物理学家观察到太空中有效波增长理论的直接证据

物理学家观察到太空中有效波增长理论的直接证据有史以来第一次，物理学家观察到能量从谐振电子转移到空间的惠斯勒模式波。这为波的非线性增长理论提供了确认，而这一理论以前曾被预测过。这一突破可以为空间等离子体物理学和空间天气提供更多的理解，因为空间天气会对卫星产生影响。当人们想象外太空时，他们往往把它设想为一个完美的真空。事实上，这种印象是错误的，因为真空里充满了带电粒子。在太空深处，带电粒子的密度变得如此之低，以至于它们很少相互碰撞。与填充空间的电场和磁场有关的力量取代了碰撞，控制了带电粒子的运动。这种缺乏碰撞的情况发生在整个空间，除了非常接近天体的地方，如恒星、卫星或行星。在这些情况下，带电粒子不再通过空间的真空，而是通过一种介质，在那里它们可以撞击其他粒子。沿着磁场（紫色）传播的惠斯勒模式波磁场（带螺旋的蓝色箭头）与通过它的电子（红色）相互作用。资料来源：东京大学在地球周围，这些带电粒子的相互作用产生了波，包括电磁惠斯勒模式波，它散射并加速一些带电粒子。当行星两极周围出现弥漫性极光时，观察者看到的是波和电子之间互动的结果。由于电磁场在空间天气中如此重要，研究这些相互作用应该有助于科学家预测高能粒子的强度变化。这可能有助于保护宇航员和卫星免受空间天气的最严重影响。由名古屋大学空间与地球科学研究所（ISEE）的指定助理教授NaritoshiKitamura和YoshizumiMiyoshi组成的团队，与来自东京大学、京都大学、东北大学、大阪大学和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的研究人员以及一些国际合作者一起，主要利用美国宇航局磁层多尺度航天器上的低能量电子光谱仪（称为快速等离子体调查-双电子光谱仪）获得的数据。他们分析了电子和惠斯勒模式波之间的相互作用，这也是由航天器测量的。通过应用一种使用波粒相互作用分析仪的方法成功地直接检测到在航天器在空间的位置上从共振电子到哨兵模式波的持续能量转移。由此，他们得出了波的增长速度。研究人员在《自然通讯》上发表了他们的成果。最重要的发现是，观察到的结果与在这种互动中发生非线性增长的假设一致。"这是第一次有人直接观察到电子和惠斯勒模式波之间的波粒互动在空间的有效增长，"Kitamura解释说。"我们期望这些结果将有助于对各种波粒相互作用的研究，同时也提高我们对等离子体物理研究进展的理解。作为更具体的现象，这些结果将有助于我们了解辐射带中电子加速到高能的情况，这些电子有时被称为'杀手电子'，因为它们对卫星造成了损害，以及大气中高能电子的损失，形成了漫反射极光。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1339991.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1339991.htm

物理学家首次探测到由粒子对撞机制造的亚原子中微子

物理学家首次探测到由粒子对撞机制造的亚原子中微子这种粒子在1956年首次被发现，并在使恒星燃烧的过程中发挥了关键作用。这一发现有望帮助物理学家了解宇宙中最丰富的粒子的性质。这项工作还可以揭示出宇宙中微子的情况，这些中微子会长途跋涉并与地球发生碰撞，为了解宇宙的遥远部分提供了一个窗口。这是"前向搜索实验"（FASER）的最新成果，这是一个由国际物理学家小组设计和建造的粒子探测器，安装在瑞士日内瓦的欧洲核子研究理事会（CERN）。在那里，FASER检测由欧洲核子研究中心的大型强子对撞机产生的粒子。加州大学欧文分校粒子物理学家和FASER合作项目共同发言人乔纳森-冯（JonathanFeng）说："我们从一个全新的来源--粒子对撞机当中发现了中微子，在那里你有两束粒子以极高的能量砸在一起。"他发起了这个项目，UCI和21个合作机构的80多名研究人员参与其中。FASER粒子探测器位于欧洲核子研究中心大型强子对撞机的地下深处，大部分是用欧洲核子研究中心其他实验的备件建造的。信用：照片由欧洲核子研究中心提供欧洲核子研究中心的粒子物理学家布莱恩-彼得森周日代表FASER在意大利举行的第57届RencontresdeMoriond弱电相互作用和统一理论会议上宣布了这些结果。中微子是由已故UCI物理学家和诺贝尔奖得主FrederickReines在近70年前共同发现的，是宇宙中最丰富的粒子，"对建立粒子物理学的标准模型非常重要，"FASER联合发言人JamieBoyd说。"但是在对撞机上产生的中微子从未被实验所探测到。"自从Reines和UCI物理学和天文学教授HankSobel等人的开创性工作以来，物理学家研究的大多数中微子都是低能量的中微子。但是FASER检测到的中微子是在实验室中产生的最高能量的中微子，与深空粒子在我们的大气层中引发巨大的粒子雨时发现的中微子相似。Boyd说："它们能以我们无法了解的方式告诉我们关于深空的情况。大型强子对撞机中的这些非常高能量的中微子对于理解粒子天体物理学中真正令人兴奋的观察结果非常重要。"FASER本身在粒子探测实验中是新的和独特的。与欧洲核子研究中心的其他探测器相比，如ATLAS，它有几层楼高，重达数千吨，而FASER大约只有一吨，可以整齐地放在欧洲核子研究中心的一个小侧隧道内。而且，它只花了几年时间就利用其他实验的备件进行设计和建造。UCI实验物理学家戴夫-卡斯帕说："中微子是大型强子对撞机上更大的实验无法直接探测到的唯一已知粒子，所以FASER的成功观测意味着对撞机的全部物理学潜力终于被开发出来了。"除了中微子，FASER的另一个主要目标是帮助识别构成暗物质的粒子，物理学家认为暗物质包括宇宙中的大部分物质，但他们从未直接观察到。FASER尚未发现暗物质的迹象，但随着大型强子对撞机将在几个月后开始新一轮的粒子对撞，该探测器已经准备好记录任何出现的暗物质。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1350507.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1350507.htm

0.000000000000000005 秒 - 物理学家生成人类有史以来最短的信号之一

0.000000000000000005秒-物理学家生成人类有史以来最短的信号之一自然界中的分子或固态过程有时可以在短至飞秒（四十亿分之一秒）或阿秒（五十亿分之一秒）的时间范围内发生。核反应的速度甚至更快。现在，康斯坦茨大学的科学家马克西姆-查列夫（MaximTsarev）、约翰内斯-图尔纳（JohannesThurner）和彼得-鲍姆（PeterBaum）正在使用一种新的实验装置来实现阿秒级持续时间的信号，即十亿分之一纳秒，这为超快现象领域开辟了新的前景。即使是光波也无法达到这样的时间分辨率，因为单次振荡所需的时间太长了。电子是一种补救措施，因为电子可以大大提高时间分辨率。在他们的实验装置中，康斯坦茨的研究人员利用激光器发出的一对飞秒闪光，在自由空间光束中产生极短的电子脉冲。研究结果发表在《自然-物理学》杂志上。科学家们是如何做到这一点的呢？与水波类似，光波也可以叠加产生驻波或行波的波峰和波谷。物理学家们选择了入射角和频率，使以一半光速在真空中飞行的共振电子与速度完全相同的光波波峰和波谷重叠。所谓的"思索动力"将电子推向下一个波谷的方向。因此，经过短暂的相互作用后，就会产生一系列时间极短的电子脉冲--尤其是在脉冲序列的中间，那里的电场非常强。在很短的时间内，电子脉冲的持续时间只有大约五阿秒。为了了解这一过程，研究人员测量了压缩后电子的速度分布。物理学家约翰内斯-图尔纳解释说："输出脉冲的速度并不是非常均匀的，而是一种非常宽泛的分布，这是由于在压缩过程中一些电子强烈减速或加速的结果。不仅如此：这种分布并不平滑。相反，它由数以千计的速度阶梯组成，因为每次只有整数的光粒子对能够与电子相互作用"。研究意义这位科学家说，从量子力学角度看，这是电子在不同时间经历相同加速度后与自身的时间叠加（干涉）。这种效应与量子力学实验--例如电子与光的相互作用--有关。同样令人瞩目的是像光束这样的平面电磁波通常无法在真空中引起电子的永久速度变化，因为大质量电子和静止质量为零的光粒子（光子）的总能量和总动量无法保持不变。然而，在比光速慢的波中同时存在两个光子，就可以解决这个问题（卡皮查-迪拉克效应）。对于康斯坦茨大学物理学教授兼光与物质小组负责人彼得-鲍姆（PeterBaum）来说，这些成果显然仍属于基础研究，但他强调了未来研究的巨大潜力："如果一种材料在不同的时间间隔内受到我们两个短脉冲的冲击，第一个脉冲可以引发变化，第二个脉冲可以用于观察--类似于照相机的闪光"。他认为，最大的优点是实验原理中不涉及任何材料，一切都在自由空间中进行。原则上，任何功率的激光器将来都可以用于更强的压缩。鲍姆说："我们新的双光子压缩技术使我们能够进入新的时间维度，甚至可以拍摄核反应过程。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1383121.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1383121.htm

物理学家正在揭开“时间箭头”的谜团

物理学家正在揭开“时间箭头”的谜团理论物理学家的一项新研究在确定粒子和细胞如何产生大规模动态方面取得了进展，我们将其视为时间的流逝。我们如何体验世界的一个核心特征是时间从过去流向未来。但是，这个被称为“时间箭头”（Arrowoftime）的现象是如何从粒子和细胞之间的微观互动中产生的，却是一个谜。纽约市立大学研究生中心理论科学倡议（ITS）的研究人员在《物理评论快报》杂志上发表了一篇新的论文，正在帮助揭开这个谜团。这些发现可能对广泛的学科产生重要影响，包括物理学、神经科学和生物学。从根本上说，“时间箭头”产生于热力学第二定律。这是物理系统的微观排列趋向于增加随机性的原则，从有序到无序。一个系统变得越无序，它就越难找到回到有序状态的方法，“时间箭头”也就越强。简而言之，宇宙的无序倾向是我们体验到时间朝一个方向流动的根本原因。“我们团队的两个问题是，如果我们观察一个特定的系统，我们是否能够量化其时间箭头的强度，以及我们是否能够理清它是如何从细胞和神经元相互作用的微观尺度出现在整个系统中的？”ITS项目的博士后和该论文的第一作者ChristopherLynn说。“我们的发现为理解我们在日常生活中体验到的时间箭头是如何从这些更微观的细节中出现的提供了第一步。”为了开始回答这些问题，物理学家们探索了如何通过观察一个系统的特定部分和它们之间的相互作用来分解时间箭头。例如，这些部分可以是在视网膜内运作的神经元。观察一个单一的时刻，他们表明“时间箭头”可以被分解成不同的部分：那些由单独工作的部分、成对工作的部分、三合一工作的部分或更复杂的配置产生的部分。有了这种分解“时间箭头”的方法，科学家们分析了关于蝾螈视网膜中的神经元对不同电影的反应的现有实验。在一部电影中，一个物体在屏幕上随机移动，而另一部电影则描绘了自然界中的全部复杂场景。在这两部电影中，研究小组发现，“时间箭头”出现在成对的神经元之间的简单互动中，而不是大型的、复杂的群体。令人惊讶的是，研究人员还观察到，在观看随机运动时，视网膜显示的“时间箭头”比自然场景更强。Lynn说，这后一个发现提出了关于我们对“时间箭头”的内部感知如何与外部世界保持一致的问题。Lynn表示：“这些结果可能会引起神经科学研究人员的特别兴趣。例如，它们可能会导致关于时间箭头在神经类型的大脑中是否有不同功能的答案。”该研究的主要研究者、研究生中心的物理学和生物学教授DavidSchwab说：“Chris对局部不可逆性的分解--也被称为时间箭头--是一个优雅、通用的框架，可能为探索许多高维、非平衡系统提供一个新视角。”...PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1308219.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1308219.htm

BNL物理学家发现了一种全新的量子纠缠类型

BNL物理学家发现了一种全新的量子纠缠类型一对粒子可以变得如此相互纠缠，以至于无论它们之间的距离有多远，都不能脱离另一个来描述。更奇怪的是，改变一个粒子会立即引发其伙伴的变化，即使它在宇宙的另一端。这个被称为量子纠缠的想法对我们来说是不可能的，因为我们是在经典物理学的领域里。甚至爱因斯坦也对此感到不安，将其称为"远距离的幽灵行动"。然而，几十年来的实验一直支持它，它构成了量子计算机和网络等新兴技术的基础。通常情况下，对量子纠缠的观察是在性质相同的一对光子或电子之间进行的。但现在，BNL团队首次检测到了一对正在进行量子纠缠的不同粒子。这一发现是在布鲁克海文实验室的相对论重离子对撞机（RHIC）中进行的，该对撞机通过加速和粉碎金离子来探测早期宇宙中存在的物质形式。但研究小组发现，即使在离子没有碰撞的情况下，也有很多东西可以从近距离的碰撞中学习。布鲁克海文实验室相对论重离子对撞机中的探测器，在这里发现了一种新型的量子纠缠加速的金离子被小的光子云所包围，当两个离子相互靠近时，其中一个的光子可以捕捉到另一个内部结构的图像，比以往任何时候都更详细。这一点对物理学家来说就足够吸引人了，但这只能发生在一种前所未有的量子纠缠形式下。光子与每个离子核内的基本粒子相互作用，引发了一个级联，最终产生了一对叫做"离子"的粒子，一个是正的，一个是负的。正如你可能记得的高中物理，一些粒子也可以被描述为波，在这种情况下，来自两个负离子的波相互加强，而来自两个正离子的波则相互加强。这推动了研究人员打造出只有一个正离子和一个负离子的波函数撞击检测器。这表明每一对正负离子都是相互纠缠在一起的。该团队说，如果它们不是这样，撞击探测器的波函数将是完全随机的。因此，这是首次探测到不同粒子的量子纠缠。一张图说明了新发现的量子纠缠类型是如何被检测到的。黄色的圆圈是金离子，蓝色和粉色的圆圈分别是正离子和负离子。来自每个离子的电波加强了来自另一个离子的相同离子的电波，因此它们以两个强烈的信号击中了检测器，在图像的顶部被视为蓝色和粉红色电波的集中。这只有在来自每个离子的正负离子以一种以前未曾见过的形式进行量子纠缠时才能起作用。说明新发现的量子纠缠类型是如何被检测到的图表。黄色的圆圈是金离子，蓝色和粉红色的圆圈分别是正离子和负离子。来自每个离子的电波加强了来自另一个离子的同一质子的电波，因此它们以两个强烈的信号击中了检测器，在图像的顶部被视为蓝色和粉红色电波的集中。这只有在每个离子的正负离子是量子纠缠的情况下才能起作用，其形式是以前没有见过的。图像来源/布鲁克海文国家实验室"我们测量两个流出的粒子，显然它们携带的电荷是不同的，证明它们是不同的粒子，但是我们又看到了干扰模式，表明这些粒子是纠缠在一起的，或者说是彼此同步的，尽管它们是可区分的粒子，"该研究的作者ZhangbuXu说。除了扩大我们对量子物理学的理解外，这一发现还能带来新的技术，比如该团队一直在使用的窥视金离子核内部的方法。该研究发表在《科学进展》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1337873.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1337873.htm

奇妙的波浪： 物理学家揭示了镍磁体中的自旋激子

奇妙的波浪：物理学家揭示了镍磁体中的自旋激子在《自然-通讯》杂志上发表的一项研究中，研究人员报告说在钼酸镍这种层状磁性晶体中发现了不寻常的特性。被称为电子的亚原子粒子类似于微小的磁铁，而且它们通常像罗盘针一样在磁场中定位。在实验中，中子从晶体内的磁性镍离子中散射出来，研究人员发现，每个镍离子的两个最外层电子表现得不同。这两个电子不是像罗盘针一样排列它们的自旋，而是在物理学家称之为自旋单子的现象中相互抵消。该研究的通讯作者、莱斯大学的戴鹏程说："这样的物质根本就不应该是磁铁。而且，如果一个中子从一个特定的镍离子上散射下来，激发应该保持在局部，而不是在样品中传播。"戴鹏程是莱斯大学物理学和天文学教授。因此，当中子散射实验中的仪器检测到不是一个，而是两个系列的传播波时，戴鹏程和他的合作者感到惊讶，每个波的能量都有很大的不同。为了了解这些波的起源，有必要深入研究磁性晶体的原子细节。例如，来自晶体中原子的电磁力可以与磁场竞争，并影响邻近原子内的电子。这被称为晶体场效应，它可以迫使电子自旋沿着与磁场方向不同的方向定向。探测钼酸镍晶体的晶场效应需要额外的实验和对实验数据的理论解释。莱斯大学的合作者EmiliaMorosan说："实验小组和理论之间的合作对于描绘一幅完整的画面和理解在这种化合物中观察到的不寻常的自旋激发是最重要的。"莫罗桑的研究小组利用比热测量探测了晶体对温度变化的热反应。从这些实验中，研究人员得出结论，在层状钼酸镍中出现了两种晶体场环境，而且这两种环境对镍离子的影响非常不同。研究报告的共同作者、帮助解释实验数据的莱斯大学理论物理学家AndriyNevidomskyy说："在一种情况下，场效应相当弱，对应的热能约为10开尔文。在几开尔文的温度下，看到中子可以激发镍原子的磁自旋波，这也许并不令人惊讶，因为镍原子受到这种第一类晶体场的影响。但最令人费解的是看到它们来自受第二种类型影响的镍原子。那些原子周围有四面体排列的氧原子，电场效应几乎强了20倍，这意味着激发的产生要难得多。"Nevidomskyy说："这可以理解为如果相应的镍离子上的自旋具有不同的"质量"。这个比喻是指重的篮球与网球混在一起，为了激发第二种类型的自旋，即较重的篮球，我们必须通过向材料照射更多的高能中子来施加更强的'踢'。"由此产生的对镍自旋的影响被称为自旋激子，人们通常会期望激子产生的"踢"的效果被限制在一个单一的原子中。但是实验的测量结果表明，"篮球"在一致地运动，创造了一种意想不到的波。更令人惊讶的是，这些波似乎在相对较高的温度下仍然存在，在那里晶体不再表现为磁铁。内维多姆斯基和来自加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的理论家合著者莱昂-巴伦茨提供的解释是：较重的自旋激子--比喻中的篮球--随着周围较轻的磁性激子--比喻中的网球--的波动而晃动，如果这两类球之间的相互作用足够强，较重的自旋激子参与到类似于波的连贯运动中。"特别有趣的是，"戴说，"两种镍原子各自形成一个三角形晶格，因此这个晶格内的磁相互作用是受挫的。"在三角形晶格的磁性中，挫折指的是使所有的磁矩相对于它们的三个近邻反平行（上下）对齐的困难。了解磁挫折在三角形晶格中的作用是戴和Nevidomskyy两人多年来一直致力于解决的长期挑战之一。Nevidomskyy说："找到一个谜题，与自己的预期相反，然后感到一种了解其起源的满足感，这是非常令人兴奋的。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1358691.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1358691.htm