“2021年物理學十大進展”權(quán)威發(fā)布，中國團隊入選
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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，美國物理學會（The American Physical Society，APS）旗下Physics 公布了今年的國際物理學領(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，為太陽能科學家提供了有關(guān)驅(qū)動太陽風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）加強了對標準模型的挑戰(zhàn)
最令人期待的粒子物理學結(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標準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)移到了中國科學技術(shù)大學（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。
更多女物理學家出現(xiàn)
自從物理學研究出現(xiàn)以來，女性一直不公平地占據(jù)了物理學的短端。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，機器學習算法正在篩選大型化學數(shù)據(jù)集，尋找人類化學家可能遺漏的關(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，引力比目前認為的更復(fù)雜。這種所謂的 MOND（修正牛頓動力學）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。現(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家肯尼思·布雷徹（Kenneth Brecher）設(shè)計，將數(shù)學常數(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)。
