走进科学
2022年度物理学简评
新年伊始，詹姆斯·韦布太空望远镜展开了它的遮阳罩——就此陷入寒冷的阴影中，并打开它对红外宇宙的视野，让物理学的新一年(2022)有了一个良好的开端。
7 月 11 日，拜登总统公布了该望远镜的第一张公共图像——数千个在时空中相隔不同距离的星系的全景图。 从那时起，望远镜的数据就分发给了数百名天文学家和宇宙学家，发现和论文层出不穷。
天文学在各种各样的新数据中游弋。 例如，在 5 月，事件视界望远镜发布了银河系中心超大质量黑洞的第一张照片。其他望远镜正在绘制数百万个星系的位置图，这项工作最近得出了令人惊讶的证据，证明星系分布不对称。
凝聚态物理学的突破也在快速到来。9月发表的一项实验几乎证明了高温超导性的起源。这也是二维材料研究的目标。 今年，一种曾帮助润滑滑雪板的扁平晶体已经成为奇异的、可能有用的量子现象的强大平台。
寻找宇宙新基本成分的粒子物理学家就没那么幸运了。 他们继续揭开我们已知粒子的特征——包括质子的精确质量。但理论家几乎没有关于如何超越粒子物理学标准模型的具体线索，标准模型半个世纪以来一直是现代物理学之集大成者。不过，怀有希望是一种美德，标准模型中至少有一个可能的裂缝展露端倪。
非常重的玻色子
十年前，伊利诺伊州的 Tevatron 对撞机粉碎了最后一个质子，但操作人员一直在分析其检测到的 W 玻色子——介导弱力的粒子。 他们在 4 月份宣布，通过煞费苦心地追踪和消除数据中的错误来源，他们比以往任何时候都更精确地测量了 W 玻色子的质量，并发现该粒子比标准模型预测的要重得多。
与标准模型的差异将是一个巨大的发现，指向超出理论范围的新粒子或效应。但其他对 W 进行称重的实验——最著名的是在欧洲大型强子对撞机上进行的 ATLAS 实验——测得的质量更接近标准模型的预测。新的Tevatron测量声称更精确，但总有计算错误的可能。
ATLAS实验旨在解决这个问题。正如 ATLAS 成员 Guillaume Unal 所说，“大西洋两岸的 W 玻色子必须相同。”
重新思考自然
所有关于标准模型问题的微弱暗示了粒子物理学家自己所处的困境。已知存在的 17 种基本粒子——标准模型描述的粒子——并不能解开宇宙的所有谜团 . 然而，大型强子对撞机还没有出现第 18 次。
多年来，理论家们一直在为如何进行而苦苦思索。但最近，开辟了一个新的方向。 理论家们正在重新思考一个长期存在的假设，即自然性——一种推理自然法则中什么是自然的或预期的方法。这个想法与大自然的还原论、套娃结构密切相关，在这种结构中，大的东西用小的东西来解释。现在，理论家们想知道大型强子对撞机缺少新粒子发现等深刻的自然性问题是否可能意味着自然法则不是这样构成的。 在一系列新论文中，他们正在探索引力如何显着改变这幅图景。
“有些人称之为危机，”理论粒子物理学家Isabel Garcia Garcia说。但在她看来，这太悲观了：“现在是我觉得我们正在做一些意义深远的事情的时刻。”
二维物理解锁
成千上万的凝聚态物理学家研究石墨烯，这是一种由具有特殊性质的碳原子构成的晶体片。但最近出现了一个新的扁平晶体家族：过渡金属二硫化物或 TMD。 堆叠不同的 TMD 会产生具有不同量子特性和行为的定制材料。
这些材料近乎神奇的特性在很大程度上要归功于 Jie Shan 和 Kin Fai Mak，他们是在康奈尔大学共同经营实验室的已婚夫妇。
全息虫洞
11 月，物理学家宣布了一项史无前例的“芯片上的量子引力实验”，用加州理工学院团队负责人 Maria Spiropulu 的话说。 他们在谷歌的 Sycamore 量子计算机上运行了一个“虫洞传送协议”，操纵计算机中的量子信息流，使其在数学上等价于或对偶于，信息通过时空两点之间的虫洞传递。
需要明确的是，这是一种模拟或全息图——虽然不是我们习惯的那种——它与我们生活的真实的、正弯曲的 4D 时空具有不同的时空几何。实验的重点是 证明全息二元性，这是过去 25 年的一项重大理论发现，它指出某些粒子的量子系统可以解释为弯曲的、引力的时空连续体。 (时空可以粗略地认为是从低维量子系统中出现的全息图。)在未来几年更先进的量子计算机实验中，研究人员希望探索全息对偶性的机制，最终目标是——开发虫洞传送协议的哈佛大学的 Daniel Jafferis说——“我们宇宙中的引力是否可从一些量子 [位] 中出现，就像这个小婴儿一维虫洞是从 Sycamore 芯片中出现的一样”。
一些物理学家认为，与它所基于的理论模型相比，模拟过于简化，无法将全息图描述作为虫洞。许多人认为这项工作背后的物理学家，以及我们，报道它的记者，应该更好地强调这不是一个真正的虫洞。 确实，要在现实时空中开辟一个虫洞，需要负能量物质，而负能量物质似乎并不存在。
天体和宇宙学的时代
今年物理学界最重要的东西漂浮在一百万英里外，在太空中一个叫做拉格朗日点 2 的地方，它的遮阳罩可以同时阻挡地球、月球和太阳。 JWST 的图像让人心潮澎湃。它的数据已经在重塑我们对宇宙的理解。
JWST的一个关键专长是剖析穿系外行星的大气光谱。这揭示了大气层的构成，包括可能表明外星生物的“生物特征”气体的可能证据。
在天空中看到清晰的生物印记或许不太可能。尽管如此，一些天文学家在他们的整个职业生涯中都在等待搜索的开始。 丽莎·卡尔滕格 (Lisa Kaltenegger) 是康奈尔大学卡尔萨根研究所 (Carl Sagan Institute) 的主任，也是潜在宜居世界的计算机建模师之一，她的成年时间恰好是第一批系外行星被发现的时候。她加入了一群梦想家，开始思考如何找到地外生命。未来还会有更多。
https://www.quantamagazine.org/the-biggest-discoveries-in-physics-in-2022-20221222/