新冠大流行仍在肆虐，對(duì)許多人來(lái)說(shuō)，生活仍處于不確定狀態(tài)。但是今年物理學(xué)家們?cè)诔浞挚朔@些困難的情況下，所有領(lǐng)域的研究都帶來(lái)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(guó)物理學(xué)會(huì)（The American Physical Society，APS）旗下Physics 公布了今年的國(guó)際物理學(xué)領(lǐng)域的十項(xiàng)重大進(jìn)展（“Highlights of the Year”），回顧了今年的亮點(diǎn)物理進(jìn)展故事。
美國(guó)宇航局的帕克太陽(yáng)探測(cè)器（Parker Solar Probe）比任何其他人造物體都更接近太陽(yáng)。今年 4 月，航天器的軌道使它位于太陽(yáng)中心的 18 個(gè)太陽(yáng)半徑（1300 萬(wàn)公里）范圍內(nèi)。在那里，它進(jìn)入了日冕的一個(gè)高度磁化的區(qū)域，磁能主導(dǎo)了等離子體的動(dòng)能。該探測(cè)器測(cè)量了等離子體湍流和磁場(chǎng)波動(dòng)，為太陽(yáng)能科學(xué)家提供了有關(guān)驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)風(fēng)機(jī)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(yáng)表面熱一千倍。
相關(guān)文章：
馬斯克參與“拯救地球”！NASA發(fā)射人類首次行星防御測(cè)試任務(wù)
中國(guó)航天史上最重磅大戲！中國(guó)火星車即將著陸火星烏托邦平原！
中國(guó)人自己的“探日”衛(wèi)星，有望明年發(fā)射！
最令人期待的粒子物理學(xué)結(jié)果，來(lái)自費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室（Fermi National Accelerator Laboratory）的 Muon g-2 實(shí)驗(yàn)：這次合作報(bào)告了一種對(duì)介子磁性的新的測(cè)量方法。自 2001 年以來(lái)，測(cè)量表明 μ 子的磁性略高于理論預(yù)測(cè)。這種不匹配很有趣，因?yàn)樗赡苁怯闪Ｗ踊蛄Ｗ游锢韺W(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型中未考慮的相互作用引起的。
量子計(jì)算是一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域，今年，“最大的量子計(jì)算機(jī)”的稱號(hào)在不到一個(gè)月的時(shí)間里，從谷歌轉(zhuǎn)移到了中國(guó)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?yàn)樗鼈兲峁┝肆钊诵欧恼摀?jù)，即計(jì)算機(jī)最終實(shí)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)，一種基于超導(dǎo)電路，一種基于光子干涉測(cè)量，解決了傳統(tǒng)上難以解決的“采樣”問(wèn)題。
相關(guān)文章：
谷歌量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)再發(fā)Nature！邏輯錯(cuò)誤抑制實(shí)現(xiàn)100倍增長(zhǎng)，或?yàn)槿蒎e(cuò)量子計(jì)算機(jī)研發(fā)鋪平道路
自從物理學(xué)研究出現(xiàn)以來(lái)，女性一直不公平地占據(jù)了物理學(xué)的短端。今年，Physics 同時(shí)關(guān)注了哪些方面正在改進(jìn)，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(yù)，并利用她們的聲音來(lái)促進(jìn)科學(xué)在社會(huì)中的作用。一些來(lái)自中東和亞洲國(guó)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(guó)家，女性占 STEM 研究生的大多數(shù)。
相關(guān)文章：
致敬！那些在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域閃耀的女性
解決氣候變化是一項(xiàng)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(jī)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(jī)化合物。與這些算法相輔相成的是自主實(shí)驗(yàn)室，機(jī)器人可以在其中快速合成和測(cè)試候選化學(xué)物質(zhì)。該領(lǐng)域的研究人員預(yù)計(jì)，人工智能方法可以將材料開發(fā)時(shí)間縮短 10 倍。
相關(guān)文章：
Nature重磅：“空氣燃料”不是夢(mèng)！碳中和里程碑初驗(yàn)成功
Science重磅：綠色、低成本，科學(xué)家發(fā)明實(shí)現(xiàn)“凈零排放”的塑料生產(chǎn)方法
今天的量子計(jì)算機(jī)大多僅限于簡(jiǎn)單的計(jì)算，但研究人員表明，谷歌的 Sycamore 量子計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行另一種技巧：模擬時(shí)間晶體——一個(gè)以周期性循環(huán)不斷進(jìn)化的量子系統(tǒng)。但奇怪的是：在量子計(jì)算機(jī)上，時(shí)間晶體的模擬和演示之間的區(qū)別是模糊的。經(jīng)典計(jì)算機(jī)只能模擬時(shí)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(shí)際的時(shí)間晶體。所以，量子計(jì)算機(jī)可以做的不僅僅是計(jì)算！
相關(guān)文章：
Science：量子計(jì)算機(jī)成功創(chuàng)造時(shí)間晶體
今年，熱浪、洪水和颶風(fēng)對(duì)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(huì)越來(lái)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(jì)方法，將極端事件的模型模式與觀測(cè)模式進(jìn)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(guò)去的數(shù)據(jù)測(cè)試模型，該團(tuán)隊(duì)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)。
相關(guān)文章：
人類正在自食其果：全球85%的人口生活在受人為影響的氣候變化地區(qū)
雖然對(duì)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(dòng)力學(xué)）理論的預(yù)測(cè)與許多天文觀測(cè)一致，但與宇宙微波背景（CMB）的一些觀測(cè)結(jié)果不一致。現(xiàn)在，理論家通過(guò)提出適合 CMB 數(shù)據(jù)的理論版本在解決這個(gè)問(wèn)題方面取得了進(jìn)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(dòng)機(jī)的新領(lǐng)域，因此大多數(shù)宇宙學(xué)家仍然不相信。
除了黑洞之外，沒(méi)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(duì)論“強(qiáng)場(chǎng)”測(cè)試的理想環(huán)境。然而，這樣的測(cè)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(guò)描述具有獨(dú)立于此類方程的普遍關(guān)系的恒星屬性來(lái)規(guī)避這個(gè)問(wèn)題。然后，他們將中子星的 X 射線觀測(cè)與合并中子星對(duì)的引力波探測(cè)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(duì)稱性設(shè)置新的限制。
在有關(guān)于旋轉(zhuǎn)體新聞中，今年市場(chǎng)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(jì)，將數(shù)學(xué)常數(shù)融入幾何形狀的設(shè)計(jì)中，其頂部具有有趣的行為，這個(gè)作品被稱為 DeltaCELT，其頂部的長(zhǎng)軸和短軸之比等于費(fèi)根鮑姆常數(shù)（Feigenbaum Constant），該常數(shù)決定了某些系統(tǒng)何時(shí)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(shí)針旋轉(zhuǎn)，它會(huì)減速到停止，并以嘎嘎作響的動(dòng)作開始向另一方向旋轉(zhuǎn)。
本文來(lái)自微信公眾號(hào) “學(xué)術(shù)頭條”（ID：SciTouTiao），作者：學(xué)術(shù)頭條，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。
