“2021年物理學十大進展”

“祖沖之二号”入選揚我國威

2021年臨近結束，美國物理學會旗下Physics 公布了今年的國際物理學領域的十項重大進展，回顧了今年的亮點物理進展故事。我國的“祖沖之二号”量子計算機也位列其中，這也充分是說明了中國科學，在世界科學界的不斷提升~那麼今年的十個物理學進展都是什麼呢？

與太陽“零距離”

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 萬公裡）範圍内。在那裡，它進入了日冕的一個高度磁化的區域，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麼日冕比太陽表面熱一千倍。

介子（Muon）加強了對标準模型的挑戰

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标準模型中未考慮的相互作用引起的。

（文章内容來源于網絡）

量子優越時代到來

中國“祖沖之”入選

量子計算是一個快速發展的領域，今年，“最大的量子計算機”的稱号在不到一個月的時間裡，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，一種基于光子幹涉測量，解決了傳統上難以解決的“采樣”問題。

早在10月25日，著名物理學期刊《物理評論快報》刊發中國科學技術大學潘建偉院士團隊關于量子計算的兩大成果。其中，他們成功構建的66比特可編程超導量子計算原型機“祖沖之二号”，實現對“随機線路取樣”問題的快速求解，比目前最快的超級計算機快數萬倍，使得我國首次在超導量子體系達到“量子計算優越性”裡程碑。在光子體系，他們在世界首個達到“量子計算優越性”的“九章”光量子計算原型機的基礎上，研制出113個光子144模式的“九章二号”，實現了相位可編程功能，對“高斯玻色取樣”問題的求解速度比目前最快的超級計算機快億億億倍，再次刷新世界紀錄。

這一系列成果使我國成為目前國際上唯一同時在兩種物理體系均達到“量子計算優越性”裡程碑的國家。美國物理學會評價認為，中國科學技術大學研究團隊在與谷歌、IBM等競争中脫穎而出，提供了令人信服的實驗論據，在他們的超導和光學量子計算機展示了卓越的量子計算優越性。

AI加持綠色材料研發

解決氣候變化是一項需要大量腦力的挑戰。今年，材料科學家利用人工智能開發電池、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，人工智能方法可以将材料開發時間縮短 10 倍。

量子計算模拟時間晶體

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 量子計算機可以執行另一種技巧：模拟時間晶體——一個以周期性循環不斷進化的量子系統。但奇怪的是：在量子計算機上，時間晶體的模拟和演示之間的區别是模糊的。經典計算機隻能模拟時間晶體的行為。但是，研究人員使用的量子系統設備則創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。

氣候變化觀測模型

今年，熱浪、洪水和飓風對地球造成了發人深省的影響。氣候模型表示，随着地球整體溫度的升高，這些事件将更頻繁地發生，并且會越來越嚴重。但是将特定的極端天氣事件歸因于氣候變化是很棘手的。研究人員開發了一種新的統計方法，将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。

假設暗物質不存在

雖然對暗物質的搜索繼續空缺，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複雜。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緻，但與宇宙微波背景（CMB）的一些觀測結果不一緻。現在，理論家通過提出适合 CMB 數據的理論版本在解決這個問題方面取得了進展。更新後的模型增加了 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。

關于中子星的研究

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”測試的理想環境。然而，這樣的測試需要更好地了解超緻密物質的“狀态方程”。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避這個問題。然後，他們将中子星的 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。

最後是關于人的~

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。這不得不說對于物理學研究來說是一個好消息。

聊完了物理學，我們轉回國内；在過去的2021年，中國科學界的成就也是有目共睹的，雖然在疫情的陰影下，人們的生活受到了不小的影響，但是仍然沒有妨礙我們在多個領域去取得創新~

“華龍一号”：自主三代核電技術跻身世界前列

上萬名建設者常年奮戰，5300多家設備制造企業大力協同，自2015年5月開工以來，“華龍一号”全球首堆便開始了“加速跑”，并終于在5年多後交出成績單。1月30日，“華龍一号”全球首堆——中核集團福建福清核電5号機組投入商業運行，标志着我國在三代核電技術領域跻身世界前列。

由科技自立自強“打底”産生的一系列數據，可以為“華龍一号”這一地位做注腳：設計壽命為60年，反應堆采用177堆芯設計，堆芯設計換料周期18個月，創新采用“能動和非能動”相結合安全系統及雙層安全殼等技術，在安全性上滿足國際最高安全标準要求。“華龍一号”首堆所有核心設備均已實現國産，所有設備國産化率達88%，完全具備批量化建設能力。

（原文網址：這一年，我們用創新照亮新征程-新聞-科學網）

“華龍一号”全球首堆的商運，對優化中國能源結構、推動綠色低碳發展，助力碳達峰、實現碳中和目标具有重要意義。”餘劍鋒所言非虛，據悉，“華龍一号”每台機組每年可發電近100億千瓦時，能滿足中等發達國家100萬人口的生産和生活年度用電需求，同時相當于減少标準煤消耗312萬噸、減少二氧化碳排放816萬噸，相當于植樹造林7000多萬棵。

“海牛Ⅱ号”：刷新深海鑽機鑽探深度紀錄

高7.6米、“腰圍”10米、體重12噸，在南海超2000米的深水成功下鑽231米，刷新世界深海海底鑽機鑽探深度。這一紀錄的創造者，是湖南科技大學牽頭，我國自主研發的“海牛Ⅱ号”海底大孔深保壓取芯鑽機系統。4月7日晚的這次海試，“海牛Ⅱ号”也填補了我國海底鑽探深度大于100米、具備保壓取芯功能的深海海底鑽機裝備的空白。

海底鑽機，是開展海洋地質及環境科學研究、進行海洋礦産資源勘探和海底工程地質勘查所必備的海洋高技術裝備。據了解，整個海底鑽機主要攻克了大孔深遙控全孔全程保壓繩索取芯、智能化與專家操作系統、大容量鑽管存儲與鑽杆快速接卸、海底鑽機安全可靠下放和回收等四大技術攻關難點。這些全新的技術，顯著提高了鑽機鑽探效率、取芯質量、保壓成功率。與此同時，鑽機重量較國外同類鑽機，也實現了大幅減重，大大降低了水下收放作業難度。

白鶴灘水電站：實現100萬千瓦滿負荷發電

6月28日上午，金沙江白鶴灘水電站首批機組完成72小時帶負荷連續試運行，正式投産發電。左岸1号機組、右岸14号機組兩台百萬千瓦水輪發電機組高速轉動，将金沙江的水能資源轉化為電能，源源不斷送往華東地區。其中，右岸14号機組帶100萬千瓦負荷成功，這是全球首台并網發電，也是全球首台實現100萬千瓦滿負荷發電的機組。

白鶴灘水電站總裝機容量1600萬千瓦，共安裝16台我國自主研制的百萬千瓦水輪發電機組，是實施“西電東送”的國家重大工程，是當今世界在建規模最大、技術難度最高的水電工程。全球單機容量最大功率百萬千瓦水輪發電機組，實現了我國高端裝備制造的重大突破。

白鶴灘百萬千瓦水電機組的創新，一是發電機從原來的80萬千瓦躍升到現在的100萬千瓦，二是水輪機采用了長短葉片轉輪，同時實現了寬負荷高效穩定的運行。白鶴灘水電站建成後，年平均發電量将達624.43億度。全部機組将于2022年7月投産發電。電站全部建成投産後，将成為僅次于三峽工程的世界第二大水電站。

據測算，白鶴灘水電站投産後，每年可節約标煤約1968萬噸，減少排放二氧化碳5160萬噸、二氧化硫17萬噸。屆時，白鶴灘水電站将與三峽工程、葛洲壩工程，以及金沙江烏東德、溪洛渡、向家壩水電站一起，構成世界最大的清潔能源走廊。

時速600公裡高速磁浮：從零加速到時速600公裡僅3分半鐘

7月20日，由中國中車承擔研制、具有完全自主知識産權的時速600公裡高速磁浮交通系統在青島成功下線，這是世界首套設計時速達600公裡的高速磁浮交通系統，标志我國掌握了高速磁浮成套技術和工程化能力。時速600公裡，這是當前可實現的“地表最快”交通工具。因此，高速磁浮也被形象地稱為“貼地飛行”。

車輛底部的懸浮架裝有電磁鐵，與鋪設在軌道下方的鐵芯相互吸引，産生向上的吸力，從而克服地心引力，使車輛“懸浮”起來，再利用直線電機驅動列車前行。高速磁浮這種無接觸的運行方式，取代了傳統輪軌的機械接觸支承，從根本上突破了傳統輪軌關系的約束，因而可以達到更高的運行速度，實現時速600公裡的極速“淩空飛行”。

由于不受輪軌黏着限制，高速磁浮還具備更強的加減速能力。輪軌高鐵加速到時速350公裡需要6分鐘，而高速磁浮從零加速到時速600公裡，隻需3分半鐘。快起快停，使它能更加充分地發揮速度優勢。

海洋“雙星”：海洋觀測衛星組網

7月29日，海洋一号D衛星和海洋二号C衛星正式交付自然資源部投入業務化運行，這标志着我國海洋觀測衛星組網業務化運行能力基本形成。

海洋一号D衛星和海洋二号C衛星分别于2020年6月和9月發射，國家衛星海洋應用中心會同衛星、測控、地面、應用等各系統建設單位，在自然資源、生态環境、水利、農業農村、應急管理和氣象等領域開展了行業應用測試，順利完成全部在軌測試内容。

上下午組網觀測，填補了我國海洋水色衛星下午觀測數據的空白，大幅提高了全球海洋水色、海岸帶資源與生态環境、大洋船舶位置的觀測覆蓋能力與觀測時效，已經在我國綠潮、浒苔、海上養殖、海冰、台風、溢油等預報監測工作中開展應用服務。海洋二号C衛星與已在軌運行的海洋二号B衛星以及後續發射的海洋二号D衛星組成我國首個海洋動力環境衛星星座，大幅提高了我國海洋動力環境要素全球觀測覆蓋能力和時效性。

一氧化碳合成蛋白質：工業化條件下合成收率達85%

在人工條件下，利用天然存在的一氧化碳和氮源（氨）大規模生物合成蛋白質，長期以來被國際學術界認為是影響人類文明發展和對生命現象認知的革命性前沿科學技術。10月30日，中國農業科學院宣布在全球首次實現從一氧化碳到蛋白質的合成，并已形成萬噸級工業産能。這一舉突破了天然蛋白質植物合成的時空限制，為彌補我國農業最大短闆——飼用蛋白對外依存度過高提供了國之利器，同時對促進國家“雙碳”目标實現深具意義。該項研究以含一氧化碳、二氧化碳的工業尾氣和氨水為主要原料，“無中生有”制造新型飼料蛋白資源乙醇梭菌蛋白，将無機的氮和碳轉化為有機的氮和碳，實現了從0 到1的自主創新，具有完全自主知識産權。

中老鐵路建成通車：全線采用“中國标準”

12月3日，随着全長1035公裡的中老鐵路建成通車，“瀾滄号”列車将一路奔馳，聯入中國鐵路網，駛向國際。中老鐵路全部采用中國管理标準和技術标準建設，是與中國鐵路網直接聯通的國際鐵路。

中老鐵路位于橫斷山脈南延段，起自中國雲南昆明、終到老撾萬象，線路穿越三山、橫跨四水，山高谷深，最高點與最低點相對高差達2900米，地形條件極為複雜。友誼隧道位于中老邊境，是中老鐵路唯一的跨境隧道。“隧道局部含鹽量高達80%以上，對隧道結構腐蝕性大，國内外罕見。”中國中鐵二局集團玉磨鐵路項目部副經理潘福平說，為攻克罕見的地質難題，建設單位先後邀請隧道、地質、材料等方面的專家研讨，确定了“注漿堵水、全包防水、圓形多層結構、強化材料防腐”的設計方案。最終研發的混凝土達到實體強度指标要求，攻克了岩鹽高侵蝕性世界難題。

中老鐵路沿線所有設備全部由中國自主研制，從特種橋梁到超長鋪軌車的精準鋪路，再到“瀾滄号”全部采用“複興号”列車技術，以及中國鐵路列控系統的全線加持，無一不體現中國鐵路建設者們的智慧及“中國力量”。

首款新冠特效藥獲批：為患者赢得10天黃金救治期

新冠病毒依然在全球肆虐，擁有針對性的臨床有效用藥變得重要而迫切。12月8日，我國首款自主知識産權新冠病毒中和抗體聯合治療藥物獲批。該聯合用藥由清華大學、深圳市第三人民醫院和騰盛博藥合作研發。

此次獲批的聯合用藥安巴韋單抗與羅米司韋單抗（BRII-196/BRII-198）為救治搶下了更多時間。與國際上其他新冠治療用藥相比，該聯合用藥給出了長達10天的黃金救治期。三期臨床試驗的最終結果顯示，無論患者是症狀出現後的1—5天（早期）前往門診治療，還是6—10天（晚期）才開始接受治療，住院和死亡率均顯著降低。這為新冠患者提供了更長的治療窗口期。

（圖片來源于網絡，侵删）

據介紹，美國FDA此前對這兩株抗體組合方案主要變異病毒株的活性已經進行了鑒定，結果顯示BRII-196/BRII-198抗體組合方案對全部國際主要突變株阿爾法、貝塔、伽馬、伊普西龍、德爾塔、蘭姆達、缪保持敏感。為了延長藥效，研究團隊還經過基因改造，延長藥品半衰期，使其在人體體内有效作用時間長達數月。此外，應用生物工程技術，抗體介導依賴性增強作用的風險也大大降低。

轉眼又是一年

無論是世界科學界

還是中國科學界

即使在疫情的陰影下，依然沒能阻止我們對于未來的向往

因為科學：就是未來

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