125年来,物理学都取得了哪些突破性进展?

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125年来,物理学都取得了哪些突破性进展?

1893年,美国物理学家Edward Nichols在康奈尔大学创办了Physical Review(《物理评论》)期刊,这便是今天包括Physical Review Letters(《物理评论快报》)在内的物理学顶级期刊方阵——Physical Review系列期刊的鼻祖。

 

今年是Physical Review创刊125周年,为了纪念这一重要的时刻,美国物理学会(APS)从浩如烟海的论文中遴选出了49项具有里程碑意义的工作,绘制出了一张横跨百年的时间表。

 

今天,我们就一起来回顾物理学发展历程中那些非凡的闪光时刻。(本文还添加了其它两篇非常重要但却被没有被选出的论文)

1

1913年:测定电子电量

 

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图片来源:wikimedia commons

1913年,Millikan 通过油滴实验证明了电荷量不能是连续值,只能是某个基本常数的整数倍,这就是我们今天所说的“元电荷”。值得一提的是,在当时的实验条件下,密立根油滴实验测得的元电荷数值与今天公认值的误差不到0.5%。(Millikan荣获了1923年的诺贝尔物理学奖)

2

1923年:发现光的粒子性

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光究竟是粒子还是波?1923年,Compton散射实验告诉我们光具有粒子的特性:当X射线和伽马射线被电子散射时,它们的动量减少了,这与经典电磁理论相违背,从而证实了光的粒子性。(Compton荣获了1927年的诺贝尔物理学奖)

 

3

1927年:实验证明物质波的存在

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图片来源:C.DAVISSON AND L.H.GHRMER

德布罗意在理论上预言了物质波的存在,而在实验上的证实工作则是由Davisson和Germer 完成的。1927年,他们用电子束轰击金属镍的晶体,观察到了清晰的干涉图案,这是物质波存在的最好证明。(德布罗意荣获了1929年的诺贝尔物理学奖。)

 

4

1931年:不可逆过程相关理论的提出

 

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Onsager在两篇论文中提出了描述像热传递这种不可逆过程的普适理论。在这套理论中,Onsager推导了一组应用广泛的“倒易关系”。例如,他们可以被用于预测热电子和自旋电子器件的行为。(Onsager荣获了1968年的诺贝尔化学奖)

 

5

1932年:氘的发现

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1932年,Urey、Brickwedde和Murphy发现了一种由一个质子、一个中子和一个电子组成的氢的同位素——氘。随后在第二次世界大战中,氧化氘(也就是我们现在所说的重水)被应用到核反应堆中。如今,氘被广泛应用于核磁共振实验以及大量的化学和粒子物理学实验。(Urey荣获了1934年的诺贝尔化学奖。)

 

6

1933年:发现反物质

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通过观察宇宙射线中未知粒子在云室中的轨迹,1933年,Anderson发现了电子的反粒子——正电子。狄拉克曾预言每一种费米子都具有一个质量相同但电荷相反的反粒子,Anderson的发现为这项预言提供了第一个证据支持。(安德森荣获了1936年的诺贝尔物理学奖)

 

7

1935年:EPR佯谬挑战量子理论

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Einstein(爱因斯坦)、Podolsky和Rosen(EPR)构造出一个思想实验旨在证明量子力学和定域实在性间的冲突。后来的实验通过验证贝尔不等式不成立反而证实了量子力学的正确性。EPR在论文中论述了纠缠的性质,纠缠现在已经成为量子信息领域的基础。

 

8

1935年:量子力学是完备的吗?

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这是没有被APS编辑选出的论文之一。1935年10月,Bohr(玻尔)对EPR的论文进行了详细的回复,之后关于EPR实验也支持了玻尔的预期(见36)。但今天有些理论家仍然相信玻尔是错误的,而爱因斯坦才是正确的。(在那个年代,关于量子力学是否完备,玻尔和爱因斯坦展开了一场世纪论战。虽然爱因斯坦一直坚信量子力学是不完备的,但在整个辩论的过程中,都极大的促进了量子力学的发展。)

 

9

1938年:核磁共振的发现

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1938年,Rabi和他的同事发现了核磁共振现象,并测量了分子束中的核磁矩。后来,Bloch、Purcell和他的合作者将Rabi的技术拓展到液体和固体的核研究,最终使核磁共振成像成为可能。(Rabi荣获了1944年的诺贝尔物理学奖,Bloch与Prucell荣获了1952年的诺贝尔物理学奖。)

 10

1939年:核裂变液滴模型的提出

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在物理学家发现惊人的核裂变现象不到一年之后,1939年,Bohr和Wheeler用液滴模型计算核裂变参数,计算结果与实验非常吻合。这一模型的提出对原子弹和核电的发展至关重要。

 11

1939年:恒星核反应的预测

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1939年,Bethe预言两种产物为氦的核反应可能是恒星动力的来源:氢的聚变碳-氧-氮循环。九年后,Bethe、Alpher和Gamow利用最初的宇宙大爆炸模型为宇宙中的元素丰度提出了一种解释。(Bethe荣获了1967年的诺贝尔物理学奖)

 12

1939:黑洞形成的过程

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1939年,在与Bohr和Wheeler提出裂变论文的同一期中,Oppenheimer 和Snyder 首次描述了黑洞形成的过程。当然,那个时候“黑洞”这一名字并不存在(直到1967年,Wheeler提出黑洞一词后才普及起来),但Oppenheimer和Snyder 详尽地的解释了一颗大质量恒星是如何在自身的引力下坍缩,并最终消失在视线之中。但他们的研究并没有引起重视,不久后Oppenheimer就投入曼哈顿计划。

 13

1947年:兰姆位移的发现

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Lamb(兰姆) 和Retherford测量发现了狄拉克理论未预言到的氢原子两个能级之间的微小能级差,这个能级差被称作“兰姆移位”。Bethe将兰姆移位归因于电子和真空涨落之间的相互作用,并在几个月后用一种新的“重整化”方法描述了这种效应,为量子电动力学的发展奠定了基础。(Lamb荣获了1955年的诺贝尔物理学奖)

 14

1948年:量子电动力学的发展

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Schwinger和Feynman(费曼)分别独立地提出了他们各自版本的量子电动力学(QED)理论,费曼还在论文中引进了著名的“费曼图”。后来,Dyson证明了这两种理论其实是等价的。QED提出了很多前所未有的精确预测,例如电子的反常磁矩等,这些预言都在后来的实验中得到证实。(Schwinger和Feynman荣获了1965年的诺贝尔物理学奖。)

 15

1953年:中微子的首次间接探测

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1930年,为了解释原子核在β衰变过程中的能量损失,Pauli假设存在着一种未知的粒子——中微子。1953年,Reines 和Cowan宣称他们用放在核反应堆旁边的大水箱探测到了幽灵般的粒子。1956年,他们在《科学》杂志发表了关于中微子决定性的探测结果。1960年,他们在《物理评论快报》给出了关于实验的完整说明。(Reines荣获了1995年的诺贝尔物理学奖。)

 16

1954年:杨-米尔斯理论的提出

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1954年,Yang(杨振宁)和Mills构造出可以描述基本粒子行为的场论的数学形式。这些杨-米尔斯场成为电弱统一理论和描述夸克行为的量子色动力(QCD)中的核心部分。

 17

1956年:弱相互作用中发现宇称不守恒

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很久之前,宇称守恒一直是物理学中一个普适的原则。直到1956年,为了解释观测到的奇怪的宇宙射线数据,李政道和杨振宁大胆假设宇称对称性在弱相互作用中被破坏。一年后,吴健雄和她的合作者通过β衰变实验证明了宇称守恒被破坏。(李政道和杨振宁荣获了1957年的诺贝尔物理学奖。)

 18

1957年:BCS超导理论的发展

 

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在超导电性被发现的近半个世纪之后,Bardeen、Cooper和Schrieffer(BCS)提出了解释超导现象的理论。在这个理论中,电子配对并凝聚成一个单量子态。BCS理论不仅在凝聚态物理中有应用,其在粒子物理和核物理中BCS理论也发挥着重要的作用。(BCS荣获了1972年的诺贝尔物理学奖)

 19

1960年:π介子中发现自发对称性破缺

 

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1960年,Nambu将π介子的微小质量和近似对称性联系起来,获得了一个重要的新视角:物理系统的对称性可以和组成系统的元素的对称性不同。这种“自发对称性破缺”是普遍存在的,例如在磁体和固体中自发对称性破缺就经常出现,在希格斯玻色子理论中也存在自发对称性破缺。(Nambu荣获了2008年的诺贝尔物理学奖)

 20

1962年:八重态模型

 

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Gell-Mann利用八重态的方法把轻介子和自旋为1/2的重子进行分类。这种分类原则依赖于一种近似对称性,它最终被三种最轻的夸克的对称性所解释,这三种夸克是上夸克、下夸克和奇异夸克。(Gell-Mann因此荣获了1969年的诺贝尔物理学奖)

 21

1962年:发现太阳系外的X射线源

 

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为了避免地球大气对要探测的X射线的吸收,1962年,Giacconi和他的合作者用火箭把盖革计数器送入太空。令人吃惊的是,他们发现了一个位于太阳系外的X射线源。Giacconi因此被称为X射线天文学之父,他的工作直接促成了使用太空望远镜对黑洞和其它射线源发射的X射线的探测。(Giacconi获得了2002年的诺贝尔物理学奖。)

 22

1963年:光学相干量子理论的提出

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Glauber发展了描述光线中光子之间关联性的理论。他的突破在于他意识到由于量子力学的原因,先抵达探测器的光子会影响探测到之后的光子的概率。他的工作证实了有必要使用新的方法进行光学探测。(Glauber获得了2005年的诺贝尔物理学奖)

 23

1963年:Cabibbo预言粒子混合

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1963年,Cabibbo的理论预言让人们意识到:相同质量的夸克并不一定包含相同的味,如上、下、奇异。甚至夸克还可以是不同味的混合体。卡比博的想法解释了为什么特定粒子的衰变被抑制,同时也在粒子物理中引入混合的概念。

 24

1964年:密度泛函理论的提出

 

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1964年,Hohenberger,、Kohn和Sham建立了密度泛函理论(DFT)。利用密度泛函理论可以相当精确地计算分子和固体材料的性质,并且这个方法大大减小了计算量。密度泛函理论使用了多电子量子力学方程的近似解法。Verlet随后建立了密度泛函理论的经典版本,这是一种在计算机模拟中解决牛顿方程的数值方法。1985年, Carr和Parrinello 统一了DFT和Verlet的方法。(Kohn因此获得了1998年的诺贝尔化学奖)

 25

1964年:希格斯玻色子的预言

 

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1964年,Englert和Higgs分别独立地给出了解释基本粒子为什么有质量的模型。在他们的理论中需要一种新粒子的存在,也就是我们现在所说的希格斯玻色子。希格斯玻色子是标准模型中非常关键的一环,在被理论预言近50年后,它终于在欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机中被发现。Englert和Higgs荣获了2013年的诺贝尔物理学奖)

 26

1967年:电弱理论的发展

 

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1967年,Weinberg提出了一个关于电弱相互作用的理论,当这个理论被拓展到包含夸克和强相互作用时,它就变成了粒子物理学的标准模型。这套理论的最核心部分后来都被实验所证实,包括2012年希格斯玻色子的发现。(Weinberg荣获1979年的诺贝尔物理学奖)

 27

1969年:质子内部结构的探测

 

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1969年,Friedman、Kendall、Taylor和他们的合作者通过电子-质子散射实验给出了质子不是基本粒子的第一个实验证据。数据证实了他们提出的质子由更加基本的粒子组成的想法,这些更基本的粒子就是我们现在知道的夸克。(他们因此获得了1990年的诺贝尔物理学奖)

 28

1971年:重整化群理论的提出

 

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Wilson的两篇论文建立了重整化群理论的基础,重整化群理论是研究不同长度标度下物理性质的数学工具。当一个系统发生相变时,它的关联长度趋于无穷大,重整化群理论正是描述这种关联性的强有力的工具。(Wilson因此获得了1982年的诺贝尔物理学奖)

 29

1972年:氦-3超流性的发现

 

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1972年,Osheroff、Lee和Richardson观测到接近绝对零度的氦-3变成了超流体,这种流体完全没有粘性。这个结果表明像氦-3原子这样的费米子一样可以具有超流相,这比氦-4的超流相更为复杂。(他们因此获得了1996年的诺贝尔物理学奖)

 30

1973年:夸克相互作用理论的建立

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Gross 和 Wilczek,以及Politzer分别提出了解释夸克的两个看似相互矛盾的观测结果的理论:夸克总是被束缚在一起来构成其他的粒子,如质子或中子;而在一个复合粒子中,夸克只是被松散的束缚在一起。(三位发现者因此获得了2004年的诺贝尔物理学奖)

 31

1974年:粲夸克的发现

 

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1974年,Ting(丁肇中)和Richter领导的研究小组分别独自利用粲-反粲束缚态发现了粲夸克,这种束缚态就是现在的J/ψ介子。这项发现被称为“十一月革命”,因为它把夸克的概念从理论构造变成实验事实。(丁肇中和Richter因此获得了1976年诺贝尔物理学奖)

32

1975年:壳层模型在不稳定轻原子核中失效

 

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原子核的壳层模型预测了最稳定的原子核中的中子和质子具有特定的“幻数”。1975年,在CERN进行的关于不稳定钠原子核的研究发现在中子含量高的原子核中壳层模型失效。

 33

1977年:拓扑相变的理论表述

 

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Thouless、Kosterlitz和Haldane利用拓扑理论描述了大量固体中奇异的相和相变。他们的工作为描述薄膜中的输运现象和低维量子磁体、超流体和超导体中的奇异行为提供了新的视角。 (他们也因此获得了2016年的诺贝尔物理学奖)

34

1978年:六角相的预言

 

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Halperin和Nelson提出二维固体融化中包含一种介于固体和液体之间的中间相,这个发现被称为六角相。六角相在之后的实验和理论模拟中均得到证明,这说明二维系统的融化和三维系统有着本质区别。

 35

1980年:量子霍尔效应的发现

 

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1980年,Von Klitzing、Dorda和Pepper发现低温下二维电子气的霍尔电导随着外加磁场的增强按照e²/h 整数倍变化。紧随着量子霍尔效应被发现分数量子霍尔效应,它是被Tsui、Stormer和Gossard发现的,分数量子霍尔效应中激发了分数电荷。(Von Klitzing因此获得了1985年诺贝尔物理学奖;Tsui和Stormer获得了1998年的诺贝尔物理学奖)

 36

1981年:暴胀理论登场

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为了宇宙的均匀性和平坦性等问题,Guth假设在大爆炸发生后的不到一秒的时间内,宇宙经历了以指数方式快速膨胀的过程。这被称为暴胀理论。

37

1982年:贝尔测试验证量子力学预言

 

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量子理论预言纠缠态中的粒子之间的关联性超出了经典粒子可以达到的极限。1982年,Aspect和他的合作者通过贝尔测试证实了这个预言。实验中使用了从一个原子中发射的光子对,结果是量子理论胜出。值得一提的是,Aspect消除了导致之前实验失败的测量仪器之间的相互作用。

 38

1982年:扫描隧道显微镜的发明

 

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1982年,Binning、Rohrer和他们的合作者利用原子尺度的针尖测量材料表面微小的隧穿电流来制造扫描隧道显微镜。这种探测手段可以扫描出材料表面原子精度的图像。1986年,Binning、Quate和Gerber发展了原子力显微镜的相关技术。(Binning和Rohrer因此获得了1986年诺贝尔奖。)

 39

1984年:发现准晶体

 

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Schechtman和他的同事在合金中的重大发现促使物理学家重新思考晶体的概念,因为在这种合金中的原子排列呈现出五重旋转对称性,并且不具有周期性结构。在后续的论文中,Levine 和 Steinhardt 把这种原子排列方式称为准晶体并解释了这种结构可以存在的原因。(Schechtman因此获得了2011年的诺贝尔化学奖)

40

1985年:激光冷却技术的发明

 

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Chu(朱棣文)和他的同事利用相向传播激光束的辐射压,将原子限制在极度低温的状态下,这种技术可以在100毫秒内将原子温度降低至几百毫开尔文。他们冷却和俘获原子的技术提高了原子光谱学的精度,也促进了物质的量子相(比如玻色-爱因斯坦凝聚)的研究。(Chu因此获得了1997年的诺贝尔物理学奖)

 41

1986年:计算机模拟纳维叶—斯托克斯公式

 

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Frisch、Hasslacher 和 Pomeau 提出了一种模拟纳维叶—斯托克斯公式的方法,这种方法描述了液体的行为并被运用到科学技术的许多领域。他们的方法包含了被称为“元胞自动机”的虚拟粒子,它们在六角网格上的运动和液体粒子的运动相关。

 42

1987年:高温超导体的发现

 

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Chu(朱经武)和他的同事合成了一种被称为钇钡铜氧(YBCO)的化合物,这种物质在创纪录的高温下(93开尔文)转变为超导体。这么高的转变温度已经可以利用液氮达到,这使得钇钡铜氧材料可以在实际生活中得到应用。

 43

1988年:发现巨磁阻效应

 

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Fert 和 Grunberg 分别发现他们可以通过转动两层磁体中的一层来显著改变两层磁体之间的电阻。巨磁阻效应现在被用于制造硬盘驱动器和自旋电子学器件,这些装置可以用电子的自旋而不是电荷来传递和储存信息。(他们因此获得了2007年诺贝尔物理学奖)

 44

1992年:利用光子实现宏观量子态

 

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Haroche和他的合作者利用光子和腔内的高度激发的原子相互作用,实现了宏观量子叠加态,也就是我们常说的“薛定谔的猫”态。利用类似的实验装置,该团队在之后还观测到了量子退相干——是量子测量的核心手段。(Haroche因此获得了2012年的诺贝尔物理学奖)

 45

1998年:发现中微子振荡

 

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1998年,日本的超级神冈研究人员发现了μ子中微子可以自发地转化成τ子中微子的确凿证据,反之亦然,这就是中微子“振荡”。2001年,加拿大的萨德伯里中微子天文台探测到了太阳发出的全部三种中微子,总流量与标准太阳模型的预言符合得很好,解决了先前观测到的太阳中微子缺失问题。中微子振荡意味着中微子具有质量,这与粒子物理学标准模型不相吻合,对理论物理和实验物理而言都有一定的影响。

 46

2000年:完美透镜的构想

 

125年来,物理学都取得了哪些突破性进展?

 

Pendry设想了一种完美的“超透镜”,它利用了负折射率材料,突破了经典光学的衍射极限,放大了倏逝波,使人们可以观测到物体表面的精细信息。

 47

2001年:随机图模型的发展

 

125年来,物理学都取得了哪些突破性进展?

Newman、Strogatz和Watts发展了一种数学体系来分析随机图,这对很多现实世界的网络,例如流行病的传播、人际社交网络等,都是很好的模型。他们的这种模型比以往的方法更具有普适性,拓展了随机图理论的适用范围。

 48

2006年:第118号元素的合成

 

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2002年,俄罗斯杜布纳核研究联合研究所的科学家找到了一种具有118个质子的超重化学元素的线索。2006年,经历了一系列的实验最终确定了该元素是苏的存在。至此,元素周期表第七周期被全部填满。第118号元素最终被命名为Oganesson,以纪念其发现者之一。

 49

2007年:三维拓扑绝缘体的预言

 

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Fu(傅亮)和Kane预言了三维拓扑绝缘体——一种具有导电表面态的奇异绝缘体——即便存在杂质或缺陷也能保持稳定。在他们的预言之前,拓扑绝缘体只存在于二维体系中,他们的研究表明这种神奇的性质可能存在于更多种类的材料中。

 50

2015年:在固体中发现外尔费米子

 

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1929年,德国科学家Weyl(外尔)在理论上预言存在一种具有“手征性”的无质量费米子,即“外尔费米子”。然而,物理学家从没有发现任何一种基本粒子符合这种性质。2015年,中科院物理所研究团队在TaAs中最终发现了类似于外尔费米子的凝聚态物质,该项研究从理论预言、样品制备、到实验观测的全过程,都由我国科学家独立完成。

 51

2016年:引力波的发现

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激光干涉引力波天文台(LIGO)首次探测到了两个黑洞合并产生的引力波信号,这是爱因斯坦广义相对论的最后一个预言。引力波的发现开启了引力波天文学的新时代,并于2017年观测到双中子星合并的引力波信号。对引力波的发现做出重大贡献的Rainer Weiss、Kip Thorne和Barry Barish获得了2017年的诺贝尔物理学奖。

 

▶ 扩展阅读:《生命、宇宙和万物——42个基本大问题》

 

原文链接:

https://journals.aps.org/125years/1974-charm-quark

 

本文经授权转发自微信公众号“中科院物理所”始发于微信公众号:原理

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slduo
  • 本文由 发表于 2018年3月3日23:31:46
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