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从等离子体物理学到量子引力,“小实验”将统治21世纪的物理学

本文摘要:随着瑞士大型强子对撞机(LHC)发现希格斯玻色子,更大型对撞机的投资回报将是什么还不清楚。事实上,制作未来圆形对撞机(100公里)的主要论点,并不是说我们可以发现新的物理现象来证实超对称性或者弦理论。 相反,争论的焦点是如何更好地明白反物质、暗物质或暗能量。问题是粒子加速器纷歧定是研究这些工具的最佳方法(反物质可能除外)。 但我们不需要200亿美元的新加速器来研究它。事实上,在1000 - 1亿美元规模内的千兆瓦激光器也可以发生反物质和更小的加速器。

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随着瑞士大型强子对撞机(LHC)发现希格斯玻色子,更大型对撞机的投资回报将是什么还不清楚。事实上,制作未来圆形对撞机(100公里)的主要论点,并不是说我们可以发现新的物理现象来证实超对称性或者弦理论。

相反,争论的焦点是如何更好地明白反物质、暗物质或暗能量。问题是粒子加速器纷歧定是研究这些工具的最佳方法(反物质可能除外)。

但我们不需要200亿美元的新加速器来研究它。事实上,在1000 - 1亿美元规模内的千兆瓦激光器也可以发生反物质和更小的加速器。

与此同时,暗物质最好留给暗物质探测器,暗能量最好留给太空显形者。确实,我们有理由认为,可以发现更有趣的物理学,但不是像大型强子对撞机那样大规模单一投资,而是投资于小型、廉价、高风险、高回报的实验,这些实验都摆在“桌子”上。这些房间巨细的实验让人想起18或19世纪卡文迪许、法拉第、麦克斯韦、麦克尔森和莫雷的实验。仅仅在已往的10年里,他们已经悄悄地取得了一些惊人的发现,好比发现了热力学第二定律的破例,从布朗运动中发生能量,实现了量子盘算等等。

这篇文章不是赞成或阻挡制作一个更大的超级对撞机,而是讨论“桌面实验”因其对大科学的庞大孝敬而受到广泛认可,当它们能够揭开众多而神秘的宇宙的某个角落时,应该被视为独创性的胜利。事实上,思量到它们的物理结果,它们的体现可能会凌驾“大科学”。我将“大科学”界说为政府资助的大型项目,耗资数十亿,雇佣数百或数千人,研究领域包罗凝聚态物理、统计力学和热力学、质料科学、量子盘算和信息、引力,甚至量子引力。

例如,牛津大学的量子引力实验建议丈量重力对两个相互叠加的粒子的影响。目的将是探测由引力相互作用引起的两个微小质量的纠缠。

所有这些都可以在一个小小的桌面实验中完成。只管三年前学术媒体对这项实验举行了讨论,但现在还没有任何消息讲明这项实验已经完成,但它可能在不久的未来就会成为可能。去年,马里兰大学举行了另一项激感人心的桌面实验,模拟了通过一个可移动的虫洞发送信息的历程。

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在虫洞中,信息在一端通报,在量子混淆粒子中举行搅乱,然后再从另一端提取出来。就在一年前,人们还认为这个实验是一个不行能的思维实验。与此同时,去年,摩尔基金会资助斯坦福研究人员1500万美元,让他们举行种种桌面实验,以探索量子纠缠效应和波粒二象性的细微细节,这些细节是粒子加速器无法探测的。

这是因为粒子加速器的事情原理是以极高的能量密度和相对论速度将物质撞击在一起,从而发生新的粒子和粒子效应,但它们无法举行需要准确种类的粒子相互作用和细微丈量的实验。其中两个受资助的实验将着眼于诸如暗物质和引力波之类的工具,而第三个更有趣的实验将直接着眼于物理实验是如何举行的,以及如何以一种更好、更小、更准确的思路使它们成为可能。许多这样的实验依赖于现有的技术。例如,如何使用为核磁共振机械提供动力的技术,通过探测轴子来探测暗物质的细节。

或者使用原子干预干与丈量法在桌面实验中探测引力波,现在这种实验依靠像LIGO这样的大阵列来探测,通过视察波长很长的波而不是LIGO看到的短波。只管许多已经提出的桌面实验最终将被建设、测试,但却找不到任何效果,但相对于耗资数百万或数十亿美元也可能什么也找不到的实验而言,它们相对自制的事实是一个庞大的优势。

20世纪是大政府资助研究项目的时代,而21世纪是更小、更快、更自制的时代,回报是显而易见的。科学必须迎头遇上。


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