來源：宇宙解碼
圖註：2017年，歐洲核子研究中心的ATLAS探測器觀測到的這一事件同時顯示了希格斯玻色子和Z玻色子的產生情況。兩個藍色軌道是高能電子，對應於一個Z玻色子，其能量對應於質量93.6GeV。兩個青色圓錐體都是噴頭，由於夸克的強強化，產生了大量的粒子。特別是，這可以追溯到底部反夸克對，這是希格斯候選粒子。從這個事件中重建的希格斯候選體的固定質量是128.1 GeV，與希格斯玻色子的屬性一致。
從科學的角度來看，21世紀10年代是一個極其富有成果的十年。我們對系外行星（圍繞恆星運行在自身恆星之外的行星）的知識爆炸了，產生了數以千計的新發現，並使人們對存在的東西有了無與倫比的了解。普朗克衛星和我們的大規模結構調查定格了暗能量，而改進的天文數據向我們展示了一個有關宇宙膨脹的難題。雷射變得更快，更強大；第一次實現了「量子霸權」；我們探索了冥王星，而我們最遠的太空飛行器終於進入了行星際空間。
但是，三項物理學的進展遙遙領先，對科學的未來有著巨大的影響。「希格斯玻色子」的發現、引力波的直接探測以及黑洞事件地平線的第一張圖像，在21世紀10年代徹底改變了科學，並將持續影響物理學，並將持續幾十年。
圖註：標準模型的粒子和反粒子現在都直接被探測到，最後一個保持器，希格斯玻色子，在十年前的LHC下降。所有這些粒子都可以在LHC能量下產生，粒子的質量導致基本常數，這是完全描述它們絕對必要的。這些粒子可以很好地描述由量子場理論背後的標準模型的物理，但它們不能描述一切，如暗物質，或在強相互作用為什麼沒有CP衝突。
發現希格斯玻色子
在21世紀10年代之前已經發現了夸克、帶電的列克、中微子及其反物質對應物，標準模型的鐵氧體部分已經完成。我們已經發現並測量了所有量表玻色子的特性：W和Z玻色子、膠子和光子。希格斯玻色子——標準模型預期的最後一個粒子——也是存在的。
大型強子對撞機是人類有史以來最強大的粒子加速器，其建造目標是發現這種粒子。通過實現在地面加速器中從未見過的能量，並將其與比以往更多的質子-質子碰撞相結合，科學家們終於能夠揭示出最難以捉摸的基本粒子的本質。
圖註：幾年前，CMS 和 ATLAS 合作宣布了第一個健壯的 5 西格瑪檢測希格斯玻色子。但是，希格斯玻色子在數據中並不是一個"尖峰"，而是一個擴散的凸起，因為其固有的質量不確定性。其平均質量值125 GeV/c^2是理論物理學的難題，但實驗者不必擔心：它存在，我們可以創建它，現在我們也可以測量和研究其特性。
我們不僅能夠創建和檢測希格斯，而且能夠測量其許多屬性。
其中包括：
其質量，其等效能量為125-126 GeV，它的自旋為零，使它成為唯一的基本標量粒子，及其分支比，它向我們展示了希格斯玻色子是如何可能衰變成各種粒子集的。除了發現希格斯之外，對這些屬性進行這些詳細的測量使我們能夠將理論與實驗進行比較，並問我們自己，標準模型在預測希格斯的行為方式方面有多成功。截至 2019 年，以及 CMS 和 ATLAS 協作收集和分析的全套數據，我們所看到的一切都與具有理論上預測的確切屬性的希格斯玻色子 100% 一致。
圖註：觀察到的希格斯衰變通道與標準模型協議，包括來自ATLAS和CMS的最新數據。該協議是驚人的，但同時也令人沮喪。到 2030 年代，LHC 的數據量約為 50 倍，但許多衰變通道上的精度仍然只有百分之幾。未來的對撞機可以將這種精度提高多個數量級，從而揭示出潛在的新粒子的存在。
這本身就是一個巨大的謎團。一方面，我們有一系列關於宇宙的奧秘，標準模型的粒子、場和相互作用無法解釋。我們不知道暗物質、暗能量、膨脹或巴約成因的原因，只有標準模型本身無法解釋這些謎團。我們沒有解決無數其他難題方法，從強CP問題到中微子質量，到解釋為什麼粒子有靜止質量。
科學家計劃在2030年代運行大型強子對撞機，同時進行一些低能耗實驗。但是，除非他們透露一個答案，或者至少一個令人信服的暗示，人類將面臨一個有爭議的問題：我們是否應該建立一個更高級的，下一代對撞機，以超越大型強子對撞機可以教給我們？粒子物理學的未來——以及最終解開這些謎團的機會——岌岌可危。
圖註：當你有兩個引力源（即質量）螺旋並最終合併時，這種運動會導致引力波的發射。雖然它可能不是直觀的，但引力波探測器對這些波的靈敏度為 1/r，而不是 1/r+2，並且會從各個方向看到這些波，無論它們是正面的還是邊緣的，還是介於兩者之間。
直接探測引力波
當愛因斯坦在1915年提出廣義相對論時，在這個範式轉變的新框架中，有一系列的後果還沒有得到充分的闡述。然而，經過幾十年的理論工作，很明顯，當質量在宇宙中移動時，時空的曲率發生了變化，而質量在時空中移動，其曲率隨著時間的變化而改變，會發出一種新的輻射形式：引力波。
雖然這種輻射的間接後果很久以前就出現在脈衝星數據中，但最終目標始終是直接檢測這些波紋。2015年，在LIGO合作的引領下，新一代引力波探測器上線時，一個全新的領域誕生了：引力波天文學領域。這些波紋首次在人類創造的探測器中留下了可觀測的可識別信號，直接揭示了它們的存在。
圖註：LIGO 和處女座在 Run II 結束時觀察到的合併黑洞的可視化圖像的靜止圖像。當黑洞的地平線螺旋併合並時，發射的引力波變大（振幅越大）和音調越高（頻率越高）。合併的黑洞範圍從7.6太陽質量到50.6太陽質量，每次合併時損失約5%的總質量。波的頻率受宇宙膨脹的影響。
兩種類型的信號已經直接看到：對應於雙子黑洞的螺旋和合併的信號，以及對應於兩個中子星合併的信號。前者是迄今為止LIGO看到的最常見的信號類型，揭示了質量範圍內從未見過的黑洞，並指導我們統計這些恆星殘餘物數量，而後者則伴隨著電磁信號，也使我們能夠確定宇宙中最重的元素的起源。
LIGO和Virgo等探測器已經升級，增加了它們的射程和靈敏度，而目前的運行可能不僅揭示了新的探測，而且揭示了產生引力波的新類別天體，如中子星黑洞合併，比以往任何時候看到的更輕質量的黑洞，甚至可能是脈衝星地震、超新星，或完全令人驚訝的東西。
圖註：當兩個臂的長度完全相等，並且沒有引力波通過時，信號為空，干涉模式是恆定的。隨著臂長的變化，信號是真實和振蕩的，干擾模式會隨著時間以可預測的方式而變化。
隨著21世界10年代向21世紀20年代及以後的年代，引力波探測器的大小、靈敏度和範圍將繼續增加，從而開啟揭示我們今天只能夢想探測到的信號的可能性。落入超大質量黑洞的物體就在我們的地平線上，在膨脹的最後時刻產生的引力波也在我們地平線上：在熱大爆炸之前宇宙的相位。
直到最近，人類還不能確定引力波的存在。我們不確定這些信號是否會出現在我們的儀器中，或者我們的理論預測是否與現實相符。過去四年告訴我們，愛因斯坦不僅是對的，而且整個宇宙都在探索電磁（光）信號之外。本世紀有望成為新型天文學的世紀：引力波天文學。我們走多遠完全取決於我們。
圖註：事件地平線望遠鏡首次發布的圖像實現了22.5微弧秒的解析度，使陣列能夠解析M87中心黑洞的事件視界。單碟望遠鏡的直徑必須達到12，000公里，才能達到同樣的銳度。請注意 4 月 5/6 日圖像和 4 月 10/11 年 4 月 10/11 日圖像之間的不同外觀，這些圖像顯示黑洞周圍的特徵隨時間而變化。這有助於證明同步不同觀測值的重要性，而不僅僅是對它們進行時間平均。
直接檢測黑洞的事件視界
這一成就是這三項成果中最近的一項，僅追溯到2019年4月，當時Messier 87星系中心的超大質量黑洞的著名"甜甜圈"圖像被發布。需要數百名科學家使用全球射電望遠鏡和射電望遠鏡陣列同時收集的PB數據，這張照片只是冰山一角。
當然，第一次看到事件視界，並證實愛因斯坦廣義相對論的又一個預測是很酷的。這是一個令人難以置信的技術成就，利用的技術，只有技術上成為可能，新的陣列，如ALMA。值得注意的是，在世界各地，這麼多的天文台能夠相互協調，作出這些觀察，這是最大的故事。
圖註：此圖顯示了 2017年事件地平線望遠鏡 M87 觀測中使用的所有望遠鏡和望遠鏡陣列的位置。只有南極望遠鏡無法對M87進行成像，因為它位於地球的不恰當部分，無法觀測到該星系的中心。除其他設備外，每個地點都配有原子鐘。
這一切最值得注意的事實是，我們正在探索那些隨著時間不斷變化而不斷變化的結構，我們現在獲得這些結構的精度是幾年前無法想像的。事件地平線望遠鏡的解析度相當於一個直徑為12，000公里的單碟望遠鏡：如在地球上看月球上的人類拳頭的大小。
就像人類第一個黑洞例子一樣，我們觀察到的結構是不斷變化的，但只是觀察一個快照的時間。4月5/6日黑洞的圖像看起來彼此相似，但與4月10/11日的圖像不同，這表明我們觀測到的光子正在隨著時間而改變。
在不遠的將來，我們期望能夠梳理出黑洞耀斑的信號、墜落物質、吸積流的變化，以及不僅是無線電光的地圖，而是該光的極化。但在更遙遠的將來，我們可以開始發射裝備適當的射電望遠鏡到太空，將其與我們的地面觀測站同步，並將事件地平線望遠鏡的基線（因此，解析度）擴展到更高的精度。
圖註：吸積盤的方向為正面（左兩個面板）或邊緣（右兩個面板）可以極大地改變黑洞在我們看來的方式。我們不知道黑洞和吸積盤之間是否存在通用對齊或一組隨機對齊。
隨著未來幾十年的發展，我們不會簡單地測量宇宙中一兩個超大質量黑洞是如何演化的，而是幾十個甚至幾百個。恆星質量的黑洞可能也會進入這個褶皺，因為它們包含在我們自己的星系中，因此顯得相對較大。我們甚至有可能會得到一個驚喜，看起來安靜的黑洞會顯示出無線電信號，畢竟這些望遠鏡陣列可以拾起這些信號。
繼續探索宇宙有一條清晰的路，它所依賴的只是擴展我們已經做的事情。我們不知道大自然在已經探索的疆界之外藏著什麼秘密，但我們確實知道一件事是肯定的：如果我們不看，我們永遠不會學習。