21 世纪已过去四分之一，你认为本世纪最重要的科学突破有哪些？

Rose

21 世纪已过去四分之一，你认为本世纪最重要的科学突破有哪些？
原文地址：https://www.zhihu.com/question/7847106899

长长的路

在人类对完美的不懈追求中，科学家们已经开发出了一种比以往任何时钟都更精确、更准确的原子钟。这种新型时钟是由JILA（Joint Institute for Laboratory Astrophysics）的研究人员建造的，JILA是国家标准与技术研究院（NIST）和科罗拉多大学博尔德分校分校的联合机构。






这种时钟不仅能够实现在浩瀚太空中的精确导航，还能用于寻找新粒子，它超越了单纯的计时功能。随着精确度的提高，这些下一代的计时器能够揭示隐藏的地下矿藏，并以前所未有的严格性测试如广义相对论等基本理论。对于原子钟的设计者来说，这不仅仅是制造一个更好的时钟；这是关于揭开宇宙的秘密，并为未来几代人塑造我们世界的技术铺平道路。
全球科学界正在考虑根据这些下一代光学原子钟重新定义秒，秒是国际时间单位。现有的原子钟通过向原子照射微波来测量秒。这新一代的时钟则使用可见光波照射原子，这些光波的频率要高得多，能够更精确地计算秒。与目前的微波钟相比，光学钟有望为国际计时提供更高的准确性——理论上每30亿年只慢一秒。
但在这些原子钟能够以如此高的准确性运行之前，它们需要具有非常高的精度；换句话说，它们必须能够测量极其微小的秒的分数。实现高精确度和高准确性可能具有广泛的影响。
新的JILA时钟使用一种被称为“光晶格”的光网（web of light，类似用光编织成渔网捕鱼）来同时捕获和测量成千上万个单独的原子。拥有如此庞大的原子集合在精度上提供了巨大的优势。测量的原子越多，时钟就有越多的数据来精确测量秒。
为了实现新的破纪录性能，JILA的研究人员使用了比之前的光学晶格钟更浅、更温和（相互作用更小）的“光网”来捕获原子。这显著减少了两个主要的误差来源——来自捕获原子的激光光的影响，以及当原子过于紧密排列时相互碰撞的影响。
JILA的大佬叶军这样介绍这种新型光学原子钟的精确性：
“它能够在微观尺度上检测到由广义相对论等理论预测的微小效应。它拓展了计量时间的极限。”
广义相对论是爱因斯坦的理论，它描述了重力是如何由时空的弯曲造成的。广义相对论的一个关键预测是时间本身受到重力的影响——引力场越强，时间流逝得越慢。
这种时钟的设计使得它能够在亚毫米尺度上检测相对论对时间测量的影响，大约是人类单根头发的厚度。将时钟提升或降低这样微小的距离，足以让研究人员辨别出由重力效应引起的时间流动的微小变化。
这种在微观尺度上观察广义相对论效应的能力，可以显著地弥合量子领域与广义相对论描述的大规模现象之间的差距。这不仅推动了计时技术的发展，也为探索宇宙的基本性质提供了新的工具。通过这种高精度的时钟，科学家们能够更深入地理解重力如何影响时间，并且可能揭示出新的物理现象，这对于基础物理学和精密测量学都是一个巨大的进步。
更精确的原子钟还能使太空中的导航和探索更加准确。随着人类向太阳系更深处进发，时钟需要在广阔距离上保持精确的时间。即使是微小的时间测量错误也会导致导航误差随着旅行距离的增加而呈指数级增长。
“如果我们想以极高的精确度让宇宙飞船在火星着陆，我们将需要比今天GPS中使用的时钟精确得多的时钟，”叶军说。“这种新型时钟是实现这一目标的重大步骤。”
用于捕获和控制原子的相同方法也可能在量子计算领域取得突破。量子计算机需要能够精确操纵单个原子或分子的内部属性以执行计算。在控制和测量微观量子系统方面的进步显著推进了这一努力。
通过进入量子力学和广义相对论相交的微观领域，研究人员正在打开一扇通往对现实本质新层次理解的大门。从时间流动因重力而扭曲的无限小尺度，到暗物质和暗能量占主导的广阔宇宙前沿，这种时钟的极致精确度承诺将照亮宇宙一些最深的奥秘。
“我们正在探索测量科学的前沿，”叶军说。“当你能够以这种精确度测量事物时，你开始看到我们直到现在只能理论上讨论的现象。”
古往今来，对时间的计量一直被人们重视着。在古代中国，我们有日晷：


西方有沙漏：


但是上述计时工具都具有较大误差。如天文观察发现地球的自转越来越慢，因而平均太阳日越来越长。太阳回归年(tropical year ) 每个世纪大约变长0.5 秒。
事实上，按照现代国际单位秒的定义，只有大约1820年的平均太阳日是86400秒，现在大约是86400.002秒。
1956年重新定义秒：
1秒= 1900年的太阳回归年的31,556,925.9747分之一，精度有所提高（提升四个数量级），但是使用不便。
而采用原子中两个超精细能级之间的跃迁频率，由于超精细能级来自于原子核的角动量（ ）与原子核外电子的总角动量（ ）之间的耦合，而对于碱金属、碱土金属来说，由于基态的核外电子轨道角动量为零，其基态的超精细能级只来自于原子核自旋和电子自旋的耦合，这个效应非常稳定，精度超级高。2015年，叶军的Sr87光钟就达到了 的超高精度，这次的升级版拓展到了 精度。但光钟的原理不同于上边说的超精细能级跃迁。建议有兴趣的读者阅读相关文献。
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.023401光钟 - 《中国大百科全书》第三版网络版翻译一段科普文章：
Reducing Uncertainty in an Optical Lattice Clock第一代原子钟使用微波信号的频率作为它们的“钟摆”来标记时间。如今，计时技术的最佳选择是基于某些被称为时钟跃迁的原子跃迁所发出的光。这些跃迁的高频率（通常为数百太赫兹）和窄线宽（通常为1-100毫赫兹）意味着光学原子钟比基于微波的原子钟（以较低频率振动）能以更高的精度测量时间。得益于过去几十年研究人员的努力，光学钟的性能比早期设备提高了两个数量级以上。进一步提高它们的性能意味着减少系统误差的大小。
为了实现这一目标，来自JILA和科罗拉多大学博尔德分校的团队重新评估了对光学原子钟（optical lattice clock, OLC）运行至关重要的某些原子参数的系数。特别是，研究人员对锶原子中最不敏感于磁场的时钟跃迁—— 和 态之间的跃迁——的二阶Zeeman系数进行了精确校准。Zeeman系数描述了磁场对电子能级的影响，因此也影响了相关跃迁期间发射光的频率。通常选择磁不敏感的时钟跃迁，以使主导的一阶Zeeman频率变化最小化。这种最小化减少了时钟对环境磁场波动的敏感性。但较弱的二阶效应仍然存在。该团队对这一系数的校准将由于二阶Zeeman位移引起的不确定性降低到 ，与之前的校准相比提高了一倍。
研究人员还解决了导致时钟不确定性的第二个因素：所谓的动态黑体辐射校正。黑体辐射可以通过辐射的电场改变原子的能级，这是在室温环境中运行时钟不可避免的后果。这种效应的动态部分指的是原子能级之间的差异性位移。在之前的锶OLC（光晶格钟）中，准确性特别受到 能级位移不确定性的限制，这是定义时钟跃迁的两个状态中的较高能级。这种位移的大小与能量位于黑体辐射能量谱内的跃迁有关——即 和更高能量状态 之间的跃迁——可以通过测量态的寿命来确定。通过进行这样的测量，团队将黑体辐射位移的不确定性降低到 （从他们之前实现的 值降低）。结合黑体辐射位移的减少和其他环境控制措施，如温度稳定，研究人员确定了所有系统效应对时钟跃迁能级的影响总和小于 。
为了控制和测量他们的OLC中的原子，研究人员使用了具有“神奇波长”的光晶格。在光晶格陷阱中，原子的能级可以通过激光束的电场来改变。然而，在神奇波长下运行的陷阱，对于所有原子无论其电子状态如何，陷阱势能都是相同的。这意味着激光束在时钟跃迁状态之间引起的相对能量位移被最小化，这有助于使跃迁的线宽尽可能窄。研究人员还实施了一个冷却过程，允许他们使用浅晶格限制原子。当原子被更紧密地限制时，激光束引起的能量位移更大，因此浅势能最小化了这种位移。
这些方法使他们的设备超越了所有之前的OLC的精度，计时误差在396亿年中不到一秒。这种改进的影响是深远的。例如，新一代的仪器结合了科罗拉多团队的进步，可能有助于为秒的定义设定新的基准。未来的努力可能集中在完善这些技术，通过例如低温操作进一步减少不确定性。新发现的精度可以被用来深入研究物理研究的前沿问题，可能通过引力波观测揭示量子引力的性质，以及暗物质的性质。

检验医师

严格来说明年才是21世纪的四分之一节点（2001~2025），就是这个问题明年这时候问可能更合适，不过对于讨论21世纪以来的重要科学突破来说，倒也不差这一年时间。
作为一个主要做科学传播的非科班，我没办法以一个业内人士的角度去看待过去二十余年的科学突破，不过作为外行也可以从每年颁发的科学奖项窥见业内人士对于一些科学突破的评价。以我相对熟悉的天文学领域为例，天文圈内影响力较大的奖项有国际天文学联合会官方盖章的三大奖：格鲁伯宇宙学奖、科维理天体物理学奖、邵逸夫天文学奖；另外还有瑞典皇家科学院评选的克拉福德天文学奖（以及偶尔客串的诺贝尔物理学奖）。一个科学突破从出现到获得学界认可乃至斩获大奖自然需要时间沉淀，但不可否认的是如果一个突破足够重要，其获得认可需要时间往往越短。换句话说，如果一个在21世纪做出的科学突破已经得到表彰，能在一定程度上说明该突破对于学科发展的重要性。
以下简单整理了21世纪以来各大天文学奖项中有多少本世纪做出的天文学突破。
宇宙微波背景精细测量

相关研究：WMAP实验（2001~2010），Planck计划（2009~2013）
相关奖项：2010年邵逸夫天文学奖，2012、2018年格鲁伯宇宙学奖
重子声学振荡测量

相关研究：2dFGRS，SDSS
相关奖项：2014年邵逸夫天文学奖
探测到引力波

相关研究：LIGO（2015年探测到首个引力波事件）
相关奖项：2016年邵逸夫天文学奖、科维理天体物理学奖、格鲁伯宇宙学奖，2017年诺贝尔物理学奖
在红外波段探索早期宇宙

相关研究：斯皮策望远镜（2003~2020），詹姆斯·韦布望远镜（2021~至今）
相关奖项：2024年格鲁伯宇宙学奖
系外行星大气

相关研究：开普勒望远镜（2009~2018），凌星光谱学，TESS任务（2018~至今）
相关奖项：2015年邵逸夫天文学奖，2024年科维理天体物理学奖
时域天体物理

相关研究：发现快速射电暴（2007），帕洛马瞬变工厂（PTF，2009~2017），兹维基瞬变工厂（ZTF，2018~至今）
相关奖项：2023、2024年邵逸夫天文学奖
<hr/>正巧有三项突破是今年天文学奖项的颁发领域，顺便展开介绍一下具体情况。
2024年格鲁伯宇宙学奖[1]得主是美国天文学家Marcia Rieke，表彰她在天文仪器方面的开创工作，让人类见识到的红外波段下的宇宙相比过去更广阔更清晰。Rieke的整个职业生涯都处在红外天文学的最前沿，曾参与斯皮策红外望远镜多波段成像光度计及哈勃望远镜近红外相机和多目标光谱仪的设计研发。2002年起，Rieke担任JWST近红外相机的首席研究员。JWST如今在红外波段拥有独步天下的分辨本领，让天文学家得以窥见早期宇宙的清晰面貌，Rieke工作可以说功不可没。Rieke同时也是去年布鲁斯奖章获得者。



Marcia Rieke︱IAU

两年一届的科维理天体物理学奖[2]花落加拿大天文学家David Charbonneau与Sara Seager，两人在发现和描述系外行星及其大气方面做出了开创性工作。自20世纪90年代首次确认存在系外行星以来，这一领域已经有了长足发展，如今天文学家已有能力研究单个行星的大气物理特征。对系外行星大气的研究仰仗于一种基本的系外行星搜寻方法——凌星法，今年得主之一的David Charbonneau是该方法的先行者。1999年当他还是一名研究生时，就成功发现系外行星HD 209458b的凌星现象，这是历史上首次观测到系外行星凌日。当系外行星凌日时，其大气将会改变母恒星的光谱，具体的影响取决于行星大气的组成。2002年Charbonneau基于这一原理使用哈勃望远镜计算出一颗巨型系外行星的大气成分，发现其大气中存在钠元素。Sara Seager致力于系外行星大气的理论研究，包括预测使用凌星光谱学方法（transit spectroscopy）能够找到何种原子与分子，特别是碱金属气体，并从中筛选出可以反映生物活动的分子标志物。两人共同开创了通过凌星光谱学研究系外行星大气的全新领域。



Sara Seager︱The Kavli Prize / Nils Lund



David Charbonneau︱The Kavli Prize / Nils Lund

今年的邵逸夫天文学奖[3]颁发给印度裔天文学家Shrinivas R Kulkarni，表彰他在时域天文学领域的贡献，包括对毫秒脉冲星、伽马射线暴、超新星等可变或瞬变天体的开创性发现。Kulkarni参与发现了第一颗毫秒脉冲星，首次确定伽马射线暴的距离，证明这一宇宙中最猛烈的爆发事件起源于遥远宇宙。Kulkarni领导建设了专用于检测瞬变天体的帕洛马瞬变工厂（PTF）以及茨威基暂现源设施（ZTF），其中后者已累计发现数以千计的罕见天文事件。



Shrinivas R Kulkarni︱The Shaw Prize

清风寡欲

本世纪已经发生的突破top2我想应该是希格斯玻色子在LHC上被发现和引力波成功被探测到，这分别是粒子物理标准模型和广义相对论的又一大胜利。
在凝聚态或多体物理中，本世纪也有几个亮点或特色，比如张量网络在多体问题中的应用，比如量子模拟的系列研究，拓扑物态的广泛研究，低维材料的研究，以及转角系统在近几年的大流行。
目前在酝酿但还未来还有不少路要走的有量子计算、非朗道范式的相变理论、可控核聚变等等，有些已经有了不少明确的进展比如非朗道范式相变，有些在实验层面被缓慢推进比如量子计算，至于可控核聚变，但愿本世纪能完成。
相比之下，凝聚态物理最重要的问题——强关联问题(比如高温超导的理论解释）目前还未真正得见曙光，希望我们有生之年能看到真正完备的强关联理论。
如果纯做梦的话，在本世纪我希望得见的科学突破包括但不限于
1.高温超导理论完成/完备的强关联理论，最好找到室温超导。
2.量子引力理论通过某些低能窗口被完成。
3.量子计算大成。
4.可控核聚变完成并广泛应用。
5.NP问题解决(顺带解决量子蒙特卡洛费米子符号问题）。
6.低成本星际移民。
当然人还是不能天天做白日梦，有些突破肯定是够呛的，起码量子引力我比较悲观，毕竟能标差太多了，而量子计算从长远看我是相当乐观的。

继续前进

谢邀 @王清扬 。
本人做的是粒子物理和宇宙学方面的研究。题目问的是“最重要”，鉴于 @王清扬 已经做了非常全面的整理，我这里挑选其中我认为最重要的，做一下更细致的介绍。
本世纪在粒子物理和宇宙学领域，如果只能投一票，我会选择：希格斯(Higgs)粒子的发现。
本文面向广大读者而非物理专业的读者甚至是研究生，因此力求平实。在专业严谨和平实二者不可兼得之时，本文选择追求平实。
希格斯粒子的粒子物理领域迄今为止最后被发现的基本粒子。所谓基本粒子，指的是目前理论下没有内部结构，暂时不可再分的粒子。描述这些基本粒子的理论，就是大名鼎鼎的标准模型。
标准模型中的费米子和玻色子

从古至今，人类都没有停止过对物质基本结构的探索。很多年前，人类发现了原子和分子。随后人类发现原子有原子核和电子。再往后，原子核内部结构也被发现，是质子和中子。更进一步，质子和中子也发现了内部结构，即夸克和胶子。
这些粒子从实验上的发现往往有一个通式：粒子碰撞。比如中学时大家都学过的著名的轰击金箔实验，就是通过高能粒子轰击金箔，观察粒子被散射后的行为，断定金原子内部存在一个很重的内核，因此发现了原子核。 大家可以把粒子想象为一个橘子。人类无法将这个“橘子”剥开，但可以把他撞碎（逃）。撞开之后，发现里面有核，有肉，有皮，于是发现了橘子的结构。
如果想进一步探讨橘子核的结构，就需要更精准的撞击橘子核。并且显而易见的，需要更狠的撞击（更高的能量）。
于是一个很general的结论是：更小的结构，意味着更高的能量。我们写作$E \sim 1/r$。
注：在自然单位制下，这个结论显而易见。自然单位制可以见后面的附录。
当然这种探索也不是无止境的。比如我们研究原子结构发现原子核，其实是既有动机又有条件。我们能做这个金箔轰击实验，也确实是一直在思考原子内部结构，并且历史上总有一些具体的问题在告诉你原子内部肯定有东西。
如果有一天，有个粒子一直在那里，他有没有内部结构完全不影响理论成立，不影响解释现有现象，实验上没发现任何他有内部结构的迹象也没有条件去深挖，我们就把他当做基本粒子，暂且认为没有内部结构。
比如，电子。
迄今为止，没有任何实验现象直接说明电子可能有内部结构，也没有任何问题看上去需要用也可能用电子存在内部结构去解释。那么目前就认为电子是基本粒子。电子有没有可能存在内部结构？理论上有，但是由于如上所说的原因，这目前不是一个物理问题。
在过去的几十年里，人类的粒子对撞机越做越大，能量越来越高，于是发现的基本粒子越来越多，他们之间的相互作用也越来越多，而且在那么高的能量下，粒子们都得是相对论性的，光速不再可以被简单的视为无穷大，电磁场之类的传播过程也变得重要，而不能被认为是瞬时。
再加上量子力学的问世，量子场论诞生了。
可以认为量子场论=量子力学+狭义相对论。
这套体系，给出了基本粒子的运动和相互作用的一般形式，相当于粒子物理的牛顿第二定律。
当然我们知道，有牛顿定律还不够。我们高中物理并不只有牛顿定律，还要学很多具体的力的形式，什么电场力磁场力等等。
粒子物理也不例外。量子场论只是个框架，但世界上具体存在什么力（更严格讲，叫相互作用），还得实验慢慢发现。同时为了描述形式越来越复杂的相互作用，杨-米尔斯理论诞生了，为更复杂的作用（就是传说中的非阿贝尔场论）奠定了基础。
在这套理论体系下，粒子之间的相互作用全部通过粒子的传播和接触来传递。
我举一个最简单的例子。一个电子呆在那里。我们记作电子1。旁边过来了另一个电子2。
这两个之间的相互作用，如果用经典电磁学描述，就是电子1产生了电场，电子2感受到了电场带来的电场力，因此影响了运动。同时电子2产生的电场也会对电子1有作用。
而量子场论里的图像更加形象。电磁场不是抽象的场，而是光子。光子也是粒子。
电子1发出光子，自己受到反冲。发出去的光子击中电子2，电子2被弹出。 反之亦可。 如下图。由于两种过程皆可，画图时就把光子（图中波浪线）画成对称的样子。


细心的朋友们一定会发现，其实经典电磁学里“电子带电、可以产生电磁场、可以被电磁场影响”这个事情，在上图里体现为电子可以发出或者吸收光子。
说的更一般些，就是一条电子的线中间可以延伸出一个光子线。交叉的点我们叫做相互作用顶点(vertex)。
电子带箭头，因为他带电，我们必须强调他的走向。光子可进可出，无所谓，不带箭头。
上面这句话就变成了：存在一个相互作用顶点。这个顶点有一个电子进来，一个电子出去，还连着一个光子。
我们把这个顶点，记作 . 这里带横线的 标记着“出去”，数学上是不带横线的 的复共轭。
每一个存在的相互作用，就会有一个顶点。所谓标准模型，就是告诉你世界上存在多少种顶点。
构成物质的粒子，一般自旋为1/2，叫做费米子，比如电子。传递相互作用的粒子，比如光子，一般自旋是0或者1，叫做玻色子。
标准模型里全部的相互作用和粒子，都是用这种形式描述的。 比如， 子会衰变。过程如图。


显然，这里的相互作用顶点有两个，分别是 和 。这两个就是弱相互作用的内容。我们说 玻色子传递弱相互作用。
希格斯粒子的作用

说了半天，希格斯粒子在哪里？
要说这个，首先要回到质量上。
刚才说了，相互作用用顶点表示。那么质量呢？
直观上，质量不需要相互作用，他就在那里。而正如经典力学里很直观的那样，同样速度，不同质量，他带的能量不一样。
换句话说，质量是个挂在身上的东西。
质量项， 。
很搞笑的是，为了描述各种相互作用，杨米尔斯理论已经根据规范对称性的要求，推出了全部可能存在的项的一般形式。什么是规范对称性，见附录。
而对于弱相互作用这个实验上已经发现左右手不对称的相互作用里，质量项不被规范对称性允许。
此时物理学家们心里只有一堆问号。
质量不允许，那什么允许？
相互作用允许。比如某个粒子 ，和电子相互作用， 。这个看着有点像质量，$\phi$在质量那个位置。但是 不是常数，他的值代表了激发的粒子数，而质量是常数。
没关系，已经展现了生成质量的潜力。
那。。。很多粒子都有质量，就得有 和他们都相互作用？或者有好几个不一样的 ，一部分负责一部分粒子，另一部分负责另一部分粒子？
Emmmmmm。
行吧，那就假设存在一个粒子 。他和有质量的费米子们都有这种相互作用。有质量的玻色子数学形式更复杂，这里就不多做停留。
$\phi$有了，但他不是常数，咋办？
能不能造个常数，比如 ，让 是个常数， 代表剩下的能变化的东西？
数学上可以，但总得有个物理意义。
于是伟大的Peter Higgs想到了这样一条路。
一般来说，一个粒子的字符，数学上叫场，代表的是激发的粒子数。
默认是0。因为世界上，没有粒子的时候能量最低。所以基态是0。
换句话说，场为0，世界处于基态。一个动态的，从0出发的场，代表了激发的粒子。
那想造个 ，得有个常数 。换句话说，基态不能是0了。
也很简单，造个下图这样的势能就行。


看，势能最低点在非零处！
所以，世界上的这种粒子的数量，不是从0开始激发，而是从固定的 开始激发。
这个 ，在数学上和其他粒子耦合在一起，成了类似于 这样的项， 就有了质量。
规范对称的要求呢？
没关系啊，我是从 出发的，这个是动态相互作用，可没违背规范对称。至于 ，那是势能出现后导致的自发演变，和底层理论没关系。
听上去很无耻？
这种“初始理论遵从规范对称，但真实世界（即基态）不遵循规范对称”的现象，叫自发对称性破缺。
确实是挺无耻的。。。。我知道就有很有名的教授不太信这个东西。
能不能信呢，就得看实验了。
这套理论最基本的特点，就是个个家伙的质量都来源于这个 。谁家和 的相互作用强，谁通过 获得的质量就大。换句话说，粒子和这个新粒子 的相互作用强度正比于自己的质量。
而且这个新粒子 得存在。当然在基态下，实际的粒子是 。
所以就看实验了，你要是能找到$h$，并且他和各个粒子的相互作用真的正比于质量，那就是你对。
这个理论是Peter Higgs提出的，就叫Higgs粒子。
Higgs的发现

来吧！实验们，找吧！
这么美妙的理论，这么牛逼的粒子，当然得有个牛逼的名字。所以媒体就开始炒作上帝粒子了。并且他居然最后真的是最后一个发现的粒子。
人们做了很多工作。美国的LEP理论上是很适合发现Higgs的，最后把Higgs的质量下限给到了距离真实的Higgs只差一点点的位置。
但是尽力了，他是电子对撞机，想进一步提升能量太难了。
希格斯粒子只有GeV，为什么在能做到TeV的时候才发现？于是LHC出现了。
2012年，不负众望，Higgs被发现。
他和粒子们的相互作用，真的正比于质量！
他的一切性质，都和Higgs那套理论预言的完全一致！
彼时我正坐在物理竞赛的培训班里，听到了这个激动人心的消息，由是误了终身。
未来何去何从？

Higgs给标准模型加上了最后一块建材。
迄今为止，所有被发现的粒子，都已经被标准模型纳入其中。
所有已知的相互作用，也都被标准模型准确的描述。
人们用这套模型，做出了无数精确的预言。电子磁矩、 子磁矩、各种衰变率和分支比，精准无比。
（请原谅我提了 子磁矩。这里有新物理的概率，随着实验增加，在我眼里越来越小了。）
但这不是结束，恰恰是新一轮的乌云。
标准模型明确存在大量的问题：中微子的质量怎么来的？暗物质是什么？反物质去了哪里？暴涨真的存在吗？
基本粒子标准模型有哪些缺陷？没有发现新的粒子，没有发现新的相互作用，但这些问题就在这里。
没有发现，就没有线索。
每一个直接验证标准模型的实验，比如某某粒子的衰变模式，都在宣告着标准模型的胜利。
但每一个上述的问题，又在明明白白的嘲笑着标准模型的残破。这些都在通告世人：我们对宇宙的了解不过是冰山一角，宇宙还有无数的相互作用和新的物质等待着我们发现去理解。

When it comes to the world around us, is there any choice but to explore? -- Lisa Randall

全文完。
附录1：自然单位制。

物理学里常数太多了。比如相对论里大家熟知的 。但是 是一个无处不在也根本不会变的常数，两个数之间如果只差一个$c$的倍数，本质上就是一回事。
比如，高中相对论章节就强调过的：上面这个质能方程的意思是能量就是质量，质量就是能量。当然这里的质量指的是动质量。既然“就是”，那这个多余的常数$c$就显得格外碍眼。
那怎么办？干脆设定 吧！ ，是不是舒服多了？
这样会产生新的单位制，比如速度的单位不再是米每秒，而是“多少倍光速”。在这种单位制下，速度成了无单位数。
这样的常数还有很多，比如玻尔兹曼常数 ，普朗克常数 ，引力常数 。把他们统统变成1，自然单位制就产生了。
一些二级结论

距离是速度乘以时间，没错吧？
速度现在没有单位了，那距离就和时间一个单位了。
同理，质量能量动量，这三个是同一个单位。
那距离时间，和质量能量动量，二者之间的关系呢？记住普朗克常数的单位是 ，而且这个数被设定为1了。
所以，焦耳乘以秒，结果没有单位。
也就是，时间或距离的单位，是能量动量质量单位的倒数。
我们记为

由此推下去，会发现在自然单位里只有一个单位，那就是能量单位，一般用eV作为基本单位。其余的物理量，要么没有单位，要么是能量单位的幂次。我们管这个幂次叫量纲或者维度，英文用dimension，注意此处不是空间维度的意思！
比如能量是dimension 1，距离是dimension -1，体积是dimension -3，质量体密度是dimension -2。
这样最大的好处，一方面是处理相对论情形方便，毕竟 了，另一方面可以通过量纲分析，迅速培养一些物理直觉。比如正文里提到的 。
那有人要问了，你们物理理论这么写，但是平时测量可都是国标单位啊？不会乱么？
换回来当然很容易，比如你知道我要算的东西是质量，那我为了得到千克，就把能量eV给除以光速平方就好了，然后剩下的就是查阅eV何换成国标基本单位的组合，再代进去找到千克了。
很麻烦？网上一堆现成的表格。查表即可。
这就是自然单位的用法。
附录2：规范不变性

之前回答过，这里简单再说一下。
为什么叫规范场论？“规范”是什么意思？有哪些“规范”？大家肯定记得中学时被强调了无数次的，“零势能点的选取”。
简单来说，重力势能，或者电势能，本身没有意义，只有差值才有意义。
没有参考点，一切无从谈起。
但参考点太任意了也不好，沟通会有麻烦。
重力势能最简单，大家会比较随意。到了电场里面，零势能点规定在无穷远处，否则就会很麻烦。
这个“无穷远处为零势能点”，是一个约定俗成的“规范”。
不同的规范只会在数学描述上有不同，但物理上的可观测量是不应该受影响的。
这个基本要求，就叫做规范不变性，也叫规范对称性。
但总有些势场更复杂。比如磁场。电场也好重力势场也好，好歹只是个数。磁场倒好，三维向量。
三维的东西，能做的变化就多了。有无数种方式改变势场的样子，但是不改变场，也不改变观察到的物理现象。这些东西开始需要用复杂的数学工具去描述，因此形成了规范场论。
杨-米尔斯理论，就是从数学上探讨，相互作用的一般形式必须长什么样子，才能满足规范不变性。 规范不变性如果不被遵守，目前还是不能被物理学界接受的。
具体的规范不变性，需要用到更复杂的数学，就不在本文赘述。

卡卡

盘点一下本世纪粒子物理和宇宙学领域的重要突破吧，按照时间顺序介绍：
1. 中微子振荡的发现（重要指数：★★★★）

中微子是粒子物理标准模型中的一种基本粒子。它有三种不同的形态，分别称为 、、 . 长期以来的实验证实了三种中微子的存在，但一直没有测量到它们的质量。实际上，在粒子物理标准模型建立的时候就已经假定了中微子没有质量。如果中微子被证实具有质量，那将意味着在粒子物理标准模型之上还存在未知的新物理。
那么如何才能证明中微子具有质量呢？一个方法是观测中微子是否存在振荡现象。中微子振荡的意思是中微子的三种形态会发生混合，形成叠加态。这意味着中微子在运动过程中不处于某种特定的形态，而是三种形态都有可能。只有当你观测它时，它才会随机坍缩到其中一种形态，且坍缩到其中某一种形态的概率会随距离周期性变化。然而，只有质量不为0的粒子才会形成这种叠加态。所以，如果实验探测到了中微子振荡现象，那就说明中微子的质量不为0.
在2000年前后，中微子振荡现象被日本的超级神冈实验和加拿大的SNO实验证实，从而证明中微子实际上存在微小的质量，推翻了标准模型的假定。实验组的负责人最终获得了2015年的诺贝尔物理学奖。中微子振荡是目前唯一坐实的超出粒子物理标准模型的新物理现象，为此后粒子物理理论的研究指明了方向。因此在我心中这一发现的重要指数可以给到 ★★★★ .



中微子探测装置的内部

2. 暗物质的新证据（重要指数：★★★）

暗物质是宇宙学中为了解释许多天文观测上的疑难而引入的一种广泛存在于宇宙中的不可见的物质。在上世纪30年代的时候，就已经有天文学家根据星系团运动的观测数据推测出了暗物质的存在。到了70年代，针对星系旋转曲线的测量结果表明了理论计算与观测数据之间的巨大鸿沟，这种疑难也需要假定星系中存在大量不可见的暗物质才可以解释。自此，暗物质的概念开始被学界重视。然而，上面提到的这些观测结果不仅可以被暗物质解释，某些修改的引力理论也可以解释它们。因此，暗物质学说亟需一些更加坚实的证据来巩固自己的地位。
终于在2006年的时候，星系团引力透镜效应的观测为暗物质的存在找到了新的证据。引力透镜是广义相对论预言的一种天文现象。在广义相对论中，时空会被大质量天体所弯曲，光线在经过这些天体周围时路径会发生偏折，就像经过了一个透镜一样。通过哈勃望远镜，天文学家们观测了子弹星系团的引力透镜效应，并根据观测数据反推出了星系团的质量分布。
在将观测到的星系团质量分布与X射线信号反映出的可见物质分布对比之后，天文学家们发现这两种分布是不重合的。如下图所示，图中蓝色部分是由引力透镜效应反推出的总质量分布，红色部分是可见物质分布。这表明可见物质并不能主导星系团的质量，它们只占星系团总物质的一小部分，星系团的大部分质量是由不可见的暗物质提供的。这一结果是修改引力理论很难解释的，因此它为暗物质的存在提供了非常坚实的证据，重要指数可以给到 ★★★ .



子弹星系团的总质量分布（蓝）和可见物质分布（红）

3. 希格斯粒子的发现（重要指数：★★★★★）

希格斯粒子是粒子物理标准模型中的一个地位极其重要的粒子，正因为有了它，标准模型中的其他粒子才被允许拥有质量。如果没有希格斯粒子，那么构成我们可见物质世界的所有粒子都会是无质量的，我们熟悉的一切物质结构将不复存在。
希格斯粒子是在1964年的时候被提出的，在后面几十年里物理学家们一直在对撞机实验中寻找它。不过，由于对撞机的能量和数据积累能力一直不够，所以几十年的时间里都没有发现过它的踪迹，直到欧洲核子中心的大型强子对撞机（LHC）开始运行。
LHC于2008年开始运行，经过几年的数据积累和分析处理之后，终于在2012年有了成果。LHC上的两个实验组共同宣布发现了希格斯粒子的信号，从此填补上了粒子物理标准模型中最重要的一环。提出希格斯粒子的希格斯和恩格勒（其他提出者都已去世）获得了2013年的诺贝尔物理学奖。在我看来，这是本世纪前25年物理学界最重要的突破，重要指数实打实的 ★★★★★ .



周长27公里的大型强子对撞机LHC

4. 宇宙微波背景辐射的精确测量（重要指数：★★★）

宇宙微波背景辐射（CMB）是从宇宙大爆炸时期遗留下来的光。138亿年前，宇宙从一场大爆炸中诞生，产生的光充满了整个宇宙。这些光经过上百亿年的演化遗留至今，其波长随宇宙膨胀被拉长至微波波段，最终形成了今天氤氲在整个宇宙中的微波背景辐射。
CMB最早在上世纪60年代就已经探测到了，但是在很长一段时间里面探测设备都不够先进，因此只能探测到这个东西的存在，而不能探测到其中的微小涨落。实际上，CMB的微小涨落中包含着有关宇宙的丰富的物理信息。如果能对其进行精确测量，那就可以精确地知晓宇宙的曲率、膨胀速率、物质组分的比例等信息。这对我们理解宇宙的演化是非常重要的。
从上世纪90年代开始，天文学家们计划了一系列的卫星实验来在太空中精确测量CMB的涨落。到目前为止总共完成了三代实验。其中最早的卫星实验叫做COBE，这个实验的负责人获得了2006年的诺贝尔物理学奖。最新的实验叫做Planck，它的最后一次实验数据发布于2018年，这些数据已经能在1%的精度上精确测量宇宙模型的物理参数。借助Planck2018的数据，宇宙学家们可以把宇宙中可见物质、暗物质、暗能量的比例确定在5%、26%、69%. 同时，它对宇宙膨胀速率的测量结果将所谓的“哈勃常数疑难”呈现在宇宙学家们的面前，这可能是宇宙中某种未知物理的暗示。重要指数可以给到 ★★★ .



三代卫星实验对CMB在微小涨落的测量

5. 引力波的发现（重要指数：★★★★★）

引力波是广义相对论预言的一种天文现象。在广义相对论中，引力等价于弯曲的时空几何。时空各处的弯曲程度可以被一个“度规场”来描述。正如电磁场传递了电荷之间的电磁力，度规场也可以被视为传递了物质之间的引力。又正如电磁场会波动传播形成电磁波，度规场也会波动形成所谓的引力波。它们就像在时空之海中行进的片片波浪。原则上，绝大多数物体的加速运动都会产生引力波，只不过通常引力波的强度极为微弱，很难被检测到。只有非常剧烈的天体物理事件，才能够产生足以被人类仪器探测的引力波。
引力波的概念在上世纪30年代就被爱因斯坦提出了，但实验上的探测一直没有顺利进行，直到激光干涉引力波天文台（LIGO）的立项。引力波的探测利用的是引力波对空间距离的改变。前面我们说过引力波是度规场（时空弯曲程度）的波动。当引力波传播至某一位置时，它就会拉伸或压缩此处的空间。LIGO制造了一个巨大的激光干涉仪，它有两条长达4公里的相互垂直的干涉臂，臂内通有干涉的激光。当从合适方向传播过来引力波时，干涉仪的一条臂会被拉伸，而另一条臂则会被压缩。这样一来，激光的干涉方式就会被改变，仪器就捕捉到了引力波的踪迹。
2015年，LIGO实验组成功探测到了双黑洞合并产生的引力波，取得了里程碑式的突破。实验组的负责人因此获得了2017年诺贝尔物理学奖。至今，LIGO等实验组已探测到了上百个由黑洞或中子星合并造成的引力波事件。这些成果使我们对黑洞和宇宙演化拥有了新的认识，可以说是开启了宇宙学的新时代。重要指数 ★★★★★ 实至名归。



双黑洞合并产生引力波示意图

6. 低频引力波的探测（重要指数：★★★）

前面说的引力波是常规质量的黑洞或者中子星合并形成的引力波。它的特征是波的频率非常高，可能每秒钟都可以波动好多次。然而，宇宙中不仅有高频引力波，还有频率低到一年都不一定能波动一次的低频引力波。这种低频引力波无法被LIGO这样的地面激光干涉实验所探测，而是需要利用一种更为神奇的实验方法——脉冲星计时阵列。
这是一种基于脉冲星探测引力波的方法。它其实还是利用的引力波对空间距离的改变。脉冲星是一种发射脉冲周期性到达地球的中子星。其脉冲周期非常稳定，因此可以被当作一种标准计时工具。当引力波传播至地球与脉冲星的中间区域时，它会改变地球与脉冲星之间的距离，从而使脉冲提前或推迟到达，形成计时残差。由此，射电望远镜就可以捕捉到引力波的信号。当然，如果只观测一颗脉冲星的话，我们无法区分计时残差是由引力波造成的还是由其他原因造成的。但如果同时观测几十颗脉冲星，发现它们的计时残差之间有特定关联，那就可以确定计时残差是引力波造成的。
2023年，中国的CPTA、北美的NANOGrav、欧洲的EPTA以及澳洲的Parkes四个脉冲星计时阵列实验组同时发布了低频引力波的观测证据。这是近几年来宇宙学领域最重要的进展。利用低频引力波的观测数据，可以推断宇宙中是否存在互旋的超大质量黑洞，是否有宇宙弦之类的奇异结构。这对我们理解宇宙是非常重要的促进。重要指数暂时给到 ★★★ ，如果未来有进一步的新发现，可以给更高。



脉冲星原理示意图

去年写过一篇低频引力波探测的科普，感兴趣的小伙伴可以看看：
中国天眼 FAST 探测到纳赫兹引力波存在证据，相关研究达领先水平，这意味着什么？哪些信息值得关注？可预见的未来

在下一个四分之一世纪（2025—2050），随着各种实验观测计划的立项，有希望看到更多重要的突破，比如：
（1）暗能量性质的精确测量，证实暗能量在演化。这个其实已经有实验迹象了，今年DESI实验发布的数据已经在较高的置信度上揭示了暗能量的演化性质。未来5年之内，随着数据继续积累，相信能够在更高的置信度上证实这件事情。预计会是一个 ★★★★ 级别的成果。感兴趣的小伙伴可以看我之前写的一篇介绍：
2024 年，天文学领域都有哪些令人激动的新进展与重要发现？（2）毫赫兹引力波的探测。我国和欧洲已经计划发射卫星在太空中组建激光干涉仪来探测毫赫兹频段的引力波。这个项目预计在2035年左右建成并运行，届时我们会对引力波有更加充分的研究。重要程度可以类比脉冲星计时阵列，★★★ .
（3）原初引力波的探测，证实宇宙暴胀理论。这个其实有点悬，因为我们不知道原初引力波的强度究竟如何。原初引力波是宇宙暴胀理论预言的在宇宙诞生初期产生的引力波，它的强度由一个参数——张标比 r ——来衡量。许多暴胀模型预言的张标比在r=0.003左右，大约在未来的十年之内实验精度就可以到达这个界限。届时我们可能会成功探测到原初引力波，从而证实宇宙暴胀理论，也可以间接说明引力的量子——引力子的存在，这将会是一个 ★★★★★ 级别的发现。但也有可能直到很高的精度下也没有探测到原初引力波，这会帮我们排除掉许多种不可能的暴胀模型。
（4）直接探测到暗物质粒子或者原初黑洞。这个也有点悬，因为我们目前对暗物质粒子的物理性质知之甚少，所以不知道什么样的探测手段才能捕捉到它的踪迹。原初黑洞也是不知道它是否真的存在于宇宙当中。但如果成功发现了它们，必然会是一个 ★★★★★ 级别的突破。
（5）TeV能标的新物理。这个依赖于新的大型粒子对撞机项目是否能立项。如果能立项并成功运行，那就有希望在TeV能标找到超出粒子物理标准模型的新物理，这至少是一个 ★★★★ 的突破。如果能发现未知的新粒子，将会是实打实的 ★★★★★ 级别的成果。