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，所有領域的研究都帶來了驚人的發(fā)現、突破性的結果和有趣的啟示。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。
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。在那里，它進入了日冕的一個高度磁化的區(qū)域，磁能主導了等離子體的動能。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驅動太陽風機制的十分需要的數據。這些觀察結果也可能揭示為什么日冕比太陽表面熱一千倍。
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最令人期待的粒子物理學結果，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。
量子計算是一個快速發(fā)展的領域，今年，“最大的量子計算機”的稱號在不到一個月的時間里，從谷歌轉移到了中國科學技術大學（USTC）再到 IBM。USTC 的結果之所以引人注目，是因為它們提供了令人信服的論據，即計算機最終實現了量子優(yōu)越性——在給定任務中超越可能最好的經典計算機的能力。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。
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自從物理學研究出現以來，女性一直不公平地占據了物理學的短端。今年，Physics 同時關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。
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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據集，尋找人類化學家可能遺漏的關系。這些努力已經發(fā)現了新材料，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。該領域的研究人員預計，人工智能方法可以將材料開發(fā)時間縮短 10 倍。
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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！
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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性提供了一種工具。使用過去的數據測試模型，該團隊得出結論，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。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。
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雖然對暗物質的搜索繼續(xù)空缺，但一些研究人員正在尋求另一種方法，假設暗物質不存在，相反，引力比目前認為的更復雜。這種所謂的 MOND（修正牛頓動力學）理論的預測與許多天文觀測一致，但與宇宙微波背景（CMB）的一些觀測結果不一致?，F在，理論家通過提出適合 CMB 數據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，該理論假設了缺乏理論動機的新領域，因此大多數宇宙學家仍然不相信。
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合，從而限制了這些特性。這種“多信使”方法使他們能夠對重力如何違反某些類型的對稱性設置新的限制。
在有關于旋轉體新聞中，今年市場上出現了一款受明星啟發(fā)的新型陀螺。
它由現已退休的天體物理學家肯尼思·布雷徹（Kenneth Brecher）設計，將數學常數融入幾何形狀的設計中，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（Feigenbaum Constant），該常數決定了某些系統(tǒng)何時變得混亂。DeltaCELT 是一種撥浪鼓——具有首選旋轉方向的陀螺。如果順時針旋轉，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。
本文來自微信公眾號 “學術頭條”（ID：SciTouTiao），作者：學術頭條，36氪經授權發(fā)布。
