2025年，物理学的多个前沿领域迎来了令人瞩目的突破。从微观粒子的精密测量到宏观宇宙的黑洞飞掠，从二维金属的新制备方法到超流氢的首次观测，物理学家们不断刷新我们对自然界的认知。在这里，我们挑选了今年物理学的十个重要突破，它们有的提出了新的问题，有的为未来的探索开辟了道路。
缪子g-2之谜的最终裁决
标准模型，描述了基本粒子的行为和属性，以及它们之间的相互作用。尽管它极其成功，但物理学家知道它并不完备，比如它没有解释什么是暗物质，也没有解释等级问题。
在过去的20多年，实验发现缪子的反常磁矩（g-2）偏离了理论预测，因此被视为超越标准模型的潜在线索。如果这个结论被证实，就意味着自然界中或许存在全新的粒子或相互作用。
今年，缪子g-2实验合作组发布了最终的实验结果，同时理论物理学家也给出了基于格点量子色动力学计算出的新理论值。结果显示，实验与理论之间不再存在显著差异。
这一结论虽令期待“新物理”的人略感失望，却标志着实验与理论精度的双重飞跃，是对标准模型的一次极其严格的检验。
重子衰变中的CP破坏
根据理论，宇宙大爆炸后应当产生等量的物质与反物质，而当它们相遇时会全部湮灭，只留下能量。但这显然没有发生，否则我们今天也不会看见恒星、行星，甚至是生命了。
是什么导致了物质和反物质之间的轻微不对称性，使今天我们观测到的可观测宇宙几乎完全由物质组成？
1967年，物理学家萨哈罗夫提出，如果宇宙满足几个条件那么就有可能演化出一个由物质主导的世界，其中一个条件是电荷共轭-宇称（CP）对称性必须被打破。电荷共轭（C）能让正反电荷互换，将一个粒子转化为相应的反粒子今年；宇称（P）则是让空间坐标翻转的变换；对物质实施CP变换，就能得到相应反物质的镜像。
今年，LHCb合作组宣布，首次明确观测到了重子衰变中的CP破坏。虽然还无法解释物质和反物质不对称性的谜团，但这一里程碑发现为从理论和实验层面研究CP破坏的本质铺平了道路，并有望为超越标准模型的理论提供新的约束条件。
反物质量子比特的首次演示
为什么宇宙充满了物质？这个谜团，还可以通过极其精确地比较物质与反物质粒子的属性来加以探究。例如，标准模型认为质子和反质子应该具有相同的质量，但电荷相等且相反。与标准模型描述的任何偏差都可能为这个重大谜团带来线索。
今年，BASE团队宣布，他们实现了对反质子自旋的首个相干光谱测量，并保持了长达50秒的自旋相干时间。这也标志着首个反物质量子比特的实现。不过，由反物质量子比特构成的量子计算机距离现实仍然非常遥远，其建造难度也将远高于已经极具挑战性的普通物质量子计算机。
但新的成果为在高精度实验中将完整的相干光谱学方法应用于单个物质或反物质粒子奠定了基础，并且将帮助BASE在未来的实验中以至少10倍的精度测量反质子的磁矩，从而彻底改变对反物质的研究方式。
惰性中微子被排除了吗？
中微子是宇宙中数量最为丰富的粒子之一，每秒钟都有数以万亿计的中微子穿过我们的身体而不留下任何痕迹，这是因为它们几乎不与物质相互作用。
根据标准模型，中微子有三种“味”：电子中微子、缪子中微子、陶子中微子，它们在传播的过程中可以相互转化或振荡。然而，以往的一些实验观测到了无法用三种中微子框架加以解释的中微子行为。因此，物理学家提出了第四种假想的中微子——惰性中微子。这种中微子被认为只通过引力与其他粒子发生相互作用。
KATRIN和MicroBooNE是两个寻找惰性中微子的著名实验，今年，两个实验团队均宣布未发现惰性中微子的证据。这一“负结果”并非失败，而是更好地为未来的中微子实验指明了方向。
大型强子对撞机中的“铅变金”
把铅变成金，这是十七世纪炼金术士最大的梦想。铅原子核里有82个质子，而金是79个，两者差了整整3个质子。因此用任何化学方法都无法让它们互相转化。但是，大型强子对撞机的物理学家却把不可能变成了可能。
他们让两束几乎以光速飞行的铅离子束彼此对撞，但是在大多数时候，这些离子并不会正面碰撞，而是“擦肩而过”。当这种“擦肩而过”发生时，一个铅离子周围的强电磁场会产生能量脉冲，激发另一个铅原子核喷射出3个质子——这就意味着它的质子数82减少到79，从而变成了金。
根据大型强子对撞机ALICE团队的估算，在2015到2018年间，共制造了约860亿个金原子核。听起来很多，但它们的总质量仅约为29皮克。而且，制造出来的金原子核存在时间极其短暂。虽然无法带来财富，甚至要付出高昂的代价，但物理学家却可以更好地了解粒子是如何相互作用和变化的。
被操控的薛定谔猫
在量子计算机中，计算的基本单元是所谓的量子比特，它们既可以是 0、1，也可以是两者的脆弱叠加态。这种特性使量子计算机在某些特定问题上能够远比经典计算机高效。但问题是：量子比特极其脆弱。
近年来，研究人员在以中性原子阵列作为量子比特的量子计算平台上取得了重要进展，其中每个原子都通过高度聚焦的激光束——即所谓的“光镊”——被精确操控。为了执行计算操作，这类量子计算机需要将大量原子移动并排列成精确的目标结构，但这一过程通常非常耗时。
今年，陆朝阳及其合作者开发了一种基于人工智能的实时优化模型，能够高效计算光镊的最优控制方案，从而实现原子阵列的整体重排。作为展示，研究人员利用549个铷原子制作了一段薛定谔猫动画。该方法同时具有良好的可扩展性，目前系统已验证可操控多达2024个原子，并有望进一步扩展至更大规模。
这一成果也象征着在量子力学诞生100年之际，人类已能够对由上千粒子组成的量子体系进行实时、精密的操控。
氢分子超流性被证实
在接近绝对零度的低温下，某些流体会进入一种零黏度状态，表现出毫无无阻力、无摩擦地流动的能力。这种非凡的状态就是超流性。早在1936年，科学家就在低温下发现氦具有超流性。
到了1972年，物理学家金茨堡提出，氢分子（H₂）在极低温下也可能具备超流性，但是要验证这一点极其困难。理论预测，氢分子会在1~2K的温度下转变成超流体，但氢在低于13.8K时就会凝固。
为了打破这一困境，一个国际研究团队设计一种创新的“纳米超冷实验室”：他们将由少量氢分子构成的团簇限制在氦纳米液滴中，并将整体系统冷却至0.4K。接下来，他们向氢团簇中嵌入一个甲烷分子，并使用激光脉冲激发其旋转。最后，他们首次在微小的液态氢团簇中观测到了甲烷的清晰光谱，从而确认了周围的氢分子表现出无摩擦的量子流动行为。这不仅验证了金茨堡提出的长期预测，也为量子流体研究提供了全新方向。
首例二维金属的制备
当金属被削薄成仅有一层或数层原子厚度的薄片时，其物理性质会发生剧烈变化。这些由此产生的性质具有潜在的应用价值，但此类二维金属在微米尺度或更大尺寸下难以稳定存在，因为原子往往会回到其天然的三维排列结构，并且在空气中极易发生氧化。
今年，张广宇团队报道了一种利用台式液压机将金属压缩至原子级厚度的方法。他们成功制备了铋、镓、铟、锡和铅这五种二维金属，其厚度均小于一纳米。这是首次制备出在空气中稳定、具有宏观尺寸的二维金属薄片。
这些材料所展现出的特征不仅可以用来探索物理学的基本原理，也为它们与其他材料的集成，以及用于构建新型电子或光子器件，打开了诸多可能性。
超越“熵灾难”
1988年，物理学家提出了一种叫做“熵灾难”的现象，指的是当晶体过热时，存在一个临界点，在这个点上，晶体的熵与其液态对应物的熵相等。这个临界点被认为是固体稳定性的极限，通常出现在熔点的三倍左右的温度。一旦超过这个临界温度，固体将自发融化，否则就违反了热力学第二定律。
然而，在一项实验中，研究人员使用一束持续时间仅45飞秒的高能、高聚焦激光脉冲，对一个50纳米厚的金薄膜样品迅速加热。结果发现，在极短的数万亿分之一秒内，激光能将金的温度提升至金熔点的14倍以上，而金仍保持固体晶体结构。
那么，这个实验结果是否违反了热力学第二定律？并没有。这是因为金样品是在极短时间内被加热到如此高的温度，所以金原子几乎没有时间运动并变得无序，从而避免了熵灾难的发生。这意味着，如果加热足够迅速，过热的上限可能比之前的理论预测要高得多，甚至可能根本不存在明确的上限。
引力波物理学的里程碑式精确预测
自2015年首次直接探测到引力波以来，科学家们已经记录了近300起引力波事件，它们有的来自双黑洞的并合，有的来自双中子星的并合，还有的则来自黑洞吞噬中子星的剧烈过程。对于这类事件，物理学家已经建立了较为成熟的理论模型。
然而，随着下一代地面和空间引力波探测器的灵敏度显著提升，它们还可能探测到源自于“擦肩而过”的事件，比如两个黑洞互相靠近但没有并合，而是发生了“飞掠”或“散射”。这类散射事件产生的波形与并合事件不同，对应的理论预测模型也更复杂。
今年，物理学家对两个黑洞飞掠时产生的引力波，给出了具有里程碑意义的高精度预测。令人惊喜的是，在他们的结果中涉及了与卡拉比-丘流形相关的数学函数。卡拉比-丘流形是一种复杂的高维几何结构，它的出现意味着曾经只属于理论最前沿的抽象结构，如今开始在实际的天体物理问题中发挥作用。
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