物理学家通过探测装置成功证明空间有效波增长理论

物理学家通过探测装置成功证明空间有效波增长理论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范围，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。在地球周围，这些带电粒子的相互作用产生了波，包括电磁呼啸模式波，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）的指定助理教授北村成俊和三好教授组成的团队，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，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，他们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，"北村解释说。"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/1338411.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1338411.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

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

重新思考太空中的声音：物理学家展示声音如何穿越真空

重新思考太空中的声音：物理学家展示声音如何穿越真空声波隧穿真空间隙。资料来源：耿卓然和IlariMaasilta他们最近在《通信物理学》杂志上发表的研究结果表明，在某些情况下，声波可以"穿越"两个固体物体之间的真空间隙，前提是这些物体是压电体。这些特殊材料在受到声波或振动时会产生电响应。鉴于电场可以存在于真空中，它可以有效地将这些声波带过真空。要求是缝隙的尺寸小于声波的波长。这种效应不仅适用于音频范围（赫兹-千赫兹），也适用于超声波（兆赫）和超音波（千兆赫）频率，只要真空间隙随着频率的增加而变小即可。在大多数情况下，这种效应很小，但我们也发现，在这种情况下，波的全部能量在真空中跳跃，效率高达100%，而且没有任何反射。于韦斯屈莱大学纳米科学中心的IlariMaasilta教授说，这种现象可以应用于微机电元件（MEMS，智能手机技术）和热量控制。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1376635.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1376635.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

物理学家以前所未有的精确度测量原子核的波状振动

物理学家以前所未有的精确度测量原子核的波状振动研究人员在科学杂志《自然-物理》上发表的论文中断言，他们的测量结果是迄今为止对核材料波状运动最精确的确认。此外，他们没有发现任何证据表明原子核之间的作用力有任何偏差。近100年来，简单原子一直是精密实验和理论研究的对象，其中对氢原子--只有一个电子的最简单原子--的描述和测量工作堪称开创性。目前，氢原子能量及其电磁频谱是最精确计算的束缚量子系统能量。由于还可以对频谱进行极其精确的测量，因此将理论预测与测量结果进行比较可以检验预测所依据的理论。实验示意图：在离子阱（灰色）中，激光波（红色）被发送到HD+分子离子（黄色/红色点对）上，引起量子跃迁。这反过来又导致分子离子的振动状态发生变化。这一过程与光谱线的出现相对应。激光波长经过精确测量。图片来源：HHU/SorooshAlighanbari此类测试非常重要。全世界的研究人员都在寻找暗物质存在可能产生的新物理效应的证据--尽管至今未果。这些效应将导致测量与预测之间的差异。与氢原子相比，最简单的分子在很长一段时间内都不是精确测量的对象。然而，由哈佛大学实验物理学系主任斯蒂芬-席勒教授（StephanSchillerPh.D.）领导的研究小组却致力于这一课题的研究。在杜塞尔多夫，该研究小组开展了开创性的工作，开发出了世界上最精确的实验技术。最简单的分子是分子氢离子（MHI）：氢分子缺少一个电子，由三个粒子组成。其中一种变体H2+由两个质子和一个电子组成，而HD+则由一个质子、一个氘核（一种较重的氢同位素）和一个电子组成。质子和氘核是带电的"重子"，即受到所谓强力作用的粒子。MHI的示意图，这里是一个HD+分子：它由一个氢原子核（p）和一个氘核（d）组成，这两个原子核可以相互旋转和振动。此外，还有一个电子（e）。p和d的运动表现为光谱线的出现。资料来源：HHU/SorooshAlighanbari在分子内部，各成分可以有不同的行为方式：电子围绕原子核运动，而原子核则相互振动或旋转，粒子的行为就像波一样。量子理论详细描述了这些波的运动。不同的运动模式决定了分子的光谱，反映在不同的光谱线上。光谱的产生方式与原子光谱类似，但要复杂得多。目前物理学研究的艺术在于极其精确地测量光谱线的波长，并在量子理论的帮助下极其精确地计算这些波长。如果这两个结果相吻合，就证明了预测的准确性，而如果不吻合，则可能为"新物理学"埋下伏笔。多年来，哈佛大学的物理学家团队不断改进MHI的激光光谱学，开发出各种技术，将光谱的实验分辨率提高了多个数量级。他们的目标是：光谱测量越精确，理论预测就越能得到验证。这样就能发现任何可能的理论偏差，从而为理论的修改提供起点。席勒教授的团队将实验精度提高到了优于理论的水平。为了实现这一目标，杜塞尔多夫的物理学家们将大约100个中等数量的MHI限制在一个超高真空容器的离子阱中，利用激光冷却技术将离子冷却到1毫开尔文的温度。这样就可以非常精确地测量旋转和振动跃迁的分子光谱。继早先对波长为230μm和5.1μm的光谱线进行研究之后，作者现在又在《自然-物理学》上发表了对波长更短的1.1μm光谱线的测量结果。席勒教授说："实验测定的过渡频率与理论预测一致。结合之前的结果，我们对带电重子的量子运动进行了最精确的检验：任何偏离既定量子定律的情况如果存在，其偏差必须小于千亿分之一。"这一结果也可以用另一种方式来解释：假设除了众所周知的库仑力（带电粒子之间的作用力）之外，质子和氘核之间还可能存在另一种基本力。主要作者SorooshAlighanbari博士说："这种假设的力可能与暗物质现象有关。我们在测量过程中还没有发现这种力的任何证据，但我们将继续寻找"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1374487.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1374487.htm