“2021年物理学十大进展”权威发布，中国团队入选

2021 年 12 月 22 日 学术头条

新冠大流行仍在肆虐，对许多人来说，生活仍处于不确定状态。但是今年物理学家们在充分克服这些困难的情况下，所有领域的研究都带来了惊人的发现、突破性的结果和有趣的启示。随着 2021 年接近尾声，美国物理学会（The American Physical Society，APS）旗下Physics 公布了今年的国际物理学领域的十项重大进展（“Highlights of the Year”），回顾了今年的亮点物理进展故事。

与太阳相会

美国宇航局的帕克太阳探测器（Parker Solar Probe）比任何其他人造物体都更接近太阳。

今年 4 月，航天器的轨道使它位于太阳中心的 18 个太阳半径（1300 万公里）范围内。在那里，它进入了日冕的一个高度磁化的区域，磁能主导了等离子体的动能。

该探测器测量了等离子体湍流和磁场波动，为太阳能科学家提供了有关驱动太阳风机制的十分需要的数据。这些观察结果也可能揭示为什么日冕比太阳表面热一千倍。

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介子（Muon）加强了对标准模型的挑战

最令人期待的粒子物理学结果，来自费米国家加速器实验室（Fermi National Accelerator Laboratory）的 Muon g-2 实验：这次合作报告了一种对介子磁性的新的测量方法。

自 2001 年以来，测量表明 μ 子的磁性略高于理论预测。这种不匹配很有趣，因为它可能是由粒子或粒子物理学标准模型中未考虑的相互作用引起的。

进入量子优越时代？

量子计算是一个快速发展的领域，今年，“最大的量子计算机”的称号在不到一个月的时间里，从谷歌转移到了中国科学技术大学（USTC）再到 IBM。

USTC 的结果之所以引人注目，是因为它们提供了令人信服的论据，即计算机最终实现了量子优越性——在给定任务中超越可能最好的经典计算机的能力。在这次演示中，USTC 的研究人员使用了两种不同的量子计算机，一种基于超导电路，一种基于光子干涉测量，解决了传统上难以解决的“采样”问题。

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更多女物理学家出现

自从物理学研究出现以来，女性一直不公平地占据了物理学的短端。今年，Physics 同时关注了哪些方面正在改进，哪些方面还需要改变。女物理学家获得了该领域的一些最高荣誉，并利用她们的声音来促进科学在社会中的作用。

一些来自中东和亚洲国家推出了令人鼓舞的课程——“关于如何提高女性参与度”，在这些国家，女性占 STEM 研究生的大多数。

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绿色材料变得“聪明 ”

解决气候变化是一项需要大量脑力的挑战。今年，材料科学家利用人工智能开发电池、催化剂和其他绿色解决方案的新材料。例如，机器学习算法正在筛选大型化学数据集，寻找人类化学家可能遗漏的关系。这些努力已经发现了新材料，例如可以提高电池寿命的有机化合物。

与这些算法相辅相成的是自主实验室，机器人可以在其中快速合成和测试候选化学物质。该领域的研究人员预计，人工智能方法可以将材料开发时间缩短 10 倍。

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谷歌的量子计算机“触碰”时间晶体

今天的量子计算机大多仅限于简单的计算，但研究人员表明，谷歌的 Sycamore 量子计算机可以执行另一种技巧：模拟时间晶体——一个以周期性循环不断进化的量子系统。但奇怪的是：在量子计算机上，时间晶体的模拟和演示之间的区别是模糊的。经典计算机只能模拟时间晶体的行为。

但是，研究人员使用的量子系统设备则创建了实际的时间晶体。所以，量子计算机可以做的不仅仅是计算！

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气候变化指纹

今年，热浪、洪水和飓风对地球造成了发人深省的影响。

气候模型表示，随着地球整体温度的升高，这些事件将更频繁地发生，并且会越来越严重。但是将特定的极端天气事件归因于气候变化是很棘手的。研究人员开发了一种新的统计方法，将极端事件的模型模式与观测模式进行比较，为建立极端天气事件与气候变化之间的相关性提供了一种工具。

使用过去的数据测试模型，该团队得出结论，2010 年发生在亚洲的两次热浪很可能是气候自然变化的表现。但他们认为，2021 年影响加拿大的不成比例的巨大热浪可能与气候变化有关。

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替代暗物质解释得分

虽然对暗物质的搜索继续空缺，但一些研究人员正在寻求另一种方法，假设暗物质不存在，相反，引力比目前认为的更复杂。这种所谓的 MOND（修正牛顿动力学）理论的预测与许多天文观测一致，但与宇宙微波背景（CMB）的一些观测结果不一致。现在，理论家通过提出适合 CMB 数据的理论版本在解决这个问题方面取得了进展。

更新后的模型增加了 MOND 的可信度，但与之前的版本一样，该理论假设了缺乏理论动机的新领域，因此大多数宇宙学家仍然不相信。

作为宇宙实验室的中子星

除了黑洞之外，没有比中子星密度更大的天体。

因此，中子星的极端引力使它们成为广义相对论“强场”测试的理想环境。然而，这样的测试需要更好地了解超致密物质的“状态方程”。今年，研究人员通过描述具有独立于此类方程的普遍关系的恒星属性来规避这个问题。然后，他们将中子星的 X 射线观测与合并中子星对的引力波探测相结合，从而限制了这些特性。这种“多信使”方法使他们能够对重力如何违反某些类型的对称性设置新的限制。

有趣的物理学旋转

在有关于旋转体新闻中，今年市场上出现了一款受明星启发的新型陀螺。

它由现已退休的天体物理学家肯尼思·布雷彻（Kenneth Brecher）设计，将数学常数融入几何形状的设计中，其顶部具有有趣的行为，这个作品被称为 DeltaCELT，其顶部的长轴和短轴之比等于费根鲍姆常数（Feigenbaum Constant），该常数决定了某些系统何时变得混乱。

DeltaCELT 是一种拨浪鼓——具有首选旋转方向的陀螺。如果顺时针旋转，它会减速到停止，并以嘎嘎作响的动作开始向另一方向旋转。

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