过去的一年有大量有关宇宙奇观的新闻，包括发现穿过银河系的巨大引力波、发布首张银河系中微子照片，以及对行星碰撞可能性的研究等。

在巨型引力波中冲浪

脉冲星计时阵列 (PTA) 使用嵌入银河系的一组脉冲星来探测调制来自脉冲星的无线电信号的引力波的通道。四项 PTA 合作提供了纳赫兹引力波随机背景的证据 | 图源：D. Champion/Max Planck Institute for Radio Astronomy

成对的超大质量黑洞（如计算机模拟中所示）被认为是对观测到的引力波背景信号的可能解释 | 图源：NASA’s Goddard Space Flight Center

今年最大的突破之一是发现我们的银河系在巨大引力波的海洋中航行，这些引力波在数年到数十年的时间尺度上摇摆。纳赫兹波是由四个独立的射电天文学实验发现的，这些实验通过记录被称为脉冲星的宇宙「灯塔」脉冲到达时间的细微变化来检测引力波的通过。对这些波最合理的解释涉及其他星系中的成对超大质量黑洞，但不能排除与暗物质、膨胀或宇宙缺陷有关的来源。

透过中微子观察银河系

银河系的四个视图。前3张来自不同频率的光波（无线电、光学和伽马射线），第4张是首张银河系中微子图 | 图源：IceCube Collaboration

6 月 29 日，IceCube Collaboration 发布了首张银河系中微子图像。该地图由一系列蓝色、模糊、相互连接的斑点组成，与在无线电、光学和伽马射线波长下拍摄的天空斑块图像大致匹配。IceCube 的 Naoko Kurahashi Neilson 第一眼看到它时就哑口无言。「想想人类历史上所有观察过银河系的人，无论是用自己的眼睛还是通过望远镜。他们谁都没有看到这个景象。成为第一真是令人兴奋。」天文学家仍然必须分析这张地图，看看它可能包含什么秘密。

回避量子引力？

左侧显示了具有经典部分和量子部分的混合态。经典部分是位置-动量相空间（x, p)中的概率分布（灰色峰值）。量子部分是一组密度算子（红色箭头），它们确定相空间中每一点的量子态。随机耦合（骰子）定义了两个部分如何随着时间的推移相互作用和演变。右侧显示了自旋测量情况下的演变。经典部分分为两个峰值，对应于自旋测量的两个结果，即向上或向下 | 图源：APS/A. Stonebraker

大多数物理学家希望在所有基本力的核心找到量子行为。但引力尚未实现这一期望，因为量子化引力需要从其他力理论下面扯出「经典时空地毯」。新的理论工作表明存在另一种选择：将时空保留为经典，但通过将引力与其他力耦合的机制插入一些随机性。这种方法的一个优点是它可以描述量子场对时空曲率的影响。研究人员提出了对这一新理论的可能测试，例如尝试通过引力纠缠两个质量或寻找引力场中物体重量的波动。

细胞式高效交流

该图描绘了 Bryant 和 Machta 考虑的扩散信号机制。发送器（蓝色）调节信号分子（红色）的浓度。这些分子通过细胞扩散到接收器（黄色） | 图源：APS/Carin Cain

交流使生物有别于非生物。生物有机体不仅不断与周围环境进行能量交换，而且这种交换还与发送和接收信息密切相关。研究人员采用了一种新方法来确定细胞在其各组成部分之间发送信息需要多少能量。基于三种主要信号机制（电流、分子扩散和声波）的模型确定了以合理的能量成本发送信息的距离。这一发现将有助于研究人员量化生物信号传递的效率，并理解能量和信息交换的相互作用是如何定义生命物质的。

量子网络的中继器

配备离子阱量子存储器的量子中继器已用于在相距 50 公里的两个网络节点之间分配纠缠电信波长光子 | 图源：APS/M. Hajdušek/C. Cain

研究人员通过演示基于离子阱的量子中继器，向开发实用的量子通信网络迈出了重要一步。量子网络中的量子位通常采用通过光纤交换的纠缠光子的形式。但光纤中的衰减对光子可靠交换的距离设置了最终限制。基于离子阱的量子中继器可以通过充当远距离各方之间的中间节点来弥补光子损失。该团队使用中继器演示了 50 公里的连接，但他们还绘制了一条在不久的将来实现数百公里传输跨度的路径。

直面偏见

进步的白人男性物理学家可能对自己在不平等中所扮演的角色「一无所知」 | 图源：APS/Carin Cain

Physics Magazine在 APS 三月会议上主办了一场关于建立一个公平的物理学界的会议，其中包括讨论一项关于白人、顺性别男性在延续物理学界不平等现场中所扮演的角色的研究。该研究通过对自我认同的进步人士的采访表明，该群体中的白人顺性别男性表现出一贯的无知、无所作为和逃避责任的模式。「与我们交谈过的人似乎都真诚地希望世界是公平的，」参与这项研究的梅丽莎·丹西说。她认为，教育具有这些身份的男性如何提供帮助将改变该领域对歧视行为的认识，「然后我们就可以做出有意义的改变。」

物理学家能为人工智能做什么？

数字艺术家 Julius Horsthuis 使用分形和人工智能创作了这部作品重力波 | 图源：J. Horsthuis

人工智能和机器学习 (AI/ML) 在物理学中变得越来越有用。一些应用程序利用AI/ML（人工智能/机器学习）的能力来检索大量数据，以提取有意义的物理见解。但是，正如马里兰大学的Sankar Das Sarma 所写，人工智能/机器学习不仅仅是一种日常工具。它可以通过发现新概念和理论来彻底改变物理学。Das Sarma 认为，物理学家不应该只是被动地使用 AI/ML，还应该努力理解它为何有效以及何时会失败。「我们不仅应该问 AI/ML 能为我们做什么，还应该问我们能为 AI/ML 做什么，」他写道。

星球安全区

图源：APS/Laura Canil

世界确实可以碰撞。这是科学家们的担忧，他们研究太阳系的混沌，发现行星在数百万年的时间尺度上会脱离轨道，可能导致行星碰撞。然而，我们的太阳系在十亿年的时间尺度上是稳定的。新研究揭示了可能阻止灾难性粉碎的原因。研究人员发现太阳系中的某些量，它们受到类似于控制角动量的守恒定律的约束。这些定律「引导」行星的混乱运动，因此轨道变化需要很长时间才能发生。

分子晶格钟

运行分子晶格钟需要多个激光器、镜子、棱镜和其他光学组件 | 图源：T. Zelevinsky/Columbia University

腕表如今正卷土重来，但物理学中最新的计时时尚可能是分子钟。使用捕获原子的高精度时钟很常见，但相同的工作原理也可以应用于捕获分子。研究人员利用锶分子 (SR₂) 构建了迄今为止最精确的分子钟，误差率为十分之一< a i=3>14。该时钟的滴答声来自锶分子的振动跃迁，虽然不如原子钟那么精确，但该装置可以满足特定的应用需求。例如，研究人员可以通过比较由不同同位素锶制成的时钟的滴答频率，使用它们来寻找假设的重力相关力。

消除水波

再见波浪。此概念视图显示了波导引导水波穿过两个腔体。这些空腔，对于特定的尺寸选择，可以产生二次波，完全抵消反射波和透射波，表现出完美的吸收（见下图） | 图源：L.-P. Euvé et al.

无迹可循。在这张实验图像中，从左侧到达的波在到达一对空腔时消失了 | 图源：L.-P. Euvé et al.

为了减少海岸线侵蚀，研究人员建造了一条 6 厘米宽的水道，可以「吞噬」水波。当频率合适的波到达通道侧面内置的一对谐振腔时，它们就会消失——谐振腔通过产生抵消任何进一步传播的反射来消除来自该点的所有反射和传输。一位波浪传播专家表示，这个想法可能会带来诸如降低漫溢风险的堤坝和从海浪中提取能量的系统等应用。

南极「过冬」

图源：APS/Alan Stonebraker

每年冬天，在阿蒙森-斯科特南极站，数十名研究人员都会冒着长达 6 个月的极夜，进行气候科学、天体物理学和生物学实验。在播客This is Physics的一集中，两位在南极望远镜和 BICEP 实验中工作的研究人员向Physics Magazine讲述夜空的美丽和测量宇宙最初时刻信号的兴奋，同时讲述了南极生活所带来的感官剥夺。一位富有创意的面包师（也是一位播客嘉宾）找到了从空间站小温室种植的青椒中获取发酵酵母的方法，他提供的美味食物让他们精神振奋。

参考来源：

https://physics.aps.org/articles/v16/213

--Physics Magazine

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