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The Nobel Prize in Physics 2024

The Nobel Prize in Physics 2024 was awarded to John J. Hopfield and Geoffrey E. Hinton “for foundational discoveries and inventions that enable machine learning with artificial neural networks.”

Hopfield created a structure that can store and reconstruct information. Hinton invented a method that can independently discover properties in data and which has become important for the large neural networks now in use.

時域天文學 - 伽馬射線暴與超新星

 

物理學家們對這種磁性材料感到驚訝，因為當對其加熱時，其內部自旋方向反而變得有序

 當無序的磁性材料冷卻到剛好隊的溫度上時，發生了一些有趣的事。它們原子的自旋（spin）「凍住」了，並以靜態模式中鎖定到位，展現出通常不會呈現的合作行為。而現在第一次，物理學家們看到了相反的事。當部份地加熱時，自然產生的磁性材料釹（neodymium，Nd）凍住，顛倒所有我們所預期看到的現象。

超出預期

在典型的鐵磁性（ferromagnetic）材料，例如鐵中，原子的磁自旋都排列在同一個方向上；也就是說，在三維空間中，它們的南北磁極是在相同方向上的。但是在某些材料，例如一些銅與鐵的合金當中，自旋方向反而是相當隨機。這個狀態是我們所熟知的自旋玻璃（spin glass）。

位於荷蘭的奈梅亨拉德堡德大學（Radboud University Nijmegen）的物理學家亞歷山大·卡捷托利安教授（Alexander Khajetoorians）說：「我們所觀察到在 Nd 中的磁性行為，實際上是『通常』會發生的相反結果。這相當違反直覺，就像當你加熱時，水會變成冰塊一樣。」

你可能在想說，Nd 因為可以製作出很棒的磁鐵而聞名，而你也是對的……但是它必須與鐵混在一起，才能讓自旋排列在同方向上。純 Nd 並非表現得跟其他磁鐵一樣：直到兩年前，物理學家們才決定說事實上，最好描述這個材料為自感自旋玻璃（self-induced spin glass）。而現在看起來，Nd 似乎比我們所想的還要更奇怪。

現象描述

當對一種材料加熱時，溫度的上升會增加材料中的能量。在磁鐵的例子中，這會增加自旋的動作。但是相反的現象也會發生：當將磁鐵冷卻下來時，自旋會慢下來。對自旋玻璃來說，凝固點是當自旋玻璃表現地更像典型的鐵磁的溫度。

由奈梅亨拉德堡德大學的物理學家班傑明·維爾哈奇博士後（Benjamin Verlhac）所領導的科學家團隊想要測試看看，在改變的溫度之下，Nd 如何表現。有趣地是，他們發現將 Nd 的溫度從攝氏 -268 度上升到 -265 度，會誘導出通常在冷卻自旋玻璃時所會看到的凍住狀態。當科學家們將 Nd 冷卻回去時，自旋又再一度變得無序。

還不清楚這為何會發生，因為與所有其他同類材料的行為方式相反，一種自然的材料以「錯誤」的方式表現是很罕見的。然而，科學家們相信，這很有可能與一個稱作不穩定性（frustration）的現象有關。

這是指說當一種材料無法達到有序狀態，導致無序的基態，比如說我們在自旋玻璃中看到的那樣。研究人員說，Nd 在其自旋玻璃態中，有可能有特定的相關性，是取決於溫度的。升溫會弱化這些相關性，因此導致不穩定性，讓自旋排列於同個方向上。

未來方向

進一步的調查可能可以揭開這個奇異行為背後的機制，也就是為何增加了能量後，會從無序變到有序。研究人員註記說，這具有遠遠超出物理學的影響。

卡捷托利安教授解釋說：「這種『凍住』的模式，通常不會在磁性材料中發生。如果我們最終可以建立這些材料如何表現的模型，那麼這就可以被外推到各種其他材料的行為上。」

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參考資料：

1. Starr, M., (2022, July 4). Physicists Are Startled by This Magnetic Material that ‘Freezes’ When Heated. ScienceAlert
2. Verlhac, B. et al., (2022, July 4). Thermally induced magnetic order from glassiness in elemental neodymium. Nature Physics. doi.org/10.1038/s41567-022-01633-9
3. 圖片來源：https://www.sciencealert.com/this-magnetic-material-freezes-when-heated-in-a-reversal-of-our-expectations（圖：Clarence Risher/Wikimedia Commons, CC BY-SA 2.0）
   

星途STARRY SOJOURN

 

宇宙之謎重寫：新研究質疑「暗物質」根本不存在

 

近期，來自渥太華大學的Bernard Rizk引領的一項研究，在《天體物理學期刊》上發表了顛覆性的發現。這項研究提出了一個驚
人的觀點：我們的宇宙其實並不存在暗物質。

傳統上，宇宙被認為由普通物質、暗能量和暗物質組成。「暗物質」是一種不與光或電磁場互動的神秘物質，僅能通過重力效應來解釋。我們看不見它，也不知道它由什麼構成，但它幫助我們理解星系、行星和恆星的行為。

然而，物理學教授Rajendra Gupta採用了兩種理論——共變耦合常數（covarying coupling constants,CCC）和「疲憊之光」（tired light,TL）理論（CCC+TL模型），來達成這一結論。這一模型結合了自然力隨宇宙時間減弱以及光在長途旅行中能量損失的想法。它已被證實與多項觀測，例如關於星系的分布和早期宇宙光線演變相符。

這項發現挑戰了流行的宇宙理解，即大約27%的宇宙由暗物質組成，不到5%是普通物質，其餘是暗能量。

Gupta表示：「我們先前的工作已經證明宇宙年齡為267億年，這使我們發現宇宙不需要暗物質就能存在。」在標準宇宙學中，宇宙的加速擴張被認為是由暗能量引起的，但實際上是由於宇宙擴張時自然力的減弱，而非暗能量。

宇宙年齡為267億年 不需暗物質就能存在

在CCC+TL和ΛCDM模型中，角直徑距離作為紅移的函數。圖片來源：《天體物理學期刊》

這項研究還提出了解釋遠處天體呈紅移現象的新模型。他分析了低紅移星系分布和高紅移文獻中聲波視界的角大小數據。

Gupta說：「有幾篇論文質疑暗物質的存在，但據我所知，我的論文是第一篇在與我們已確認的關鍵宇宙學觀測一致的情況下，消除了其宇宙學存在的。」如果暗物質被認為如此重要，且存在大量證據證明其存在，那麼Gupta是如何證明它不存在的呢？答案在於結合了關於宇宙的兩個理論：共變耦合常數和疲憊之光。

這項研究覆蓋了從恆星形成、聲波視界、宇宙微波背景輻射等多個領域，甚至提出解決了早期宇宙中不可能存在的星系之謎，並重新確認了之前的研究，即宇宙的年齡是我們先前認為的兩倍。儘管這項研究並非完美，科學家們長期以來一直將「疲憊之光」理論視為科學的邊緣。

然而，這項研究依然堅實。至少，它突出顯示了一個明顯的事實：標準宇宙模型存在缺陷，我們需要一個新的模型。隨著新技術的出現，讓我們能夠以前所未有的方式研究太空，也許新模型即將出現。

相關研究刊登在最新一期的《天體物理學期刊》。

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首圖來源：PIXABAY　cc By4.0

圖片來源：The Astrophysical Journal  cc By4.0

參考論文：

1.Testing CCC+TL Cosmology with Observed Baryon Acoustic Oscillation FeaturesThe Astrophysical Journal

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