人们常常把21世纪称作生物学的世纪，或者人工智能的世纪，而物理似乎已经是上个世纪的遗物了，似乎未来不会再有新发现了。

事实真的如此吗？

当然不，近年来宇宙学的发展，科学家可以几乎肯定地说，宇宙的95%“凭空消失”了。它们被称为暗物质和暗能量，掩盖在一层神秘面纱中。面纱背后，便是未知的新物理了。

直至今天，也没有一个物理学家敢断言我们对宇宙的物理知识接近于完成。相反，每个新的发现似乎都打开了一个更大的物理问题潘多拉魔盒，比如：什么是暗物质、暗能量；为什么会有时间轴；平行宇宙存在吗；为什么物质比反物质多；混乱之中存在有序吗；黑洞中发生了什么；宇宙的命运会是怎样……

只要这些谜团没有解开，物理学的工作就远远没有结束，而这些答案也是我们希望未来能够解答的。

新年伊始，我们一起看看2020年物理学有哪些突破。

2020是新冠疫情的一年，物理学上有一个著名人物也与疫情有关，那就是艾萨克·牛顿，他曾经在隔离期间不断思考，探索大自然的奥秘。疫情之后不久，牛顿发明的流数术（微积分）、万有引力和光的分析，彻底改变了数学和物理学。

新冠肆虐的2020，人们在忐忑中抱有一丝希望，也许另一个天才想法正在隔离中被孕育。

尽管困难重重，这一年确实有研究团队在物理学方面做出了重大突破，为人类下一场科技革命带来了可能。

这些研究人员已经逐渐解决了理论物理学中最吸引人、最难以解决的问题：史蒂芬·霍金的黑洞信息悖论。正如牛顿最终证明，吸引树上苹果的引力与将月球固定在轨道上的引力相同，这些科学家梦想将爱因斯坦关于引力的观点与量子力学的粒子和场结合了起来。

黑洞信息悖论的研究进展

黑洞信息悖论指的是物质会坠入黑洞，随着时间的推移，黑洞就“蒸发”了，根据引力的规则，它已经消失了。但根据量子力学的规则，信息永远不会丢失。今年，一系列环法自行车赛的计算表明，信息一定会以某种方式泄露出去，但具体的泄漏过程仍然是个谜。

乔治·穆瑟（George Musser）在史诗著作的编年史中写道：“黑洞理论不再包含使其自相矛盾的逻辑矛盾。”对于物理学家本身，仍然有很多困惑。因此一切都只是刚开始。

物理学家创造了室温超导体

悬浮列车、无损电力传输、完美的能量储存，室温超导的承诺给许多人带来了乌托邦式的梦想。

纽约罗彻斯特大学的一个研究小组报告说，他们已经创造出一种基于氢原子晶格的材料，该材料在15摄氏度(59华氏度)的温度下显示出超导性，这大约是一个寒冷的房间的温度。唯一的问题是:只有在钻石砧内的材料被挤压到接近地核的压力下，它才会起作用。

乌托邦将不得不继续等待。

时间之谜的新答案

如果你问一般的理论物理学家关于时间的本质问题，他可能会说时间的流动是一种幻觉。

根据爱因斯坦的广义相对论，在一个“块宇宙”中，三维空间和一维时间交织在一起，这个“块宇宙”包含了整个过去、现在和未来。“对于我们相信的物理学家来说，”爱因斯坦在去世前几周曾写道，“过去、现在和未来之间的区别只是一个顽固的幻觉。”

然而，一种关于时间的新观念（一种来自于数学的旧观念）可能会为我们提供一种走出街区宇宙牢笼的方法。

天文学家发现了快速射电暴的来源

一个耀眼的宇宙闪光灯终结了一个持久的天文之谜。

快速射电暴是持续仅几毫秒的远距离无线电波，2007年首次被发现，但科学家一直难以解释这个现象。

“四月一个宁静的早晨，一束射线‘照亮了我们的望远镜，就像点亮了一棵圣诞树’，”一位天文学家说。这使得研究人员能够追踪到它的来源，追溯到天空中曾经有物体发射出x射线的那一部分。因此，天文学家得出结论，这一现象背后存在一颗被高度磁化的中子星——磁星。

这是第三粒子王国存在的有力证据

宇宙分为两种粒子:玻色子或费米子，力的载体或物质的微粒。但如果你创造一个玩具宇宙，一个只在二维空间的宇宙，粒子行为的规则就会改变。在这个二维宇宙中，拓扑规则允许存在的第三种粒子：任意子。

事实上，早在上世纪80年代，人们就首次预测了任意子的存在，但直到今年，实验才最终证实了它们的存在。

巨大的磁场可以解开宇宙之谜

哈勃常数是一种测量宇宙膨胀速度的方法，目前宇宙学中最大的谜团与哈勃常数有关。早期宇宙的数据预测了一个值，来自现代宇宙的数据又预测了另一个，是什么导致了差异？

宇宙学家的想法没有尽头，但一个被忽视的选择是在宇宙诞生时磁场可能存在。支持这一假设的关键证据出现在天文学家发现宇宙中已知的最大磁场时，1000万光年的磁化空间渗透在星系团之间的空隙中，如果不是大爆炸本身，它又从何而来?

九章实现量子霸权

自量子计算机的概念提出以来，便吸引了许多人的关注。因为在解决一些特定任务时，其计算能力将远超经典计算机。

2012年，物理学家John Preskill提出了“量子霸权”（或“量子计算优越性”）一词，它是指量子计算机超越最先进的超级计算机的时刻。

2019年，谷歌宣布首次实现量子霸权，其量子计算原型机“悬铃木”是基于由超导材料构成的53个量子比特研制而成的。2020年，潘建伟、陆朝阳等科学家组成的团队成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”。光子也属于玻色子，九章在处理被称为“高斯玻色取样”任务的速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍，实现了量子霸权的又一里程碑。

铁电向列相液晶的首次观测

回到100多年前，当时物理学家预言存在一种非常有序的铁电向列相液晶。其中，液晶特定团块（或叫“畴”）内的所有分子都指向大致相同的方向，要么都向左，要么都向右，这种现象被称为极性排序。

早在20世纪初，德拜和玻恩就提出如果正确地设计液晶，它的分子可以自发地进入极性排序的状态。经历了一个多世纪的寻找后，研究人员找到了一种液晶的“铁电向列相”，打开了一扇通往新材料世界的大门。

从新型显示屏到全新概念的计算机储存器，它有望开启大量的技术创新。

科学的重大突破，往往是从发现未知原因的新现象开始的。我们正在目睹一个被发现被解密的时代，这一切神奇而又充满冒险。2021，让我们保持热情，继续关注物理发展。

参考：

https://www.quantamagazine.org/quantas-year-in-physics-2020-20201223/

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2177-0

https://science.sciencemag.org/content/early/2020/12/02/science.abe8770.full

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2346-1

https://advances.sciencemag.org/content/6/41/eabc8662

https://science.sciencemag.org/content/370/6514/339

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编辑| 欢欢