2022物理学突破：量子计算机模拟全息虫洞

光子盒研究院出品

2022年初，詹姆斯-韦伯太空望远镜(JWST)正在展开它的遮阳板：这个巨大的、薄如指甲的、精致的毯子，一旦打开，将使天文台陷入寒冷的阴影中，并打开它对红外线宇宙的视野。在纽约市的球落下的几个小时内，遮阳板可能会被卡住，毁掉新的望远镜，并将数十亿美元和数十年的工作抛入虚空。不过，遮阳板完美地打开了，为物理学的新一年开了一个好头。

JWST很快就开始瞥见了宇宙的绚丽新面孔。7月11日，美国公布了该望远镜的第一张公开图像：一个在空间和时间上不同距离的数千个星系的全景图。第二天又发布了四张即时的标志性图像。从那时起，该望远镜的数据已经在数百名天文学家和宇宙学家之间传播，宇宙的发现和论文不断涌现。

天文学正游走在各种新鲜数据中。例如，在5月，Event Horizon望远镜发布了有史以来第一张位于银河系中心的超大质量黑洞的照片：这是最近帮助天体物理学家弄清星系如何运作的若干观测之一。其他望远镜正在绘制数百万个星系的位置图，这项工作最近产生了星系分布不对称的令人惊讶的证据。

凝聚态物理学方面的突破也正在迅速到来。9月发表的一项实验几乎证明了高温超导性的起源，这可能有助于该领域常年寻求一种能够在室温下工作，这也是二维材料研究的一个目标。今年，一种曾经帮助润滑滑雪板的扁平晶体已经成为一个强大的平台，可以实现奇异的、潜在的、有用的量子现象。

寻求宇宙新基本成分的粒子物理学家则没有那么幸运。他们继续解开我们已经知道的粒子特征，但是理论家们对于如何超越粒子物理学的标准模型几乎没有任何具体的线索，这套关于量子世界的、令人窒息的综合方程，半个世纪以来一直是最受欢迎的理论。

以下是Quantamagazine评选的2022物理学五大突破：

01

诱人的重玻色子

伊利诺伊州的Tevatron对撞机在十年前粉碎了它的最后一个质子，但是工作人员一直在分析它对W玻色子的探测，这是一种介于弱力的粒子。他们在4月宣布，通过艰苦地追踪和消除数据中的误差源，他们比以往任何时候都更精确地测量了W玻色子的质量，并发现该粒子比粒子物理学的标准模型所预测的要重得多。

与标准模型的真正差异将是一个不朽的发现，它指出了新的粒子或超出理论范围的效应。但是，其他衡量W玻色子的实验测量出的质量更接近标准模型的预测：最引人注目的是欧洲大型强子对撞机的ATLAS实验。新的Tevatron测量据称更加精确，但一个或两个小组可能错过了一些微妙的误差来源。

ATLAS实验旨在解决这个问题。正如ATLAS的成员Guillaume Unal所说：“W玻色子在大西洋两岸必须是一样的。”

02

重新思考自然性

所有这些关于标准模型存在问题的微弱暗示的嗡嗡声反映了粒子物理学家发现自己所处的麻烦局面。已知存在的、标准模型描述的17种基本粒子并不能解决宇宙的所有奥秘；然而，大型强子对撞机还没有发现第18个。

多年来，理论家们一直在为如何继续研究而挣扎；但最近，一个新的方向已经打开。理论家们正在重新思考一个长期持有的被称为自然性（naturalness）的假设：一种关于自然规律中的自然或预期的推理方式。这个想法与自然界的还原论、嵌套式结构密切相关，即大的东西由小的东西来解释。现在，理论家们想知道，像大型强子对撞机缺乏新粒子这样深刻的自然性问题可能意味着自然规律不是以这种简单的自下而上的方式结构的。在一连串的新论文中，他们正在探索引力可能如何极大地改变这种情况。

理论粒子物理学家Isabel Garcia Garcia在谈到该领域目前的情况时说：“有些人称它为危机。但在我看来，这是一个我觉得我们正在走向研究复杂性的时刻。”

03

解锁二维物理学

数以千计的凝聚态物理学家已经研究了石墨烯，一种由碳原子构成的具有特殊性质的晶体片。但最近，一个新的平面晶体家族出现在舞台上：过渡金属二氯化物，或称TMD。将不同的TMD堆叠起来，就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之所以为人所知，主要归功于Jie Shan和Kin Fai Mak这对夫妻，他们在康奈尔大学共同经营一个实验室。他们以凝聚态物理学为背景研发了许多二维材料，同时还解读了从人造原子到长寿命激子这些实验室中涌现出的一系列令人兴奋的新突破。

04

量子计算机中的全息虫洞

11月，物理学家宣布了一项首创的“芯片上的量子引力实验”，用加州理工学院的团队负责人Maria Spiropulu的话来说，他们在谷歌的Sycamore量子计算机上运行了一个“虫洞隐形传态协议”，以这样一种方式操纵计算机中的量子信息流，使其在数学上等同或对偶于信息在时空两点之间通过一个虫洞。

说白了，虫洞并不是我们居住的时空的一部分。它是一种模拟或全息图。而且，它有一个与我们生活在其中的真实、正弯曲的4D时空不同的时空几何。实验的重点是证明全息对偶性，这是过去25年的一个重要理论发现，它指出某些粒子的量子系统可以被解释为一个弯曲的、有引力的时空连续体。(时空可以被宽泛地认为是一个从低维量子系统中产生的全息图）。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力学，最终目标是解开“我们宇宙中的引力是否是由一些量子[比特]产生的，就像这个小婴儿的一维虫洞是由Sycamore芯片产生的一样”，开发虫洞隐形传态协议的哈佛大学的Daniel Jafferis说。

全息虫洞在物理学家和普通读者中产生了不同的意见。一些物理学家认为，与它所依据的理论模型相比，量子模拟太过精简，无法像虫洞那样有全息的双重描述。许多人认为，这项工作背后的物理学家，以及报道这项工作的记者，应该更好地强调，这不是一个真正的虫洞；事实上，要在真正的时空中开辟一个虫洞，需要负能量的材料——这似乎并不存在。

05

JWST正在彻底改变天文学

今年物理学界最大的事情是漂浮在一百万英里之外，在一个被称为拉格朗日点2的空间点上，它的遮阳板可以同时阻挡地球、月亮和太阳。JWST的图像让人们的心都静止了：它的数据已经在重塑我们对宇宙的理解。

当美国公布JWST的第一张图像时，研究人员立即开始发现更多有趣的星系。两周后，JWST的数据已经产生了关于星系、恒星、系外行星甚至木星的新发现。最激动人心的早期发现之一是，星系似乎在宇宙历史上很早就已经聚集起来了，也许甚至比宇宙学模型所能轻易解释的还要早。

同时，2023也期待JWST对附近一个名为TRAPPIST-1的恒星系统中的岩质行星进行的研究。JWST的一个关键特长是剖析一个遥远的行星在其恒星表面移动时刺入其大气层的星光。这揭示了该行星的大气层是由什么构成的，包括可能标志着外星生物的“生物特征”气体的证据。JWST望远镜已经产生了优秀的系外行星光谱；但是潜在的宜居世界，如TRAPPIST-1行星，太微小了以至于需要在接下来的几年里在再持续测量其大气层特征。

在未来的几年里，让我们期待更多关于这方面的内容。

参考链接：

https://www.quantamagazine.org/the-biggest-discoveries-in-physics-in-2022-20221222/

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