人們常常把21世紀稱作生物學的世紀，或者人工智能的世紀，而物理似乎已經是上個世紀的遺物了，似乎未來不會再有新發現了。

事實真的如此嗎？

當然不，近年來宇宙學的發展，科學家可以幾乎肯定地說，宇宙的95%“憑空消失”了。它們被稱爲暗物質和暗能量，掩蓋在一層神祕面紗中。面紗背後，便是未知的新物理了。

直至今天，也沒有一個物理學家敢斷言我們對宇宙的物理知識接近於完成。相反，每個新的發現似乎都打開了一個更大的物理問題潘多拉魔盒，比如：什麼是暗物質、暗能量；爲什麼會有時間軸；平行宇宙存在嗎；爲什麼物質比反物質多；混亂之中存在有序嗎；黑洞中發生了什麼；宇宙的命運會是怎樣……

只要這些謎團沒有解開，物理學的工作就遠遠沒有結束，而這些答案也是我們希望未來能夠解答的。

新年伊始，我們一起看看2020年物理學有哪些突破。

2020是新冠疫情的一年，物理學上有一個著名人物也與疫情有關，那就是艾薩克·牛頓，他曾經在隔離期間不斷思考，探索大自然的奧祕。疫情之後不久，牛頓發明的流數術（微積分）、萬有引力和光的分析，徹底改變了數學和物理學。

新冠肆虐的2020，人們在忐忑中抱有一絲希望，也許另一個天才想法正在隔離中被孕育。

儘管困難重重，這一年確實有研究團隊在物理學方面做出了重大突破，爲人類下一場科技革命帶來了可能。

這些研究人員已經逐漸解決了理論物理學中最吸引人、最難以解決的問題：史蒂芬·霍金的黑洞信息悖論。正如牛頓最終證明，吸引樹上蘋果的引力與將月球固定在軌道上的引力相同，這些科學家夢想將愛因斯坦關於引力的觀點與量子力學的粒子和場結合了起來。

黑洞信息悖論的研究進展

黑洞信息悖論指的是物質會墜入黑洞，隨着時間的推移，黑洞就“蒸發”了，根據引力的規則，它已經消失了。但根據量子力學的規則，信息永遠不會丟失。今年，一系列環法自行車賽的計算表明，信息一定會以某種方式泄露出去，但具體的泄漏過程仍然是個謎。

喬治·穆瑟（George Musser）在史詩著作的編年史中寫道：“黑洞理論不再包含使其自相矛盾的邏輯矛盾。”對於物理學家本身，仍然有很多困惑。因此一切都只是剛開始。

物理學家創造了室溫超導體

懸浮列車、無損電力傳輸、完美的能量儲存，室溫超導的承諾給許多人帶來了烏托邦式的夢想。

紐約羅徹斯特大學的一個研究小組報告說，他們已經創造出一種基於氫原子晶格的材料，該材料在15攝氏度(59華氏度)的溫度下顯示出超導性，這大約是一個寒冷的房間的溫度。唯一的問題是:只有在鑽石砧內的材料被擠壓到接近地核的壓力下，它纔會起作用。

烏托邦將不得不繼續等待。

時間之謎的新答案

如果你問一般的理論物理學家關於時間的本質問題，他可能會說時間的流動是一種幻覺。

根據愛因斯坦的廣義相對論，在一個“塊宇宙”中，三維空間和一維時間交織在一起，這個“塊宇宙”包含了整個過去、現在和未來。“對於我們相信的物理學家來說，”愛因斯坦在去世前幾周曾寫道，“過去、現在和未來之間的區別只是一個頑固的幻覺。”

然而，一種關於時間的新觀念（一種來自於數學的舊觀念）可能會爲我們提供一種走出街區宇宙牢籠的方法。

天文學家發現了快速射電暴的來源

一個耀眼的宇宙閃光燈終結了一個持久的天文之謎。

快速射電暴是持續僅幾毫秒的遠距離無線電波，2007年首次被發現，但科學家一直難以解釋這個現象。

“四月一個寧靜的早晨，一束射線‘照亮了我們的望遠鏡，就像點亮了一棵聖誕樹’，”一位天文學家說。這使得研究人員能夠追蹤到它的來源，追溯到天空中曾經有物體發射出x射線的那一部分。因此，天文學家得出結論，這一現象背後存在一顆被高度磁化的中子星——磁星。

這是第三粒子王國存在的有力證據

宇宙分爲兩種粒子:玻色子或費米子，力的載體或物質的微粒。但如果你創造一個玩具宇宙，一個只在二維空間的宇宙，粒子行爲的規則就會改變。在這個二維宇宙中，拓撲規則允許存在的第三種粒子：任意子。

事實上，早在上世紀80年代，人們就首次預測了任意子的存在，但直到今年，實驗才最終證實了它們的存在。

巨大的磁場可以解開宇宙之謎

哈勃常數是一種測量宇宙膨脹速度的方法，目前宇宙學中最大的謎團與哈勃常數有關。早期宇宙的數據預測了一個值，來自現代宇宙的數據又預測了另一個，是什麼導致了差異？

宇宙學家的想法沒有盡頭，但一個被忽視的選擇是在宇宙誕生時磁場可能存在。支持這一假設的關鍵證據出現在天文學家發現宇宙中已知的最大磁場時，1000萬光年的磁化空間滲透在星系團之間的空隙中，如果不是大爆炸本身，它又從何而來?

九章實現量子霸權

自量子計算機的概念提出以來，便吸引了許多人的關注。因爲在解決一些特定任務時，其計算能力將遠超經典計算機。

2012年，物理學家John Preskill提出了“量子霸權”（或“量子計算優越性”）一詞，它是指量子計算機超越最先進的超級計算機的時刻。

2019年，谷歌宣佈首次實現量子霸權，其量子計算原型機“懸鈴木”是基於由超導材料構成的53個量子比特研製而成的。2020年，潘建偉、陸朝陽等科學家組成的團隊成功構建76個光子的量子計算原型機“九章”。光子也屬於玻色子，九章在處理被稱爲“高斯玻色取樣”任務的速度比目前最快的超級計算機快一百萬億倍，實現了量子霸權的又一里程碑。

鐵電向列相液晶的首次觀測

回到100多年前，當時物理學家預言存在一種非常有序的鐵電向列相液晶。其中，液晶特定團塊（或叫“疇”）內的所有分子都指向大致相同的方向，要麼都向左，要麼都向右，這種現象被稱爲極性排序。

早在20世紀初，德拜和玻恩就提出如果正確地設計液晶，它的分子可以自發地進入極性排序的狀態。經歷了一個多世紀的尋找後，研究人員找到了一種液晶的“鐵電向列相”，打開了一扇通往新材料世界的大門。

從新型顯示屏到全新概念的計算機儲存器，它有望開啓大量的技術創新。

科學的重大突破，往往是從發現未知原因的新現象開始的。我們正在目睹一個被發現被解密的時代，這一切神奇而又充滿冒險。2021，讓我們保持熱情，繼續關注物理發展。

參考：

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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