你好，Giktayms！ 现在是时候与美国物理学会一起评估 2017年的科学发现了。 这次，APS编辑竭尽全力，为基础科学的最新成果准备了极为有趣的选择。 今天，我们将更详细地讨论它们。

引力波天文学和所有所有

引力波天文学与诺贝尔奖一起带来了新的惊喜。 欧洲高级处女座 加入了两个LIGO引力波探测器。 现在，可以通过位于不同大陆的不同设计的设备独立确认美国探测器的观测结果。 此外，三个检测器的存在使您能够确定引力波源的方向。 我们不必等待太久：已经在8月14日，所有三个探测器记录了两个黑洞合并产生的下一个信号，其位置（图中的绿色标记）可以比使用两个探测器更准确地确定。

三天后，探测器发现了一个新事件 -这次不是黑洞，而是中子星的合并。 碰巧的是，与此事件同时发生的是，大量的望远镜看到了从整个光谱中的恒星合并所产生的闪光-从无线电到伽马辐射。 同时记录光波和引力波的能力对于天文学而言是一个了不起的突破，这意味着天文学家绝对不会在不久的将来感到无聊。

我们正在准备时间水晶

物理学中有一个基本现象，即自发对称破坏 ：当系统的基能状态失去描述它的方程式中固有的对称性时，就会发生这种现象。 最明显的例子是晶体：它将一个所有点都相同的普通空间变成具有严格定义周期的结构。 用科学的话来说，晶体破坏了空间的连续平移对称性，使其离散。 由于空间和时间是同一种类的实体，因此出现了一个问题：是否有可能为时间创建相似的晶体-也就是说，使系统的基态不稳定，而是周期性地变化？ 直觉表明没有：变化的系统通常具有非零动能，因此不处于基能状态。 但是，2012 年的研究表明 ，如果系统的动量非线性地取决于速度，那么这将成为可能。 很快，这个结论被推广到了量子系统的情况。

后来很清楚，在热平衡下，时间晶体仍然不存在。 但是，如果外部周期性影响施加在系统上，则创建离散的时间晶体成为现实-它也会周期性地改变其状态，但它的速度要比外部干扰慢几倍。 换句话说，如果时间晶体的响应以傅立叶级数展开，那么我们将在外部影响的子谐波之一上看到一个信号。 去年，两个小组发表了对此的实验观察。 马里兰和伯克利的合作为此使用了 tter离子链，并使用周期为T的激光脉冲周期性地作用于原子自旋。 在脉冲之间的间隔中，离子彼此相互作用，整个系统以2T的周期发生演化。 这是时间晶体形成的主要证据。 仅仅一个月后，哈佛大学的一个小组报告了一个类似的实验，即在钻石中含有一组NV中心，其自旋由微波脉冲激发。 在这里，作者设法观察到振荡具有两倍和三倍的周期。 除了基本意义外，这些工作还为研究量子系统的动力学开辟了新的可能性，并且对于存储量子态也可能很有趣。

量子世界中的因果关系

如果两个现象相互关联，那么一个可能是另一个原因。 也许不是。 假设日本和智利的海啸数量之间存在明确的相关性； 两者都没有影响，因为两者的根本原因完全不同-太平洋地震。 赖兴巴赫原理有时有助于理解相关现象的因果关系：如果已知两种现象的根本原因已经到来，它们之间的相关性就会消失。

量子世界要复杂得多。 长期以来，人们一直在观察者无法访问的隐藏参数中寻找许多现象（例如，纠缠粒子的相关性）的根本原因。 但是，有关贝尔不等式研究的实验表明，没有隐藏的参数（至少在我们知道的任何物种中）。 因此，在量子世界中，问题本身的结构是不同的：不是原因是 什么 ，而是通常是什么量子因果关系 。 英国和加拿大的合作在这一问题上取得了进展。 作者提议重新定义赖兴巴赫原理，从确定性的经典进化转向量子系统遵循的单一进化。 结果是第一个能够非常严格地描述量子因果关系的一致模型。 尽管有数学知识，但这项工作揭示了量子相关性的本质，并且可能会提供因果语言可视化量子现象的机会。

Wi-Fi：永远伴随着您的雷达

使用Wi-Fi模块的辐射来雷达附近物体的想法并不新鲜（例如，2005年的工作 ）。 实际上，Wi-Fi发射机的基本功能使一切变得复杂。 首先，它们不像雷达那样向各个方向辐射。 这会产生来自周围物体的多次反射，并使信号的分析大大复杂化。 原则上，可以通过发送短脉冲来简化任务-但是由于窄带Wi-Fi，这很困难。

慕尼黑工业大学的一个小组提出了该问题的原始解决方案。 他们记录了研究对象背后的波前，然后使用众所周知的光学全息算法重建其形状。 在实验中，Wi-Fi路由器在5 GHz频率下的分辨率约为3 cm。 一个不错的好处是，源可以传输任何信号-在任何情况下重建都可以工作。 其中的困难-波前记录必须逐个像素地完成，物理上移动接收器。 通过将接收器阵列提高到10 fps，可以大大简化此过程。

铜酸盐超导体

高温最高的导体仍然是铜酸盐-包括氧化铜的化合物，例如YBaCuO。 冠军们已经在134 K（–139º）处进入超导状态，而这种超导性的性质仍然值得商question。 无论如何，据信BCS理论并未对其进行描述，而BCS理论已在与许多其他超导体（它们也称为II型超导体）一起工作时得到了证明。 特别地，BCS理论预测了Abrikosov涡的存在，沿着该涡流的电路不断流动着电流，而超导在涡内部消失了。 这样的涡流出现在磁场中，该磁场不能存在于超导体中，但是很容易渗透到非超导涡中。 阿布里科索夫的涡旋在II型超导体中得到了实验观察（证实了BCS理论），而在铜酸盐中却从未见过。

实际上，直到今年他们才被注意到。 瑞士和德国的首次合作证明了 Y123型铜酸盐中超导涡旋的出现。 为此，作者使用了扫描隧道显微镜，用它们在90x90 nm ²的面积上测量了样品的电导率，并发现了涡旋的有序晶格（图中）。 尽管存在许多实验上的困难和模棱两可（主要是由于非超导电子信号的贡献），但是BCS理论很好地描述了这些涡旋的观测特性，这可以阐明高温超导的性质。 此外，考虑到非超导电子对整个信号的贡献的方法本身对于将来的研究将极为重要。

胶子对质子自旋的贡献

CERN的COMPASS光谱仪，测量了夸克对质子自旋的贡献。 图片来自这里 。

原子核由质子和中子组成，每个质子和中子又由三个夸克组成。 质子的自旋（本征磁矩）等于½； 完全相同的夸克旋转。 特别令人惊讶的是，实验结果表明质子的总自旋仅由夸克的自旋确定，为30％。 原因尚不清楚，其余旋转的性质也不清楚。 虽然有足够的候选者-这些是虚拟的夸克-反夸克对，以及粒子的轨道动量，当然还有胶子-还是将夸克保持在一起的强相互作用的载体。

今年，来自美国四所大学的合作首次计算了胶子自旋的贡献。 这是通过使用时空点阵上量子色动力学的复杂数值模拟来完成的。 原来，胶子的总自旋为0.25±0.05-换句话说，胶子决定了质子自旋的几乎一半！ 夸克产生的贡献要小得多，这显然是由于将角动量传递给夸克到虚拟的夸克-反夸克对和介子云所致。 胶子在此过程中的作用微不足道。 通常，这些计算可以更好地了解质子的内部结构，并且计划在未来的美国电子对撞机上进行实验验证。

寻找暗物质

众所周知，负极也是电极，负极结果也是结果。 在过去的16个月中，三个最大的暗物质检测器（意大利XENON1T，中国PandaX-II和美国LUX） 无法检测到任何痕量的WIMP（据称构成暗物质的粒子）。 这清楚地表明，有关WIMP的现有理论思想仍与现实相去甚远。 鉴于大型强子对撞机对超对称性的搜索失败，甚至有人质疑这些假设粒子的存在。

寻找WIMP的实验本质很简单：它们的探测器是装有液态氙的大容器，它们位于地下深处，可防止宇宙辐射。 沉重的w夫与氙原子的相互作用会导致闪光并产生电子，这些电子会通过位于电容上方和下方的光电倍增管检测到。 知道了WIMP能量的理论极限，就可以估算出每单位时间的预期事件数。 记录的此类事件太少的事实意味着WIMP的特性与预测的特性有很大不同。 显然，如果存在WIMP，那么它们对原子（或可能两者）具有不同的质量或不同的散射截面，这意味着将需要新一代的探测器来搜索它们。

机器学习识别拓扑条件

物理中的拓扑效应是一个非常热门的话题，很难用手指来解释。 这就是为什么它几乎没有被科普文献所覆盖（尽管取得了巨大的成功，这至少是让人想起了石墨烯，量子霍尔效应或2016年诺贝尔奖）。 简而言之，不同的拓扑状态无法通过系统的连续平稳变化而相互转化，这使得它们在受到外部干扰时极为稳定。 最简单的示例是原子的二维晶格，其自旋形成或不形成涡旋：

图片从这里

从数学上讲，这些状态的拓扑电荷不同-在这种情况下，如果旋涡是顺时针旋转而旋涡是负号，则系统中旋涡的数量带有加号。 左侧的电荷为0，右侧为-1。 如果拓扑电荷不同，则状态将无法顺利地相互传递。 困难在于计算拓扑电荷可能非常困难。 例如，如果涡旋的大小很大，并且在边界处发生扭曲，那么要计算电荷，就必须研究系统中的所有原子。 但是有些拓扑电荷的计算要复杂得多，因此几乎无法承受新拓扑材料的计算。

康奈尔大学和加利福尼亚大学的理论家提出了解决这个问题的方法。 其本质是，根据所研究的晶格（更准确地说是其电子密度-电子密度），实际上会在尺寸增大的轮廓上生成特殊积分的多维阵列（QLT图像）。 这使您可以覆盖足以识别拓扑属性的晶格区域。 之后，将多维数组输入到经过预训练的单层神经网络的输入，该神经网络得出状态是否为拓扑的结论。 与传统方法相比，该方法非常有效，并且作者计划开发机器学习在凝聚态物理中的应用。