilinger）教授组里读博士，他们在《自然》上发表了一篇题为《实验量子*传态》（“Experimental quantum teleportation”）的文章，潘建伟是第二作者。这篇文章后来入选了《自然》杂志的“百年物理学21篇经典论文”，跟它并列的论文包括伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论、沃森和克里克发现DNA双螺旋结构等等。
什么是自由度？自由度就是描述一个体系所需的变量的数目。例如一个静止在一条线上的粒子，描述它只需要一个数，自由度就是1。静止在一个面上的粒子，自由度就是2。三维空间中的静止粒子，自由度就是3。描述三维空间中一个运动的粒子，需要知道位置的3个分量和动量的3个分量，自由度是6。光子具有自旋角动量和轨道角动量，如果你看不懂这两个词，没关系，只要明白它们是两个自由度就够了。在1997年的实验中，传的只是自旋。此后各种体系的各种自由度都被传输过，但每次实验都只能传输一个自由度。
传输一个自由度固然很厉害，但是只具有演示价值。*传态要实用，就必须传输多个自由度。这在理论上是完全可以实现的。打个比方，现在用颜色和形状来表示状态，A粒子最初是红色的正方体，我们可以让B粒子变成红色的正方体，同时A变成绿色的球体。这个扩展看似显而易见，但跟传输一个自由度相比，有极大的困难。*传态实验一般需要一个传输的“量子通道”，这个通道是由多个粒子组成的，这些粒子纠缠在一起，使得一个粒子状态的改变立刻就会造成其他粒子状态的改变。用物理学术语说，这些粒子处于“纠缠态”。制备多粒子的纠缠态已经是一个很困难的任务了，而要传输多个自由度，就需要制备多粒子的多个自由度的“超纠缠态”，更加令人望而生畏。潘建伟研究组就是攻破了这个难关，搭建了6光子的自旋-轨道角动量纠缠实验平台，才实现了自旋和轨道角动量的同时传输。
用《道德经》的话说：“道生一，一生二，二生三，三生万物。”1997年实现了道生一，那时潘建伟还是博士生。2015年实现了一生二，这时他已经是量子信息的国际领导者。从传输一个自由度到传输两个自由度，走了18年之久，这中间有无数的奇思妙想、艰苦奋斗，是人类智慧与精神的伟大赞歌。
下面我们来看其余九大突破。再次强调，排名不分先后，九名并列亚军。每一项工作都是科学家们的卓越成就，值得我们热烈鼓掌。基本内容是我对上引欧洲物理学会新闻的翻译，有些地方加上我的注释。
首次测量到单电子的同步辐射。奖给8号项目（Project 8）协作组（注释：8号项目的两位发言人来自美国的麻省理工大学和加州大学圣塔芭芭拉分校），他们测量到氪-83的β衰变中发射出的单个电子的同步辐射。辐射是在电子通过磁场时发出的，使得团队可以对粒子被发射时的能量作出非常精确的测量。8号项目正在努力提高测量精度，以用于计算物理学中最难以捉摸的量之一——电子型反中微子的质量，这些电子型反中微子也是在β衰变中发射出的。注释：根据相对论，能量等于质量乘以光速的平方。因此如果精确地知道一个核反应前后那些能观测到的粒子的能量，两者相减就得到那些观测不到的粒子（在这里是电子型反中微子）带走的能量，也就知道了这些粒子的质量。因为中微子的质量非常微小，接近于零，所以这个实验需要极高的精度，才能得出有意义的结果。
终于发现了外尔费米子。奖给普林斯顿大学的Zahid Hasan、麻省理工大学的Marin Soljačić以及中国科学院（注释：物理研究所）的方忠与翁红明，为他们关于外尔费米子的先驱性工作。这些无质量的粒子是德国数学家赫尔曼·外尔（Hermann Weyl）在1929年预言的。Hasan和方忠、翁红明领导的团队各自地在准金属砷化钽（TaAs）中发现了一种准粒子的指示性证据，这种准粒子表现得就像外尔费米子。Soljačić和同事们在一种非常不同的材料中发现了存在外尔玻色子的证据，——一种“双gyroid”（注释：gyroid是一种无穷连接的三重周期性最小面，参见https://en.wikipedia.org/wiki/Gyroid）的光子晶体。外尔费米子的无质量特性意味着它们可能被用于高速电子学，此外由于它们面对散射时受到拓扑保护，对量子计算机可能也有用处。注释：对外尔费米子的一个介绍，可以见中科院物理所戴希研究员的博客《外尔半金属的故事》，他和方忠用理论计算预测了在TaAs中发现外尔费米子的可能性。现在发现的外尔费米子不是真实的粒子，而是一种真实粒子的集体运动模式，即准粒子，这是凝聚态物理中特有的现象。外尔最初是在粒子物理领域预言这种粒子的，寻找它花了86年，最终却是在凝聚态物理领域找到了这种粒子。在凝聚态物理中实现粒子物理的理论，是当代物理学一种普遍而有趣的思路。
2016年物理学将会发生一些重大的科学事件，其中粒子物理学、天文学和宇宙学似乎提前规划好了。来自欧洲核子研究中心总干事法比奥拉的观点，明年大型强子对撞机会继续在13 TeV能量上对撞质子，预计会有一个新的发现，是后上帝粒子时代的产物。但是强子对撞机可能还无法达到14TeV能量，科学家正在不断进行尝试，欧洲核子研究中心的ATLAS和CMS实验已经暗示超对称粒子存在的可能性，它们位于更高对撞能量中。2016年科学领域取得了许多令人瞩目的成就，包括有“时空涟漪”之称的引力波被发现、可以发射有效载荷至轨道并安全返回的火箭等。但2017年更令人充满期待，人类有望找到“信息宝库”，包括卡西尼号探测器通过土星大气层、新的物理学粒子被发现、预防痴呆症的更好方式等。与此同时，2017年也有许多令科学家们感到害怕的前景。
2017年科学展望
1.利物浦大学物理学教授塔拉·希尔斯（Tara Shears）
2016年，欧洲大型强子对撞机完成技术升级并重新启动，相比以前拥有了更加强大的能级和强度，获得了海量高能数据。我期盼着强子对撞机的粒子对撞数据中出现新的发现，那必定是非常有趣的。通过对这些数据进行分析，你觉得宇宙正慢慢成为焦点，你很快就能看到更多粒子被发现。
2.伦敦大学学院精神病学讲师克劳迪亚·库珀（Claudia Cooper）
随着我们越来越多地发现可增加老年痴呆症危险的因素，较少正规教育、不良饮食、糖尿病、缺少活动、听力损失等，我们有可能延缓甚至预防老年痴呆症。在精神上、社交方面以及心理上帮助人们保持活跃，吃更健康的饮食和好好照顾自己的身体，都可以减缓认知衰退的速度。2017年，相关研究有望取得更多发现，以支持人们抵抗痴呆症的侵袭。
3.朴茨茅斯大学天文学和天体物理学讲师凯伦·马斯特斯（Karen Masters）
我非常期待下一轮引力波试验的结果。2016年人类首次直接探测到引力波，这让我感到非常激动，我甚至因此专门买下带有引力波图案的裙子以示庆祝。首次发现引力波不仅证明了引力理论的正确性，同时也是对那些建造惊人探测器的人的巨大鼓舞。更重要的是，作为天文学家，我发现物体探测非常迷人。黑洞碰撞的质量令人感到惊讶，它竟然能够发出如此清晰的信号，并且在试验初期就被发现。是幸运，亦或是这种信号普遍存在？我很激动，希望2017年能够看到宇宙中更多的黑洞碰撞事件，我们将利用这些新的方式来了解宇宙。
