英国《新科学家》周刊：2024年最烧脑物理学发现

2024-12-27

英国《新科学家》周刊网站12月3日发表题为《这些是2024年最烧脑的物理学发现》的文章，作者是卡梅拉·帕达维奇-卡拉汉，编译如下：

试图跟上物理学的最新发展是一项永无止境的工作，你需要不断重构自己对世界运行方式的认识。你要不断地追赶浪潮，而这浪潮会冲垮你对物理现实本质的所有先入为主观念，像摧毁沙滩上的沙堡一样摧毁各种假设。这是一项令人兴奋的工作，刚过去的这一年也不例外。

在过去的12个月里，我发现自己正在与这样一些研究人员交谈，他们试图揭示我们是否生活在多重宇宙中，在不起眼的金属块中寻找奇异粒子，发现因果关系等看似基础性的概念有时也可以辩论，努力探索时间到底是什么，以及试图理解当你把熵等经典物理学的“宠儿”带入量子领域时会发生什么。我无数次在Zoom视频会议中说“哇哦”，又经常在那之后对我的编辑说，“我知道这听起来像胡说八道，但”。现在，我想让你们领略一下物理学家在2024年了解到的现实这一概念的错综复杂之处——以及仍然神秘的一切。

1.多重宇宙

首先，我们得谈谈多重宇宙。20世纪50年代，物理学家休·埃弗里特率先提出“我们的世界只是众多世界中的一个”这种观点。

他对量子力学持有异议，而他意识到，如果把量子力学重新理解为关于一组不断扩展的宇宙的事实，那么他就能与量子力学达成和解。

在埃弗里特看来，如果一个量子物体一开始处于一种可以具有多种不同属性的状态——就像符合量子力学原理的紫色或粉色——但除非你与该物体互动，否则你无法分辨它是哪种颜色，这是因为每种颜色状态都存在于一个独立的宇宙中。

当你果真与该物体互动并发现它是什么颜色时，你实际上就发现了自己是生活在“紫色物体宇宙”还是“粉色物体宇宙”中，这两个宇宙都真实存在，而且平行存在。

今年4月，我报道的一项研究结果延伸了这一观点，它表明多重宇宙实际比我们想象的要大得多。一组研究人员认为，当你确定物体的颜色时，会出现更多的宇宙。这些多重宇宙源于更多的互动——例如，你与物体所在表面的互动，或者物体与使其颜色可见的太阳之间的互动。

多重宇宙的问题9月又出现在我的办公桌上。

当时，另一个研究小组利用计算机模拟——以及量子物体必须有明确的过往行为记录的观点——以评估能否调和多重世界假说与我们日常的物理经验。他们的计算虽然受到一些批评，但表明我们所处的现实似乎确实与量子多重宇宙相容。

2.因果关系

多重宇宙引发了关于因果关系的一系列难题，因为现在每种可能的结果都会发生——只不过其中大多数发生在不同的宇宙中。

但是，你不需要把我们所处的现实分解成无数条平行线，也能发现因果关系令人苦恼。

过去十年来，物理学家一直在争论，在量子领域，“A导致B”和“B导致A”是否一定相互排斥。所谓的“不确定因果关系”——即两种情况都是真实的，且无法区分——似乎因为2017年的一项实验而在争论中胜出，该实验涉及看似违反因果关系的光粒子。

物理学家对这一想法趋之若鹜，以至于我在7月份写了一篇文章，标题就叫《量子计算机在忽略因果关系时可能会工作得更好》。

但今年9月，两位物理学家对此发出挑战，提出一种数学论证，认为过去的所有研究都是误解。他们引用了时空结构（我们所处现实的结构）以及量子信息论的见解，最终断言，即使在量子世界中，要么是“A导致B”，要么是“B导致A”，没有第三种情况。

这是关于因果关系的最终结论吗？它是否可以避免量子理论没完没了的“嗯，实际上”？几位物理学家告诉我，只有未来的实验才能证明这一点。

3.奇异粒子

2024年其他量子物理实验揭示的内容更为丰富。今年3月，研究人员完成了一项历时30年的实验，看到一个非常像引力粒子的东西。他们在一大块非常冷的半导体中发现了它，这块半导体还暴露在非常强的磁场中。几十年来，物理学家一直在寻找假想的引力粒子，而找到它们将推进一项尚未完成的任务——发展量子引力理论。

11月，一项类似实验发现了一种粒子，当这种粒子向一个方向运动时没有质量，但如果它旋转90度开始垂直运动，就会有质量。严格来说，这两种粒子都是“准粒子”，这意味着它们无法自行存在。相反，它们是从其他粒子的集合中产生的，这些粒子被某种量子效应束缚在一起。这在所谓的凝聚态物理学中是一种众所周知的现象，但它不断产生的量子领域“新居民”仍然令人着迷。

4.熵的变化

然而，最近有一样事物并不受量子领域欢迎，那就是热力学定律。热力学可追溯到19世纪，当时的物理学家和工程师试图理解热量、能量和温度的规律，以便利用这些规律制造出更好的发动机。这个时代一项值得注意的发现是，熵的变化，或者说无序的程度在很大程度上控制着一个试图变热、变冷或更有能量的系统中可能发生什么。

但是，对于熵增的含义有不同的定义——而且，事实证明，当量子规则发挥作用时，这些定义并不一致。10月份发表的一项数学研究发现，熵的三种此前被认为彼此相同的定义，在量子领域会产生不同结果。这对任何试图将热力学量子化的人而言都是坏消息。这包括试图利用量子效应制造更好电池的研究人员，也包括许多正在制造量子计算机的人。与我交谈过的物理学家干脆表示，现在必须重新审视量子物体的所有热力学问题。我想2025年可以期待这方面的努力。

5.时间幻觉

在彻底结束讨论之前，我还得告诉你们关于时间的事情。正如我在5月报道的那样，时间可能是一种量子幻觉。它或许感觉像是真的，但实际上可能是一种涌现性质，就像那些不能自行存在的准粒子一样。

基于20世纪80年代的一个想法，一组物理学家用数学方法证明，如果时间的存在仅仅是所有物体秘密进行量子纠缠的结果——与某个时钟密不可分地联系在一起，那么我们理解世界时所依赖的许多物理方程仍然成立。这一点很复杂，因为许多物体可以算作时钟，而量子纠缠只对某些物体有很好的定义。但研究人员认为，这一想法应该在未来的实验中进行验证。

这也引起《新科学家》周刊纽约编辑部的大量讨论，我们中的许多人已经觉得时间是虚假的，尤其是在截稿时间紧迫的情况下。

无论时间是真是假，我们都像在物理实验中一样，选择按照数字线和时钟的滴答声来安排我们的生活。结果是2025年即将无可争议地到来。它可能带来什么震撼人心的物理学发现呢？老实说，我也不知道，但我相信，未来我一定会有更多“哇哦”的时刻。