美國物理學會電子雜志《物理學》（Physics）挑選了今年物理學發(fā)生的十大事件，致敬即將過去的一年，希望每個人都迎來一個安全且光明的2022。
由于新冠病毒仍在肆虐，對很多人來說，生活仍舊處于極大的不確定性中。不過，如果從今年的物理學成果角度評判，物理學家們似乎相當好地利用了這一段困難時期，幾乎所有物理學分支都出現(xiàn)了令人驚喜的發(fā)現(xiàn)、突破性成就或是饒有趣味的啟示性研究。
在2021年即將畫上句號之際，《物理學》回望、總結了物理學的幾大高光時刻。
與太陽的約會
美國國家航空航天局的帕克太陽探測器現(xiàn)在已經(jīng)是距太陽最近的人造物體了。今年4月，這枚探測器已經(jīng)進入距太陽核心18個太陽半徑處(約1300萬千米)。
帕克探測器在那里進入了日冕中的高度磁化區(qū)域，磁能已經(jīng)完全壓制了等離子體的動能。
帕克探測器測量了該區(qū)域的等離子體湍流以及磁場波動，為研究太陽的科學家提供了他們夢寐以求的數(shù)據(jù)，以便后者研究太陽風形成機制。
此外，這些測量結果或許還能解決另一個長期困擾科學家的問題：為什么日冕的溫度要比太陽表面高1000倍。
μ子對標準模型的挑戰(zhàn)更強了
費米國家加速器實驗室中的μ子g-2實驗結果算得上是整個粒子物理學界最期待的了。今年，這個國際合作研究小組報告了一項有關μ子(μ子和電子很像，但更重)磁性的新測量結果。
早在2001年，就有實驗結果表明，μ子的磁性要稍高于理論預言。物理學家對其中的差異很是感興趣，因為導致這種差異的，可能是粒子物理學標準模型中沒有涉及的粒子或相互作用。為了更好地說明這個問題，Physics今年還與豪爾赫·卡姆(Jorge Cham，也就是PHD Comics的作者)合作，用漫畫的形式闡述μ子g-2實驗結果反常(與理論預言不符)對物理學的重大意義。
進入量子計算優(yōu)越性時代?
量子計算這個領域一直在快速發(fā)展。今年，在不到一個月的時間內，“最大量子計算機”的頭銜就從谷歌轉到了中國科學技術大學，又從中國科學技術大學轉到了IBM。
中國科學技術大學的研究成果尤其引人注目，因為他們找到了能夠證明計算機最終能夠達到量子計算“優(yōu)越性”的堅實證據(jù)。為了證實這個結論，中國科學技術大學的研究人員使用兩臺不同的量子計算機——一臺以超導量子電路為基礎，一臺以光子干涉為基礎——解決通過經(jīng)典手段難以處理的“取樣”問題。結果，這個研究團隊在兩臺計算機的相應實驗中，都發(fā)現(xiàn)了顯著的量子加速效應，這就大大夯實了量子計算優(yōu)越性的概念。
涌現(xiàn)更多女性物理學家
自物理學誕生以來，女性就一直在這個領域處于劣勢地位，這顯然并不公平。今年，Physics特別關注了女性從事物理學研究境況的改善以及仍舊需要糾正的問題。
今年，女性物理學家收獲了這個領域中的一些最高級別獎項，并且敢于為了提升科學在社會中的地位而大膽發(fā)聲。部分中東和亞洲國家——這些國家大多數(shù)STEM研究生都是女性——為提高女性在物理學研究中的參與度提供了結果令人鼓舞的案例。
另外，創(chuàng)建不強迫女性做改變的包容性社區(qū)也是近年來涌現(xiàn)出的一種大有希望的促進科研人員性別平衡的方式。
綠色材料更加智能
氣候變化是一項涉及眾多方面的巨大挑戰(zhàn)。今年，材料科學家們在諸多新型材料(如電池、催化劑以及其他環(huán)保的能源解決方案)的研發(fā)中廣泛引入了人工智能。
舉例來說，科學家現(xiàn)在利用機器學習算法篩選大型化學數(shù)據(jù)集，搜索那些人類化學家可能忽視的關系?？茖W家借助這種方式發(fā)現(xiàn)了一些新材料，比如可以提高電池壽命的有機化合物。
此外，配合這類機器算法一同工作的，還有自動化實驗室。實驗室中的機器人根據(jù)算法結果快速合成并測試候選化學材料。這一領域的研究人員預計，通過人工智能的方法，可以將研發(fā)新材料的速度提高10倍。
谷歌的量子計算機造出了時間晶體
現(xiàn)在的量子計算機大多數(shù)只能進行簡單計算，但研究人員證明，谷歌的“懸鈴木”量子計算機可以執(zhí)行另一種工作：模擬時間晶體——一種在工作周期中不斷進化的量子系統(tǒng)。
不過，奇怪的部分在于：在量子計算機上，時間晶體模擬過程與真實過程之間的區(qū)別模糊了。經(jīng)典計算機只能模擬時間晶體的行為，但構成研究人員所用設備的多體量子系統(tǒng)就像真實的時間晶體那樣運作。因此，量子計算機能做的，不只是計算!
氣候變化指紋
今年，高溫、洪水、颶風等極端氣候現(xiàn)象頻發(fā)，給全球都帶來了深刻的影響，也督促人類進行反思。更糟糕的是，氣候模型告訴我們，由于地球整體升溫，未來，這樣的氣候現(xiàn)象會出現(xiàn)得更加頻繁、更加猛烈。
不過，如果因此就把某種特定的極端天氣事件歸因于氣候變化，那顯然也是有些草率了。
研究人員開發(fā)了一種新統(tǒng)計方法，用于比較理論模型預言的極端氣候事件模式與實際觀測到的模式，從而為研究極端氣候事件與氣候變化之間的關系提供工具。
相關研究團隊用過去的數(shù)據(jù)檢驗了這個模型，并得到結論：2010年發(fā)生在亞洲的兩起高溫事件很可能只是氣候自然變化的結果。不過，他們同時也指出，2021年發(fā)生在加拿大的極端高溫天氣可能與氣候變化有關。
另一種暗物質解釋得到了某種支持
人類苦苦搜尋暗物質多年卻仍一無所獲，于是，某些研究人員提出了另一種解釋。他們認為，暗物質根本就不存在，相反，引力要比我們之前認為的更加復雜。這種所謂的“牛頓引力修正理論”做出的預言與許多天文學觀測結果相符，但與某些和宇宙微波背景輻射有關的觀測結果不符。
現(xiàn)在，理論物理學家在解決這個問題的道路上取得了進展，他們提出了一個符合宇宙微波背景輻射觀測數(shù)據(jù)的理論版本。這個升級版模型提升了“牛頓引力修正理論”的可信度，但和之前的版本一樣，這個新模型提出了一些缺少理論基礎的新觀點，因此，大多數(shù)宇宙學家仍舊不信服。
以中子星作為宇宙實驗室
除去黑洞，就再也沒有比中子星密度更高的天體了。
中子星極強的引力拉扯效應讓它們成為展開廣義相對論“強場”測試的理想環(huán)境。不過，要想真正開展這種測試，我們必須對極密物質的“狀態(tài)”方程有更深入的理解。
今年，有研究人員通過其他方式規(guī)避了這個問題——他們改用與這類狀態(tài)方程無關的普適關系描述恒星性質。接著，他們又將對中子星的X射線觀測與對處于合并過程中的雙中子星的引力波探測結合起來，進一步對恒星屬性加以約束。
借助這種“多信使”研究方法，研究人員得到了一些有關限制引力破壞特定類型對稱性方式的新信息。
一種好玩的物理學轉動
今年，在轉動部件市場中出現(xiàn)了一款靈感源于星星的新陀螺，設計者是現(xiàn)在已經(jīng)退休、不再從事科研工作的天體物理學家肯尼斯·布萊徹(Kenneth Brecher)。
他的這款陀螺有一些非常有趣的性質，其根源在于，布萊徹將數(shù)學常數(shù)整合到了陀螺的幾何構造中。在他的這件新作品(名叫DeltaCELT)中，陀螺長短軸的比例等于費根鮑姆常數(shù)——一個決定特定系統(tǒng)何時陷入混沌的常數(shù)。
DeltaCELT是一種回旋陀螺——一種轉動方向固定的陀螺。如果你強行讓它順時針轉動，它會慢慢減速直至停止，然后又突然按反方向轉動。
布萊徹在今年的布里奇斯大會上發(fā)布了自己的這件新作品，這個會議的主題就是與數(shù)學緊密相關的工藝品。
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Highlights of the Year
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