2010年代が物理学を永遠に変えた方法

この10年は、物理学の歴史における1つだけでなく、一連のターニングポイントをマークしました。

2010年代は、新しい知識にとって信じられないほどの10年でしたが、さらに重要なことに、この10年の発見とその明らかな欠如により、物理学者がそれぞれの分野について考える方法が変わりました。素粒子物理学と天体物理学は、研究者が科学を行う方法を再形成する新しい時代に入りました。量子力学のフレームワークに基づく新技術は、コンピューティング、材料科学、そして私たちがエネルギーを扱う方法に大きな変化をもたらす可能性があります。

「私たちはパラダイムシフトの真っ只中にいるように感じます」とスタンフォード大学とSLAC国立加速器研究所の 素粒子物理学と天体物理学の准教授である ナタリアトロはギズモドに語った。「私たちがどこに向かっているのかはまだはっきりしていませんが、50年後、過去10年間は​​、私たちの物理学の理解における大きな変化の始まりとして記憶されると思います。」

この10年は、科学者が大小両方を理解する方法に根本的な変化をもたらしました。おそらく最も注目に値するのは、スイスのジュネーブにある17マイルの粒子加速器および衝突型加速器である大型ハドロン衝突型加速器の科学者が、標準モデルと呼ばれる素粒子物理学の中心理論によって記述された最後の粒子であるヒッグス粒子の証拠を発見したことです。

1964年以前は、いくつかの理論は宇宙を説明するのに非常にうまく機能していましたが、問題がありました。彼らは、質量を持つことをすでに知っている特定の素粒子物理学者は質量がないはずだと予測しました。次に、6人の科学者(最も有名なのはピーターヒッグス)が、問題を修正する3つの論文を発表し、ゲージボソンと呼ばれる力を運ぶ粒子に質量が現れるメカニズムを詳しく説明しました。これにより、宇宙を説明する理論は引き続き機能します。そのメカニズムには、ヒッグス粒子と呼ばれる別の粒子の存在が必要でした。多くの検索にもかかわらず、ヒッグス粒子はこの10年まで検出されませんでした。

史上最大の科学実験であるCERNの大型ハドロン衝突型加速器が2008年に始動しました。2012年7月4日、LHCの研究者がついに証拠を発見したと発表したため、世界中の研究者が講堂や講堂に耳を傾けました。 ATLASとCMSと呼ばれる実験の建物サイズの2つの検出器のヒッグス。多くの人が、標準模型で予測されたすべての粒子が見つかったと宣伝しました。したがって、モデルは完成しました...それともそうでしたか?

「標準模型が完成したと言うことは、完成したことを意味します」と、フェルミ国立加速器研究所の著名な科学者であり、CERNのCMSコラボレーションの副スポークスマンであるPattyMcBrideはGizmodoに語った。「そして、私たちはそうではありません。」たくさんの謎、そして実際、宇宙にあるものの約96%は、まだ標準模型では説明されていません。

大型ハドロン衝突型加速器は2012年以来不気味に静かです。それ以来、標準模型をテストする興味深い結果がたくさん出てきましたが、ヒッグス粒子の後に新しい粒子は見つかりませんでした。物理学者は、CERNが超対称性粒子のような他の粒子の証拠を発見することを望んでいました。これらの粒子は、重力が他の力よりもはるかに弱い理由の説明を同時に提供すると同時に(地球の重力のすべてが冷蔵庫の磁石が紙のクリップを拾うのを止めることはできないと考えてください)、暗黒物質、宇宙の足場を構成しているように見えるが、直接観察されていない不思議なもの。ふるいにかけるLHCデータはまだたくさんあり、LHCはより高い衝突率で実行し続けるためのアップグレード 受け取る予定ですが科学者はこれらの粒子の証拠を見つけることができるかどうか疑問に思い始めています。

しかし、発見の欠如は、いつの日か物理学の歴史のターニングポイントと見なされるかもしれません。素粒子物理学者は、高エネルギーのブルートフォーススーパーコライダーではなく、理論が予測するものからの小さいが統計的に有意な偏差を探すことによって、さまざまな標準モデルの予測をテストする高精度の実験を使用するなど、新しい方法で粒子を探し始めました。 。 また、理論家は、暗黒物質のようなものについての新しい説明を探して、枠の外で考えることをお勧めします。

シカゴ大学の天文学および天体物理学部の教授であり、フェルミラボの素粒子物理学部門の責任者であるジョシュ・フリーマン氏は、ギズモド氏に、「[粒子加速器]をより高いエネルギーに押し上げることは、技術的にますます困難になっている」と語った。 。「素粒子物理学のコミュニティは、私たちが多様なアプローチを必要としていることに気づきました...それは挑戦的な問題になるでしょう。困難な問題が発生した場合、新しい物理学は一種の恥ずかしがり屋であるため、ツールキットに含まれているすべてのツールを持ち運びたいと考えています。」

この10年は、最大規模の物理学にも革命をもたらしました。1世紀以上前、アルバートアインシュタインの一般相対性理論は、高エネルギーのイベントが、重力波と呼ばれる、時空自体を光速で波打つ擾乱を放出する可能性があると予測していました。科学者たちは長い間、超新星やブラックホール連星が互いに周回して衝突することによって生成される重力波を探していました。波の間接的な証拠は、PSR 1913 + 16と呼ばれる連星パルサー(一種の回転する中性子星)の発見で最初に現れ始めました。数年後、科学者たちは、一般相対性理論がそのようなシステムが重力波の生成にエネルギーを失うと予測したのとまったく同じように、その公転周期が減少していることに気づきました。しかし、他の調査にもかかわらず、直接的な証拠は実現しませんでした。

つまり、この10年までです。2015年9月14日、東部標準時午前5時51分、2つのL字型施設があり、それぞれが1マイル以上の長さのトンネルで構成され、1つはワシントン州、もう1つはルイジアナ州で直角に合流しています。レーザーが検出器上で互いに同相および異相にシフトすることを記録しました。これらのぐらつきは、太陽の29倍と36倍の質量の2つのブラックホールが互いにらせん状になり、13億光年離れて合流し、重力波を地球に向けて放送した結果でした。

さらに多くの観測が続きましたが、おそらくさらに画期的な発見が2017年に起こりました。検出器は、現在 イタリアで同様のVirgo実験に参加しており、世界中の望遠鏡が放射線、紫外線、赤外線のブリップを発見したのと同時に重力波を測定しました。空の同じポイントから来る光放射。このエネルギーの爆発は、2つの中性子星、都市サイズの恒星の死体の衝突の結果でした。この単一のイベントにより、科学者は周期表の最も重い元素のいくつかの起源について学ぶことができ、いつの日か、宇宙がどれだけ速く加速しているかについての物理学における現在の「危機」を終わらせるのに役立つかもしれません。

このパラダイムシフトの発見は、マルチメッセンジャー天文学の特徴でした。つまり、科学者が光源を観察するために光波と他の粒子または波の検出の両方を使用する天文学です。望遠鏡はもともと可視光を使用していましたが、X線や電波などの他の波長の電磁放射を使用していましたが、現在は補完的な観測所にニュートリノや重力波などの粒子からのデータが含まれている可能性があります。

「これはマルチメッセンジャー天文学の黄金時代です」とハーバード大学の科学史の物理学教授であるピーター・ガリソンはギズモードに語った。

ブラックホールの分野は、他の方法で分水嶺の瞬間を経験しました。世界中の電波望遠鏡のコラボレーションであるイベントホライズンテレスコープを操作する科学者がチームを組み、中央にある65億個の太陽質量のブラックホールに料理を向けました。銀河M87の。これにより、ブラックホール、より正確には、ブラックホールが背後にあるものに投影する影の世界初の画像が生成されました。研究者たちは、これらの光を曲げる物体の証拠を長い間見てきましたが、時空を大きく歪ませて光が引きずり出せない巨大な巨大な物体ですが、この観測により、そのうちの1つを直接見ることができました。科学者たちは、この発見がブラックホール科学の新時代を開始し、超大質量ブラックホールが中心から噴出する巨大な物質の噴流をよりよく理解できることを望んでいます。

「[ブラックホール]は宇宙論的規模の現象を形作ることができます」とガリソンは言いました。「ビッグバン以来、ほんのわずかな時間で光を放つこれらの物体が見えます。それらは、目に見える宇宙の端にある灯台のようで、私たちに向かってビームを点滅させます。これらのジェットの起源を理解することは、銀河内の物質の分布を形作っている可能性のある物体をよりよく把握する上で非常に重要です。」

おそらく、この10年間で天体物理学と素粒子物理学の両方の陰のヒーローは、巨大なデータセットを分類するための機械学習アルゴリズムの使用の増加です。ブラックホールの画像は機械学習なしでは存在しませんでした。そしてこの10年間、素粒子物理学でのその使用は「ターニングポイント」を迎えています、とToroはGizmodoに語りました。

この10年間は​​、量子コンピューターのような素粒子物理学の癖に基づいたテクノロジーの新時代も開始しました。「この10年は間違いなく、量子コンピューターが空想科学小説から現実のものになりそうなものに変わった年だと思います」と、Shorの因数分解アルゴリズムの背後にいるMIT数学者のPeterShorはGizmodoに語った。

これらの量子デバイスは、1981年にRichard Feynmanによって有名に提案されました。これらは、通常のコンピューターでは通常の論理ではなく、原子の奇妙で破壊された確率数学を使用できない特定の問題を解決することを目的としています。具体的には、科学者たちは、いつか分子の振る舞いをシミュレートしたり、新しい数学的調整を使用して特定の 複雑な アルゴリズムを実行したりすることを望んでいます。基本的に、これらのマシン は、エネルギーのパルスによって空中で微調整できるコインを弾くことから確率分布を生成するかのようであり、通常の確率のルールとは異なり、これらの量子確率は、「コイン」を一緒に追加すると負の符号を持つ可能性があります。通常の裏返しコインよりも複雑な確率分布になります。

イェール大学の物理学者が「トランズモン量子ビット」を発明したのは2007年のことでした。これは、人工原子として機能し、量子コンピューティングの最小単位として機能する超伝導ワイヤーのループです。今日、IBMとGoogleはどちらも、特定の問題に対して従来のコンピューターの能力を超えるスピードアップを示し始めている50以上のキュービットマシンを開発しました。一方、他の企業は、レーザーによって所定の位置に保持された原子に基づいた同様のサイズのデバイスをデビューさせました。これらのマシン用のソフトウェアツールまたはハードウェアコンポーネントを提供するスタートアップのエコシステム全体も成長しています。

これらのマシンが、派手な乱数ジェネレーターであることを除けば、従来のコンピューターに勝る利点を提供するまでには数十年かかるかもしれません。それらは、外界の漂遊振動または放射からそれらの量子性を失う前に制御することは非常に困難です。それでも間違った結果が得られる可能性があります。たとえば、バイナリ文字列が1を吐き出す必要があるのに、0がゼロになります。研究者たちは現在、エラー訂正の実装に取り​​組んでおり、複数のキュービットを組み合わせて、エラーが発生しにくい巨大な「論理」キュービットを作成しています。物理学者が夢見る真に「フォールトトレラント」なユニバーサル量子コンピューターは、その潜在能力を最大限に発揮するために数百万キュービットを必要とする可能性があります。

しかし、物理学者は、うまく機能していなくても、まだ面白いことをしているこれらの小さくてノイズの多いデバイスの用途を見つけるかもしれないと期待しています。2017年、カリフォルニア工科大学の物理学者John Preskillは、ノイズの多い中規模量子技術(NISQ)時代と呼ばれる量子コンピューティングの新時代に突入した と宣言しました。

この10年間、科学者たちは量子力学の奇妙さを新しいセンシング技術に取り入れ、中国の科学者は量子力学の数学を使用して中国とオーストリア間のビデオ通話を暗号化する衛星を打ち上げました。量子を超えて材料科学に移行すると、研究者は、ほぼ室温で抵抗なしに電気を伝導する最初の材料を作成した可能性があります。これは、数十年にわたる別の発見です。そして昨年、科学者たちは、ひねるだけで2枚のグラフェンの超伝導のオンとオフを切り替えることができることを発見しました。それ以来、2次元システムで大量のフォローアップ作業が発生しています。

2010年代は、物理学の歴史の中で最高の時期ではないかもしれません。20世紀初頭には、数十の新しい発見が生まれました。その多くは、科学者が最大および最小のスケールで宇宙について考える方法を完全に覆しました。また、それは驚きのためのものではなく、その発見の多くは何年にもわたって作成されていました。しかし、この10年間を振り返る歴史家が、新しいテクノロジー、実験方法、歴史の流れを変えた考え方など、すべての物理学でパラダイムシフトが見られることは否定できません。

マクブライド氏は次のように述べています。「物理学にとって素晴らしい10年だったと思います。」

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