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新冠大流行仍在肆虐，對許多人來說，生活仍處于不確定狀態(tài)。但是今年物理學(xué)家們在充分克服這些困難的情況下，所有領(lǐng)域的研究都帶來了驚人的發(fā)現(xiàn)、突破性的結(jié)果和有趣的啟示。

隨著 2021 年接近尾聲，美國物理學(xué)會（The American Physical Society，APS）旗下Physics 公布了今年的國際物理學(xué)領(lǐng)域的十項重大進展（Highlights of the Year），回顧了今年的亮點物理進展故事。

與太陽相會

美國宇航局的帕克太陽探測器（Parker Solar Probe）比任何其他人造物體都更接近太陽。

今年 4 月，航天器的軌道使它位于太陽中心的 18 個太陽半徑（1300 萬公里）范圍內(nèi)。在那里，它進入了日冕的一個高度磁化的區(qū)域，磁能主導(dǎo)了等離子體的動能。

該探測器測量了等離子體湍流和磁場波動，為太陽能科學(xué)家提供了有關(guān)驅(qū)動太陽風(fēng)機制的十分需要的數(shù)據(jù)。這些觀察結(jié)果也可能揭示為什么日冕比太陽表面熱一千倍。

介子（Muon）加強了對標(biāo)準(zhǔn)模型的挑戰(zhàn)

最令人期待的粒子物理學(xué)結(jié)果，來自費米國家加速器實驗室（Fermi National Accelerator Laboratory）的 Muon g-2 實驗：這次合作報告了一種對介子磁性的新的測量方法。

自 2001 年以來，測量表明 μ 子的磁性略高于理論預(yù)測。這種不匹配很有趣，因為它可能是由粒子或粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型中未考慮的相互作用引起的。

進入量子優(yōu)越時代？

量子計算是一個快速發(fā)展的領(lǐng)域，今年，「最大的量子計算機」的稱號在不到一個月的時間里，從谷歌轉(zhuǎn)移到了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（USTC）再到 IBM。

USTC 的結(jié)果之所以引人注目，是因為它們提供了令人信服的論據(jù)，即計算機最終實現(xiàn)了量子優(yōu)越性——在給定任務(wù)中超越可能最好的經(jīng)典計算機的能力。在這次演示中，USTC 的研究人員使用了兩種不同的量子計算機，一種基于超導(dǎo)電路，一種基于光子干涉測量，解決了傳統(tǒng)上難以解決的「采樣」問題。

更多女物理學(xué)家出現(xiàn)

自從物理學(xué)研究出現(xiàn)以來，女性一直不公平地占據(jù)了物理學(xué)的短端。今年，Physics 同時關(guān)注了哪些方面正在改進，哪些方面還需要改變。女物理學(xué)家獲得了該領(lǐng)域的一些最高榮譽，并利用她們的聲音來促進科學(xué)在社會中的作用。

一些來自中東和亞洲國家推出了令人鼓舞的課程——「關(guān)于如何提高女性參與度」，在這些國家，女性占 STEM 研究生的大多數(shù)。

綠色材料變得「聰明」

解決氣候變化是一項需要大量腦力的挑戰(zhàn)。今年，材料科學(xué)家利用人工智能開發(fā)電池、催化劑和其他綠色解決方案的新材料。例如，機器學(xué)習(xí)算法正在篩選大型化學(xué)數(shù)據(jù)集，尋找人類化學(xué)家可能遺漏的關(guān)系。這些努力已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了新材料，例如可以提高電池壽命的有機化合物。

與這些算法相輔相成的是自主實驗室，機器人可以在其中快速合成和測試候選化學(xué)物質(zhì)。該領(lǐng)域的研究人員預(yù)計，人工智能方法可以將材料開發(fā)時間縮短 10 倍。

谷歌的量子計算機「觸碰」時間晶體

今天的量子計算機大多僅限于簡單的計算，但研究人員表明，谷歌的 Sycamore 量子計算機可以執(zhí)行另一種技巧：模擬時間晶體——一個以周期性循環(huán)不斷進化的量子系統(tǒng)。但奇怪的是：在量子計算機上，時間晶體的模擬和演示之間的區(qū)別是模糊的。經(jīng)典計算機只能模擬時間晶體的行為。

但是，研究人員使用的量子系統(tǒng)設(shè)備則創(chuàng)建了實際的時間晶體。所以，量子計算機可以做的不僅僅是計算！

氣候變化指紋

今年，熱浪、洪水和颶風(fēng)對地球造成了發(fā)人深省的影響。

氣候模型表示，隨著地球整體溫度的升高，這些事件將更頻繁地發(fā)生，并且會越來越嚴(yán)重。但是將特定的極端天氣事件歸因于氣候變化是很棘手的。研究人員開發(fā)了一種新的統(tǒng)計方法，將極端事件的模型模式與觀測模式進行比較，為建立極端天氣事件與氣候變化之間的相關(guān)性提供了一種工具。

使用過去的數(shù)據(jù)測試模型，該團隊得出結(jié)論，2010 年發(fā)生在亞洲的兩次熱浪很可能是氣候自然變化的表現(xiàn)。但他們認(rèn)為，2021 年影響加拿大的不成比例的巨大熱浪可能與氣候變化有關(guān)。

替代暗物質(zhì)解釋得分

雖然對暗物質(zhì)的搜索繼續(xù)空缺，但一些研究人員正在尋求另一種方法，假設(shè)暗物質(zhì)不存在，相反，引力比目前認(rèn)為的更復(fù)雜。這種所謂的 MOND（修正牛頓動力學(xué)）理論的預(yù)測與許多天文觀測一致，但與宇宙微波背景（CMB）的一些觀測結(jié)果不一致?，F(xiàn)在，理論家通過提出適合 CMB 數(shù)據(jù)的理論版本在解決這個問題方面取得了進展。

更新后的模型增加了 MOND 的可信度，但與之前的版本一樣，該理論假設(shè)了缺乏理論動機的新領(lǐng)域，因此大多數(shù)宇宙學(xué)家仍然不相信。

作為宇宙實驗室的中子星

除了黑洞之外，沒有比中子星密度更大的天體。

因此，中子星的極端引力使它們成為廣義相對論「強場」測試的理想環(huán)境。然而，這樣的測試需要更好地了解超致密物質(zhì)的「狀態(tài)方程」。

今年，研究人員通過描述具有獨立于此類方程的普遍關(guān)系的恒星屬性來規(guī)避這個問題。然后，他們將中子星的 X 射線觀測與合并中子星對的引力波探測相結(jié)合，從而限制了這些特性。這種“多信使”方法使他們能夠?qū)χ亓θ绾芜`反某些類型的對稱性設(shè)置新的限制。

有趣的物理學(xué)旋轉(zhuǎn)

在有關(guān)于旋轉(zhuǎn)體新聞中，今年市場上出現(xiàn)了一款受明星啟發(fā)的新型陀螺。

它由現(xiàn)已退休的天體物理學(xué)家肯尼思·布雷徹（Kenneth Brecher）設(shè)計，將數(shù)學(xué)常數(shù)融入幾何形狀的設(shè)計中，其頂部具有有趣的行為，這個作品被稱為 DeltaCELT，其頂部的長軸和短軸之比等于費根鮑姆常數(shù)（Feigenbaum Constant），該常數(shù)決定了某些系統(tǒng)何時變得混亂。

DeltaCELT 是一種撥浪鼓——具有首選旋轉(zhuǎn)方向的陀螺。如果順時針旋轉(zhuǎn)，它會減速到停止，并以嘎嘎作響的動作開始向另一方向旋轉(zhuǎn)。

文章來源：學(xué)術(shù)頭條

2021年物理學(xué)十大進展權(quán)威發(fā)布，中國團隊入選

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