美國物理學(xué)會電子雜志《物理學(xué)》（Physics）挑選了今年物理學(xué)發(fā)生的十大事件，致敬即將過去的一年，希望每個(gè)人都迎來一個(gè)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(xué)成果角度評判，物理學(xué)家們似乎相當(dāng)好地利用了這一段困難時(shí)期，幾乎所有物理學(xué)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(xué)》回望、總結(jié)了物理學(xué)的幾大高光時(shí)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(jìn)入距太陽核心18個(gè)太陽半徑處(約1300萬千米)。

帕克探測器在那里進(jìn)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(xué)家提供了他們夢寐以求的數(shù)據(jù)，以便后者研究太陽風(fēng)形成機(jī)制。

此外，這些測量結(jié)果或許還能解決另一個(gè)長期困擾科學(xué)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(biāo)準(zhǔn)模型的挑戰(zhàn)更強(qiáng)了

費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室中的μ子g-2實(shí)驗(yàn)結(jié)果算得上是整個(gè)粒子物理學(xué)界最期待的了。今年，這個(gè)國際合作研究小組報(bào)告了一項(xiàng)有關(guān)μ子(μ子和電子很像，但更重)磁性的新測量結(jié)果。

早在2001年，就有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，μ子的磁性要稍高于理論預(yù)言。物理學(xué)家對其中的差異很是感興趣，因?yàn)閷?dǎo)致這種差異的，可能是粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型中沒有涉及的粒子或相互作用。為了更好地說明這個(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果反常(與理論預(yù)言不符)對物理學(xué)的重大意義。

進(jìn)入量子計(jì)算優(yōu)越性時(shí)代?

量子計(jì)算這個(gè)領(lǐng)域一直在快速發(fā)展。今年，在不到一個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，“最大量子計(jì)算機(jī)”的頭銜就從谷歌轉(zhuǎn)到了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，又從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)轉(zhuǎn)到了IBM。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究成果尤其引人注目，因?yàn)樗麄冋业搅四軌蜃C明計(jì)算機(jī)最終能夠達(dá)到量子計(jì)算“優(yōu)越性”的堅(jiān)實(shí)證據(jù)。為了證實(shí)這個(gè)結(jié)論，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究人員使用兩臺不同的量子計(jì)算機(jī)——一臺以超導(dǎo)量子電路為基礎(chǔ)，一臺以光子干涉為基礎(chǔ)——解決通過經(jīng)典手段難以處理的“取樣”問題。結(jié)果，這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在兩臺計(jì)算機(jī)的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，都發(fā)現(xiàn)了顯著的量子加速效應(yīng)，這就大大夯實(shí)了量子計(jì)算優(yōu)越性的概念。

涌現(xiàn)更多女性物理學(xué)家

自物理學(xué)誕生以來，女性就一直在這個(gè)領(lǐng)域處于劣勢地位，這顯然并不公平。今年，Physics特別關(guān)注了女性從事物理學(xué)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(xué)家收獲了這個(gè)領(lǐng)域中的一些最高級別獎(jiǎng)項(xiàng)，并且敢于為了提升科學(xué)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(xué)研究中的參與度提供了結(jié)果令人鼓舞的案例。

另外，創(chuàng)建不強(qiáng)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(jìn)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(xiàng)涉及眾多方面的巨大挑戰(zhàn)。今年，材料科學(xué)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(xué)家現(xiàn)在利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法篩選大型化學(xué)數(shù)據(jù)集，搜索那些人類化學(xué)家可能忽視的關(guān)系。科學(xué)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(jī)化合物。

此外，配合這類機(jī)器算法一同工作的，還有自動化實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室中的機(jī)器人根據(jù)算法結(jié)果快速合成并測試候選化學(xué)材料。這一領(lǐng)域的研究人員預(yù)計(jì)，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(jì)算機(jī)造出了時(shí)間晶體

現(xiàn)在的量子計(jì)算機(jī)大多數(shù)只能進(jìn)行簡單計(jì)算，但研究人員證明，谷歌的“懸鈴木”量子計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行另一種工作：模擬時(shí)間晶體——一種在工作周期中不斷進(jìn)化的量子系統(tǒng)。

不過，奇怪的部分在于：在量子計(jì)算機(jī)上，時(shí)間晶體模擬過程與真實(shí)過程之間的區(qū)別模糊了。經(jīng)典計(jì)算機(jī)只能模擬時(shí)間晶體的行為，但構(gòu)成研究人員所用設(shè)備的多體量子系統(tǒng)就像真實(shí)的時(shí)間晶體那樣運(yùn)作。因此，量子計(jì)算機(jī)能做的，不只是計(jì)算!

氣候變化指紋

今年，高溫、洪水、颶風(fēng)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(jìn)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(jì)方法，用于比較理論模型預(yù)言的極端氣候事件模式與實(shí)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(guān)系提供工具。

相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)用過去的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)了這個(gè)模型，并得到結(jié)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(jié)果。不過，他們同時(shí)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(guān)。

另一種暗物質(zhì)解釋得到了某種支持

人類苦苦搜尋暗物質(zhì)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(rèn)為，暗物質(zhì)根本就不存在，相反，引力要比我們之前認(rèn)為的更加復(fù)雜。這種所謂的“牛頓引力修正理論”做出的預(yù)言與許多天文學(xué)觀測結(jié)果相符，但與某些和宇宙微波背景輻射有關(guān)的觀測結(jié)果不符。

現(xiàn)在，理論物理學(xué)家在解決這個(gè)問題的道路上取得了進(jìn)展，他們提出了一個(gè)符合宇宙微波背景輻射觀測數(shù)據(jù)的理論版本。這個(gè)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(gè)新模型提出了一些缺少理論基礎(chǔ)的新觀點(diǎn)，因此，大多數(shù)宇宙學(xué)家仍舊不信服。

以中子星作為宇宙實(shí)驗(yàn)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(qiáng)的引力拉扯效應(yīng)讓它們成為展開廣義相對論“強(qiáng)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(zhì)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(gè)問題——他們改用與這類狀態(tài)方程無關(guān)的普適關(guān)系描述恒星性質(zhì)。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(jié)合起來，進(jìn)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(guān)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(xué)轉(zhuǎn)動

今年，在轉(zhuǎn)動部件市場中出現(xiàn)了一款靈感源于星星的新陀螺，設(shè)計(jì)者是現(xiàn)在已經(jīng)退休、不再從事科研工作的天體物理學(xué)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(zhì)，其根源在于，布萊徹將數(shù)學(xué)常數(shù)整合到了陀螺的幾何構(gòu)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(fèi)根鮑姆常數(shù)——一個(gè)決定特定系統(tǒng)何時(shí)陷入混沌的常數(shù)。

DeltaCELT是一種回旋陀螺——一種轉(zhuǎn)動方向固定的陀螺。如果你強(qiáng)行讓它順時(shí)針轉(zhuǎn)動，它會慢慢減速直至停止，然后又突然按反方向轉(zhuǎn)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(gè)會議的主題就是與數(shù)學(xué)緊密相關(guān)的工藝品。

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Highlights of the Year

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