21世纪10年代三大物理学发现对科学的未来意味着什么

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图注：2017年，欧洲核子研究中心的ATLAS探测器观测到的这一事件同时显示了希格斯玻色子和Z玻色子的产生情况。两个蓝色轨道是高能电子，对应于一个Z玻色子，其能量对应于质量93.6GeV。两个青色圆锥体都是喷头，由于夸克的强强化，产生了大量的粒子。特别是，这可以追溯到底部反夸克对，这是希格斯候选粒子。从这个事件中重建的希格斯候选体的固定质量是128.1 GeV，与希格斯玻色子的属性一致。

从科学的角度来看，21世纪10年代是一个极其富有成果的十年。我们对系外行星（围绕恒星运行在自身恒星之外的行星）的知识爆炸了，产生了数以千计的新发现，并使人们对存在的东西有了无与伦比的了解。普朗克卫星和我们的大规模结构调查定格了暗能量，而改进的天文数据向我们展示了一个有关宇宙膨胀的难题。激光变得更快，更强大；第一次实现了“量子霸权”；我们探索了冥王星，而我们最远的航天器终于进入了行星际空间。

但是，三项物理学的进展遥遥领先，对科学的未来有着巨大的影响。“希格斯玻色子”的发现、引力波的直接探测以及黑洞事件地平线的第一张图像，在21世纪10年代彻底改变了科学，并将持续影响物理学，并将持续几十年。

图注：标准模型的粒子和反粒子现在都直接被探测到，最后一个保持器，希格斯玻色子，在十年前的LHC下降。所有这些粒子都可以在LHC能量下产生，粒子的质量导致基本常数，这是完全描述它们绝对必要的。这些粒子可以很好地描述由量子场理论背后的标准模型的物理，但它们不能描述一切，如暗物质，或在强相互作用为什么没有CP冲突。

发现希格斯玻色子

在21世纪10年代之前已经发现了夸克、带电的列克、中微子及其反物质对应物，标准模型的铁氧体部分已经完成。我们已经发现并测量了所有量表玻色子的特性：W和Z玻色子、胶子和光子。希格斯玻色子——标准模型预期的最后一个粒子——也是存在的。

大型强子对撞机是人类有史以来最强大的粒子加速器，其建造目标是发现这种粒子。通过实现在地面加速器中从未见过的能量，并将其与比以往更多的质子-质子碰撞相结合，科学家们终于能够揭示出最难以捉摸的基本粒子的本质。

图注：几年前，CMS 和 ATLAS 合作宣布了第一个健壮的 5 西格玛检测希格斯玻色子。但是，希格斯玻色子在数据中并不是一个"尖峰"，而是一个扩散的凸起，因为其固有的质量不确定性。其平均质量值125 GeV/c^2是理论物理学的难题，但实验者不必担心：它存在，我们可以创建它，现在我们也可以测量和研究其特性。

我们不仅能够创建和检测希格斯，而且能够测量其许多属性。

其中包括：

其质量，其等效能量为125-126 GeV，它的自旋为零，使它成为唯一的基本标量粒子，及其分支比，它向我们展示了希格斯玻色子是如何可能衰变成各种粒子集的。除了发现希格斯之外，对这些属性进行这些详细的测量使我们能够将理论与实验进行比较，并问我们自己，标准模型在预测希格斯的行为方式方面有多成功。截至 2019 年，以及 CMS 和 ATLAS 协作收集和分析的全套数据，我们所看到的一切都与具有理论上预测的确切属性的希格斯玻色子 100% 一致。

图注：观察到的希格斯衰变通道与标准模型协议，包括来自ATLAS和CMS的最新数据。该协议是惊人的，但同时也令人沮丧。到 2030 年代，LHC 的数据量约为 50 倍，但许多衰变通道上的精度仍然只有百分之几。未来的对撞机可以将这种精度提高多个数量级，从而揭示出潜在的新粒子的存在。

这本身就是一个巨大的谜团。一方面，我们有一系列关于宇宙的奥秘，标准模型的粒子、场和相互作用无法解释。我们不知道暗物质、暗能量、膨胀或巴约成因的原因，只有标准模型本身无法解释这些谜团。我们没有解决无数其他难题方法，从强CP问题到中微子质量，到解释为什么粒子有静止质量。

科学家计划在2030年代运行大型强子对撞机，同时进行一些低能耗实验。但是，除非他们透露一个答案，或者至少一个令人信服的暗示，人类将面临一个有争议的问题：我们是否应该建立一个更高级的，下一代对撞机，以超越大型强子对撞机可以教给我们？粒子物理学的未来——以及最终解开这些谜团的机会——岌岌可危。

图注：当你有两个引力源（即质量）螺旋并最终合并时，这种运动会导致引力波的发射。虽然它可能不是直观的，但引力波探测器对这些波的灵敏度为 1/r，而不是 1/r+2，并且会从各个方向看到这些波，无论它们是正面的还是边缘的，还是介于两者之间。

直接探测引力波

当爱因斯坦在1915年提出广义相对论时，在这个范式转变的新框架中，有一系列的后果还没有得到充分的阐述。然而，经过几十年的理论工作，很明显，当质量在宇宙中移动时，时空的曲率发生了变化，而质量在时空中移动，其曲率随着时间的变化而改变，会发出一种新的辐射形式：引力波。

虽然这种辐射的间接后果很久以前就出现在脉冲星数据中，但最终目标始终是直接检测这些波纹。2015年，在LIGO合作的引领下，新一代引力波探测器上线时，一个全新的领域诞生了：引力波天文学领域。这些波纹首次在人类创造的探测器中留下了可观测的可识别信号，直接揭示了它们的存在。

图注：LIGO 和处女座在 Run II 结束时观察到的合并黑洞的可视化图像的静止图像。当黑洞的地平线螺旋并合并时，发射的引力波变大（振幅越大）和音调越高（频率越高）。合并的黑洞范围从7.6太阳质量到50.6太阳质量，每次合并时损失约5%的总质量。波的频率受宇宙膨胀的影响。

两种类型的信号已经直接看到：对应于双子黑洞的螺旋和合并的信号，以及对应于两个中子星合并的信号。前者是迄今为止LIGO看到的最常见的信号类型，揭示了质量范围内从未见过的黑洞，并指导我们统计这些恒星残余物数量，而后者则伴随着电磁信号，也使我们能够确定宇宙中最重的元素的起源。

LIGO和Virgo等探测器已经升级，增加了它们的射程和灵敏度，而目前的运行可能不仅揭示了新的探测，而且揭示了产生引力波的新类别天体，如中子星黑洞合并，比以往任何时候看到的更轻质量的黑洞，甚至可能是脉冲星地震、超新星，或完全令人惊讶的东西。

图注：当两个臂的长度完全相等，并且没有引力波通过时，信号为空，干涉模式是恒定的。随着臂长的变化，信号是真实和振荡的，干扰模式会随着时间以可预测的方式而变化。

随着21世界10年代向21世纪20年代及以后的年代，引力波探测器的大小、灵敏度和范围将继续增加，从而开启揭示我们今天只能梦想探测到的信号的可能性。落入超大质量黑洞的物体就在我们的地平线上，在膨胀的最后时刻产生的引力波也在我们地平线上：在热大爆炸之前宇宙的相位。

直到最近，人类还不能确定引力波的存在。我们不确定这些信号是否会出现在我们的仪器中，或者我们的理论预测是否与现实相符。过去四年告诉我们，爱因斯坦不仅是对的，而且整个宇宙都在探索电磁（光）信号之外。本世纪有望成为新型天文学的世纪：引力波天文学。我们走多远完全取决于我们。

图注：事件地平线望远镜首次发布的图像实现了22.5微弧秒的分辨率，使阵列能够解析M87中心黑洞的事件视界。单碟望远镜的直径必须达到12，000公里，才能达到同样的锐度。请注意 4 月 5/6 日图像和 4 月 10/11 年 4 月 10/11 日图像之间的不同外观，这些图像显示黑洞周围的特征随时间而变化。这有助于证明同步不同观测值的重要性，而不仅仅是对它们进行时间平均。

直接检测黑洞的事件视界

这一成就是这三项成果中最近的一项，仅追溯到2019年4月，当时Messier 87星系中心的超大质量黑洞的著名"甜甜圈"图像被发布。需要数百名科学家使用全球射电望远镜和射电望远镜阵列同时收集的PB数据，这张照片只是冰山一角。

当然，第一次看到事件视界，并证实爱因斯坦广义相对论的又一个预测是很酷的。这是一个令人难以置信的技术成就，利用的技术，只有技术上成为可能，新的阵列，如ALMA。值得注意的是，在世界各地，这么多的天文台能够相互协调，作出这些观察，这是最大的故事。

图注：此图显示了 2017年事件地平线望远镜 M87 观测中使用的所有望远镜和望远镜阵列的位置。只有南极望远镜无法对M87进行成像，因为它位于地球的不恰当部分，无法观测到该星系的中心。除其他设备外，每个地点都配有原子钟。

这一切最值得注意的事实是，我们正在探索那些随着时间不断变化而不断变化的结构，我们现在获得这些结构的精度是几年前无法想象的。事件地平线望远镜的分辨率相当于一个直径为12，000公里的单碟望远镜：如在地球上看月球上的人类拳头的大小。

就像人类第一个黑洞例子一样，我们观察到的结构是不断变化的，但只是观察一个快照的时间。4月5/6日黑洞的图像看起来彼此相似，但与4月10/11日的图像不同，这表明我们观测到的光子正在随着时间而改变。

在不远的将来，我们期望能够梳理出黑洞耀斑的信号、坠落物质、吸积流的变化，以及不仅是无线电光的地图，而是该光的极化。但在更遥远的将来，我们可以开始发射装备适当的射电望远镜到太空，将其与我们的地面观测站同步，并将事件地平线望远镜的基线（因此，分辨率）扩展到更高的精度。

图注：吸积盘的方向为正面（左两个面板）或边缘（右两个面板）可以极大地改变黑洞在我们看来的方式。我们不知道黑洞和吸积盘之间是否存在通用对齐或一组随机对齐。

随着未来几十年的发展，我们不会简单地测量宇宙中一两个超大质量黑洞是如何演化的，而是几十个甚至几百个。恒星质量的黑洞可能也会进入这个褶皱，因为它们包含在我们自己的星系中，因此显得相对较大。我们甚至有可能会得到一个惊喜，看起来安静的黑洞会显示出无线电信号，毕竟这些望远镜阵列可以拾起这些信号。

继续探索宇宙有一条清晰的路，它所依赖的只是扩展我们已经做的事情。我们不知道大自然在已经探索的疆界之外藏着什么秘密，但我们确实知道一件事是肯定的：如果我们不看，我们永远不会学习。

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