2023物理碗競賽奪金秘訣！（官方押題總結版）

距離2024年物理碗競賽開考時間越來越近 👇

⏰考試時間⏰

2024年3月20日

17:00-17:45（45 分鍾）

⏰報名截止⏰

2024 年 3 月 11 日 還有兩(liang) 個(ge) 月就要物理碗考試了，跟還不了解這個(ge) 比賽的同學介紹一下：物理碗的特色之一就是會(hui) 考時事題。時事題往往來源於(yu) 前一年的諾貝爾獎或者前一年當中發生的物理大事件。主辦方美國物理協會(hui) 在每一年的年末係統整理在這一年當中發生的物理大事件，然後抽取其中的部分關(guan) 鍵信息在物理碗考試中出現。

比如，在2021-2022年的物理碗考試中出現了這類時事題，也被機構老師在考前成功押中！

接下來，老師也為(wei) 大家盤點2023年的物理大事件！

01、引力波

今年，物理學界首次探測到納赫茲(zi) 引力波存在的證據。這些巨大、超低頻的波動在數年到數十年的周期上拉伸和壓縮著時空。

四個(ge) 獨立的射電天文學項目——北美的NANOGrav、歐洲和印度的EPTA/InPTA、中國的脈衝(chong) 星測時陣列、澳大利亞(ya) PPTA，合作完成並共同報道了這一重大發現。他們(men) 通過記錄來自脈衝(chong) 星的信號到達地球時間的細微變化來探測引力波。

關(guan) 於(yu) 納赫茲(zi) 引力波的由來，一個(ge) 最合理的解釋是：當兩(liang) 個(ge) 星係合並時，它們(men) 各自中心的超大質量黑洞可能形成雙黑洞係統，並在完成合並前相互繞行數千甚至數百萬(wan) 年。

此類超大質量天體(ti) 的運動會(hui) 產(chan) 生納赫茲(zi) 頻率的引力波。當然，也不能排除暗物質或宇宙膨脹相關(guan) 起源。

上圖為(wei) 兩(liang) 個(ge) 大質量黑洞合並時的計算機模擬模型用以解釋引力波的背景信號。

機構物理名師解析

在這裏我們(men) 要劃出的的關(guan) 鍵詞有：引力波Gravitational Waves，黑洞blackhole，以及四個(ge) 天文項目的名字the North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav), a joint European–Indian effort (EPTA/InPTA), the Chinese PTA, and the Parkes PTA in Australia 這些要留有印象。

關(guan) 於(yu) 引力波，在2018年的物理碗中考過：

答案選A，因為(wei) gamma ray頻率最高，能量最大，最容易被探測到。這個(ge) 點希望同學們(men) 記住，很有可能會(hui) 再次出現。

02、透過中微子觀察銀河係

今年6月，冰立方中微子天文台（IceCube Neutrino Observatory）發布了首張銀河係的中微子圖像。

圖像由一係列藍色、模糊、相連的斑點構成，與(yu) 另外三種波長（無線電、光學和伽馬射線）下的視圖大致匹配。

冰立方能利用南極絕佳的透明冰川環境研究宇宙中微子，包括一些有史以來最高能的中微子。安裝於(yu) 寒冰深處的光學傳(chuan) 感器檢測中微子與(yu) 冰中原子相互作用的信號。

研究團隊也正是基於(yu) 這類信號繪製出了銀河係圖像。

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關(guan) 鍵詞：中微子neutrino

關(guan) 於(yu) 中微子，它是一種基本粒子，屬於(yu) 輕子lepton，它的質量和電荷均為(wei) 0，所以很難探測，往往在電子的釋放和吸收中伴隨產(chan) 生。

同樣也在2018年的物理碗考試中出現：

答案是C，要知道中微子的基本信息是電子伴隨粒子，在選項中隻有β射線是電子。

03、協調量子力學與(yu) 廣義(yi) 相對論

量子力學是最棒的物質理論，通過波動方程描述微觀粒子的離散（量子化）行為(wei) 。廣義(yi) 相對論是最好的引力理論，通過時空曲率描述大質量物體(ti) 的連續（經典）運動。

但這兩(liang) 個(ge) 理論在時空的本質上似乎存在根本分歧：量子波動方程在固定的時空上定義(yi) 的，廣義(yi) 相對論卻說時空是動態的，因物質分布而彎曲。

過去70年來，基礎物理學中最重要的問題之一就是協調、統一量子力學與(yu) 廣義(yi) 相對論。這種統一有兩(liang) 種策略：要麽(me) 將引力量子化，要麽(me) 找到一種方法將量子物質引入經典引力框架。

大多數努力都圍繞前一種展開，不過尚無實驗證實量子引力概念。後一種策略在今年取得突破性進展。

倫(lun) 敦大學學院的喬(qiao) 納森·奧本海姆（Jonathan Oppenheim）提出一種替代方案：將引力保留於(yu) 經典理論，並通過概率機製將其與(yu) 量子理論結合。這種做法過去被認為(wei) 不可能，因為(wei) 它會(hui) 導致不一致。

奧本海姆避開了這一問題，付出的代價(jia) 則是必須將概率引入時空演化。未來的實驗可通過探測量子引力來測試上述方案的可行性。

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關(guan) 鍵詞：量子quantum，引力gravity，基本作用力fundamental forces

追溯到2007年，考到了四個(ge) 基本相互作用力：

答案是B，用排除法，要記住強相互作用和弱相互作用，都是在原子內(nei) 部的，他們(men) 作用範圍非常小，排除引力後隻有電磁力可選。

更多物理事件會(hui) 在後續更新，接下來我們(men) 再看一下2023的諾貝爾獎。

2023年，諾貝爾物理學獎授予了俄亥俄州立大學的Pierre Agostini, 匈牙利-奧地利物理學家 Ferenc Krausz 和法國物理學家 Anne L’Huillier ，表彰他們(men) 在物質電子動力學研究中產(chan) 生阿秒光脈衝(chong) 的實驗方法。

阿秒是一個(ge) 時間單位，等於(yu) 10-18秒（小數點後17個(ge) 零）。

這個(ge) 單位有多“小”？形象地說，1秒鍾所包含的阿秒數，相當於(yu) 宇宙年齡（約1018秒）中所包含的秒數。

所謂阿秒激光，指的就是脈衝(chong) 時間能達到阿秒級別的激光。那麽(me) ，人們(men) 為(wei) 什麽(me) 要研究這種激光呢？

舉(ju) 個(ge) 簡單的例子：如果要研究運動員的跑步，我們(men) 隻需要肉眼和秒表就可以；而如果我們(men) 要研究快速運動的物體(ti) ，肉眼就看不清楚了。

此時人們(men) 發明了“拍電影”，通過快速的快門開合來形成短時間的光脈衝(chong) ，讓畫麵在一個(ge) 短時間內(nei) 暫時“定格”，這樣就方便我們(men) 觀察了。

也就是說，如果采用更短時間的光脈衝(chong) ，那麽(me) 就可以研究更高速運動的物體(ti) ；目前最快的相機快門產(chan) 生的光脈衝(chong) 時間大概在萬(wan) 分之一秒左右，也就是說每秒鍾快門閃一萬(wan) 次，這麽(me) 快的速度足夠人們(men) 清晰地拍攝出昆蟲振動翅膀的過程。

相對於(yu) 宏觀物體(ti) 來說，微觀世界的物質（原子、分子）運動的速度更快，為(wei) 了研究這種運動，科學家們(men) 發明了飛秒激光，光脈衝(chong) 的持續時間短至10-15秒，我們(men) 終於(yu) 可以看清一個(ge) 原子是怎麽(me) 運動的了。

原子核內(nei) 的電子運動速度更快，氫原子基態電子繞原子核旋轉一周的時間是150阿秒(1阿秒 =10-18秒)，這就意味著飛秒激光已經看不清電子的運動了，人們(men) 需要時間寬度在阿秒量級的激光。如何製造脈衝(chong) 時間在10-18秒量級的阿秒激光就成為(wei) 了新挑戰。

要注意的是，盡管這裏時間刻度已經很小了，但是不會(hui) 影響海森堡不確定性原理。

Anne L’Huillier回答：我們(men) 並沒有違反量子力學，我們(men) 可以把波函數的區域定域化到一個(ge) 小的區域，左邊或者右邊，但是，電子依舊是一個(ge) 波包，不是一個(ge) 點。

🚀複習(xi) 重點小結

1. 關(guan) 鍵詞：阿秒（attosecond）。1阿秒是10的-18次方秒。“阿”（atto）這個(ge) 前綴就是10的-18次方。

2. 這張前綴表要好好去記憶，往年我們(men) 隻要記到12次方，今年要記到18次方。

3. 海森堡不確定性原理（Heisenberg uncertainty principle）

4. 諾獎得主：Pierre Agostini，Ferenc Krausz，Anne L’Huillier

每一年我們(men) 都會(hui) 給大家更新這些物理事件，當然也為(wei) 大家參與(yu) 物理競賽一路保駕護航，提高最大幫助！