De minsta evenemangen har stora konsekvenser. Och inget vetenskapligt område visar det bättre än kvantfysik, som utforskar det konstiga beteendet hos - mestadels - mycket små saker. År 2019 gick kvantexperiment till nya och ännu främmande platser och praktisk kvantberäkning gick allt närmare verkligheten, trots vissa kontroverser. Dessa var de viktigaste och överraskande kvanthändelserna 2019.
Google hävdar "kvantöverträffelse"
Om en kvantnyhet från 2019 gör historien böcker, kommer det förmodligen att vara ett stort tillkännagivande från Google: Tekniska företaget meddelade att det hade uppnått "kvantöverträffelse." Det är ett fint sätt att säga att Google hade byggt en dator som kunde utföra vissa uppgifter snabbare än någon klassisk dator kunde. (Kategorin klassiska datorer inkluderar alla maskiner som är beroende av vanliga gamla 1 och 0, till exempel den enhet du använder för att läsa den här artikeln.)
Googles krav på kvantöverträffelse skulle, om det framgår, markera en böjningspunkt i datorhistoriken. Kvantdatorer litar på konstiga småskaliga fysiska effekter som intrassling, liksom vissa grundläggande osäkerheter i nanouniverset, för att utföra sina beräkningar. I teorin ger kvaliteten dessa maskiner vissa fördelar jämfört med klassiska datorer. De kan enkelt bryta klassiska krypteringsscheman, skicka perfekt krypterade meddelanden, köra några simuleringar snabbare än klassiska datorer kan och i allmänhet lösa hårda problem mycket enkelt. Svårigheten är att ingen någonsin har gjort en kvantdator snabbt nog för att dra fördel av de teoretiska fördelarna - eller åtminstone ingen hade, förrän Googles bragd i år.
Men inte alla köper teknikföretagets överlägsen fordran. Subhash Kak, en kvanteskeptiker och forskare vid Oklahoma State University, redogjorde för flera av skälen i denna artikel för Live Science.
Läs mer om Googles resultat av kvantöverlägsenhet.
Kilogramet går kvant
En annan kvantböjningspunkt från 2019 kom från vikten och mätvärlden. Standardkilogrammet, det fysiska objektet som definierade massenheten för alla mätningar, hade länge varit en 130-årig platina-iridiumcylinder som väger 2,2 kg. och sitter i ett rum i Frankrike. Det förändrades i år.
Den gamla kilo var ganska bra, knappt förändrade massan under årtionden. Men det nya kiloet är perfekt: Baserat på det grundläggande förhållandet mellan massa och energi, såväl som ett skämt i uppförandet av energi vid kvantvåg, kunde fysiker komma fram till en definition av kilogram som inte ändras alls mellan i år och universums slut.
Läs mer om det perfekta kilogramet.
Verkligheten bröt lite
Ett team av fysiker designade ett kvantexperiment som visade att fakta faktiskt förändras beroende på ditt perspektiv på situationen. Fysiker utförde ett slags "myntkast" med fotoner i en liten kvantdator och fann att resultaten var olika på olika detektorer, beroende på deras perspektiv.
"Vi visar att i mikrovärlden av atomer och partiklar som styrs av kvantmekanikens konstiga regler, har två olika observatörer rätt till sina egna fakta," skrev experimentalisterna i en artikel för Live Science. "Med andra ord, enligt vår bästa teori om naturens byggstenar, kan fakta faktiskt vara subjektiva."
Läs mer om bristen på objektiv verklighet.
Entanglement fick sitt glamourskott
För första gången gjorde fysiker ett fotografi av fenomenet Albert Einstein beskrev som "spöklik handling på avstånd", där två partiklar förblir fysiskt kopplade trots att de är separerade över avstånd. Denna funktion i kvantvärlden hade länge verifierats experimentellt, men det var första gången någon fick se den.
Läs mer om den oförglömliga bilden av förvirring.
Något stort gick i flera riktningar
På något sätt möjliggör den konceptuella motsatsen till intrassling, kvantsuperposition ett enda objekt att vara på två (eller fler) platser på en gång, en följd av materia som finns som både partiklar och vågor. Vanligtvis uppnås detta med små partiklar som elektroner.
Men i ett 2019-experiment lyckades fysiker dra av superposition i den största skalan någonsin: med hjälp av hulking, 2 000-atommolekyler från läkemedelsvärlden känd som "oligo-tetrafenylporfyriner berikade med fluoroalkylsulfanylkedjor."
Läs om makroskala resultat av superposition.
Värme korsade vakuumet
Under normala omständigheter kan värme korsa ett vakuum på bara ett sätt: i form av strålning. (Det är vad du känner när solstrålarna korsar utrymmet för att slå i ansiktet på en sommardag.) Annars, i vanliga fysiska modeller, rör sig värme på två sätt: Först kan energikartade partiklar slå in andra partiklar och överföra deras energi . (Koppla in händerna runt en varm kopp te för att känna denna effekt.) För det andra kan en varm vätska förtränga en kallare vätska. (Det är vad som händer när du slår på värmaren i bilen och översvämmer interiören med varm luft.) Så utan strålning kan värme inte korsa ett vakuum.
Men kvantfysiken bryter som vanligt reglerna. I ett experiment från 2019 utnyttjade fysiker det faktum att vakuumerna i kvanteskalan inte är riktigt tomma. Istället är de fulla av små, slumpmässiga fluktuationer som dyker in och ut ur existensen. I en tillräckligt liten skala, fann forskarna, kan värme korsa ett vakuum genom att hoppa från en fluktuation till nästa över det till synes tomma utrymmet.
Läs mer om värme som hoppar över rymdets kvantvakuum.
Orsak och effekt kan ha gått bakåt
Denna nästa konstatering är långt ifrån en experimentellt verifierad upptäckt, och den ligger till och med långt utanför den traditionella kvantfysikens rike. Men forskare som arbetar med kvanttyngdekraft - en teoretisk konstruktion utformad för att förena världen inom kvantmekanik och Einsteins allmänna relativitet - visade att en händelse under vissa omständigheter kan orsaka en effekt som inträffade tidigare i tiden.
Vissa mycket tunga föremål kan påverka tidflödet i deras omedelbara närhet på grund av allmän relativitet. Vi vet att detta är sant. Och kvantsuperposition dikterar att objekt kan vara på flera platser samtidigt. Sätt ett mycket tungt föremål (som en stor planet) i ett tillstånd av kvantesuperposition, skrev forskarna, och du kan utforma udda scenarier där orsak och verkan sker i fel ordning.
Läs mer om omvänd orsak och verkan.
Kvanttunneln knäckt
Fysiker har länge känt till en konstig effekt känd som "kvanttunneling", där partiklar verkar passera genom till synes oacceptabla barriärer. Det är dock inte för att de är så små att de hittar hål. År 2019 visade ett experiment hur detta verkligen händer.
Kvantfysik säger att partiklar också är vågor, och du kan tänka på dessa vågor som sannolikhetsprognoser för partikelns placering. Men de är fortfarande vågor. Krossa en våg mot en barriär i havet, och den kommer att förlora lite energi, men en mindre våg kommer att visas på andra sidan. En liknande effekt uppstår i kvantvärlden, fann forskarna. Och så länge det finns lite sannolikhetsvåg kvar på bortre sidan av barriären, har partikeln en chans att komma igenom hinder, genom att tunnla genom ett utrymme där det verkar som det inte borde passa.
Läs mer om den fantastiska kvanttunneleffekten.
Metalliskt väte kan ha dykt upp på jorden
Detta var ett stort år för fysik med ultrahögtryck. Och en av de fetaste påståenden kom från ett franskt laboratorium, som meddelade att det hade skapat ett heligt gralämne för materialvetenskap: metalliskt väte. Under tillräckligt högt tryck, såsom de som tros existera i kärnan i Jupiter, anses en-proton väteatomer fungera som en alkalimetall. Men ingen hade någonsin lyckats generera tryck tillräckligt högt för att visa effekten i ett labb tidigare. I år sa teamet att de hade sett det vid 425 gigapascals (4,2 miljoner gånger jordens atmosfärstryck vid havsnivån). Men inte alla köper detta krav.
Läs mer om metalliskt väte.
Vi såg kvantsköldpaddan
Zappa en massa superkylda atomer med ett magnetfält, och du kommer att se "kvant fyrverkeri": atomer som avfyrar i till synes slumpmässiga riktningar. Forskare misstänkte att det kan finnas ett mönster i fyrverkerierna, men det var inte uppenbart bara att titta. Men med hjälp av en dator upptäckte forskare en form på fyrverkerieffekten: en kvantsköldpadda. Ingen är dock ännu säker på varför den tar den formen, dock.
Läs mer om kvantsköldpaddan.
En liten kvantdator vände tillbaka tiden
Tiden är tänkt att röra sig bara i en riktning: framåt. Spilla lite mjölk på marken, och det finns inget sätt att helt torka ut smuts och återföra samma rena mjölk tillbaka i koppen. En spridande kvantvågfunktion ospreadas inte.
Förutom i det här fallet gjorde det det. Med hjälp av en liten kvantdator med två kvarter kunde fysiker skriva en algoritm som kunde återföra varje våg av vågen till den partikel som skapade den - avlinda händelsen och effektivt vända tillbaka tidens pil.
Läs mer om att vända tidens pil.
En annan kvantdator såg 16 framtider
En trevlig egenskap hos kvantdatorer, som förlitar sig på superpositioner snarare än 1s och 0s, är deras förmåga att spela upp flera beräkningar på en gång. Denna fördel är på full visning i en ny kvantprognosmotor som utvecklats 2019. Simulera en serie anslutna händelser kunde forskarna bakom motorn koda 16 möjliga framtider till en enda foton i sin motor. Nu är det multitasking!
Läs mer om de 16 möjliga futuresna.
