AI加持绿色材料研发解决气候变化是一项需要大量脑力的挑战。气候变化观测模型今年，热浪、洪水和飓风对地球造成了发人深省的影响。但他们认为，2021年影响加拿大的不成比例的巨大热浪可能与气候变化有关。因此，中子星的极端引力使它们成为广义相对论“强场”测试的理想环境。
“2021年物理学十大进展”
“祖冲之二号”入选扬我国威
2021年临近结束，美国物理学会旗下Physics 公布了今年的国际物理学领域的十项重大进展，回顾了今年的亮点物理进展故事。我国的“祖冲之二号”量子计算机也位列其中，这也充分是说明了中国科学，在世界科学界的不断提升~那么今年的十个物理学进展都是什么呢？
与太阳“零距离”
美国宇航局的帕克太阳探测器（Parker Solar Probe）比任何其他人造物体都更接近太阳。
今年 4 月，航天器的轨道使它位于太阳中心的 18 个太阳半径（1300 万公里）范围内。在那里，它进入了日冕的一个高度磁化的区域，磁能主导了等离子体的动能。该探测器测量了等离子体湍流和磁场波动，为太阳能科学家提供了有关驱动太阳风机制的十分需要的数据。这些观察结果也可能揭示为什么日冕比太阳表面热一千倍。
介子（Muon）加强了对标准模型的挑战
最令人期待的粒子物理学结果，来自费米国家加速器实验室的 Muon g-2 实验：这次合作报告了一种对介子磁性的新的测量方法。自2001年以来，测量表明 μ 子的磁性略高于理论预测。这种不匹配很有趣，因为它可能是由粒子或粒子物理学标准模型中未考虑的相互作用引起的。
（文章内容来源于网络）
量子优越时代到来
中国“祖冲之”入选
量子计算是一个快速发展的领域，今年，“最大的量子计算机”的称号在不到一个月的时间里，从谷歌转移到了中国科学技术大学（USTC）再到 IBM。USTC 的结果之所以引人注目，是因为它们提供了令人信服的论据，即计算机最终实现了量子优越性——在给定任务中超越可能最好的经典计算机的能力。在这次演示中，USTC 的研究人员使用了两种不同的量子计算机，一种基于超导电路，一种基于光子干涉测量，解决了传统上难以解决的“采样”问题。
早在10月25日，著名物理学期刊《物理评论快报》刊发中国科学技术大学潘建伟院士团队关于量子计算的两大成果。其中，他们成功构建的66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”，实现对“随机线路取样”问题的快速求解，比目前最快的超级计算机快数万倍，使得我国首次在超导量子体系达到“量子计算优越性”里程碑。在光子体系，他们在世界首个达到“量子计算优越性”的“九章”光量子计算原型机的基础上，研制出113个光子144模式的“九章二号”，实现了相位可编程功能，对“高斯玻色取样”问题的求解速度比目前最快的超级计算机快亿亿亿倍，再次刷新世界纪录。
这一系列成果使我国成为目前国际上唯一同时在两种物理体系均达到“量子计算优越性”里程碑的国家。美国物理学会评价认为，中国科学技术大学研究团队在与谷歌、IBM等竞争中脱颖而出，提供了令人信服的实验论据，在他们的超导和光学量子计算机展示了卓越的量子计算优越性。
AI加持绿色材料研发
解决气候变化是一项需要大量脑力的挑战。今年，材料科学家利用人工智能开发电池、催化剂和其他绿色解决方案的新材料。例如，机器学习算法正在筛选大型化学数据集，寻找人类化学家可能遗漏的关系。这些努力已经发现了新材料，例如可以提高电池寿命的有机化合物。
与这些算法相辅相成的是自主实验室，机器人可以在其中快速合成和测试候选化学物质。该领域的研究人员预计，人工智能方法可以将材料开发时间缩短 10 倍。
量子计算模拟时间晶体
今天的量子计算机大多仅限于简单的计算，但研究人员表明，谷歌的 Sycamore 量子计算机可以执行另一种技巧：模拟时间晶体——一个以周期性循环不断进化的量子系统。但奇怪的是：在量子计算机上，时间晶体的模拟和演示之间的区别是模糊的。经典计算机只能模拟时间晶体的行为。但是，研究人员使用的量子系统设备则创建了实际的时间晶体。所以，量子计算机可以做的不仅仅是计算。
气候变化观测模型
今年，热浪、洪水和飓风对地球造成了发人深省的影响。气候模型表示，随着地球整体温度的升高，这些事件将更频繁地发生，并且会越来越严重。但是将特定的极端天气事件归因于气候变化是很棘手的。研究人员开发了一种新的统计方法，将极端事件的模型模式与观测模式进行比较，为建立极端天气事件与气候变化之间的相关性提供了一种工具。使用过去的数据测试模型，该团队得出结论，2010 年发生在亚洲的两次热浪很可能是气候自然变化的表现。但他们认为，2021 年影响加拿大的不成比例的巨大热浪可能与气候变化有关。
假设暗物质不存在
虽然对暗物质的搜索继续空缺，但一些研究人员正在寻求另一种方法，假设暗物质不存在，相反，引力比目前认为的更复杂。这种所谓的 MOND（修正牛顿动力学）理论的预测与许多天文观测一致，但与宇宙微波背景（CMB）的一些观测结果不一致。现在，理论家通过提出适合 CMB 数据的理论版本在解决这个问题方面取得了进展。更新后的模型增加了 MOND 的可信度，但与之前的版本一样，该理论假设了缺乏理论动机的新领域，因此大多数宇宙学家仍然不相信。
关于中子星的研究
除了黑洞之外，没有比中子星密度更大的天体。因此，中子星的极端引力使它们成为广义相对论“强场”测试的理想环境。然而，这样的测试需要更好地了解超致密物质的“状态方程”。今年，研究人员通过描述具有独立于此类方程的普遍关系的恒星属性来规避这个问题。然后，他们将中子星的 X 射线观测与合并中子星对的引力波探测相结合，从而限制了这些特性。这种“多信使”方法使他们能够对重力如何违反某些类型的对称性设置新的限制。
最后是关于人的~
自从物理学研究出现以来，女性一直不公平地占据了物理学的短端。今年，Physics 同时关注了哪些方面正在改进，哪些方面还需要改变。女物理学家获得了该领域的一些最高荣誉，并利用她们的声音来促进科学在社会中的作用。一些来自中东和亚洲国家推出了令人鼓舞的课程——“关于如何提高女性参与度”，在这些国家，女性占 STEM 研究生的大多数。这不得不说对于物理学研究来说是一个好消息。
聊完了物理学，我们转回国内；在过去的2021年，中国科学界的成就也是有目共睹的，虽然在疫情的阴影下，人们的生活受到了不小的影响，但是仍然没有妨碍我们在多个领域去取得创新~
“华龙一号”：自主三代核电技术跻身世界前列
上万名建设者常年奋战，5300多家设备制造企业大力协同，自2015年5月开工以来，“华龙一号”全球首堆便开始了“加速跑”，并终于在5年多后交出成绩单。1月30日，“华龙一号”全球首堆——中核集团福建福清核电5号机组投入商业运行，标志着我国在三代核电技术领域跻身世界前列。
由科技自立自强“打底”产生的一系列数据，可以为“华龙一号”这一地位做注脚：设计寿命为60年，反应堆采用177堆芯设计，堆芯设计换料周期18个月，创新采用“能动和非能动”相结合安全系统及双层安全壳等技术，在安全性上满足国际最高安全标准要求。“华龙一号”首堆所有核心设备均已实现国产，所有设备国产化率达88%，完全具备批量化建设能力。
（原文网址：这一年，我们用创新照亮新征程-新闻-科学网）
“华龙一号”全球首堆的商运，对优化中国能源结构、推动绿色低碳发展，助力碳达峰、实现碳中和目标具有重要意义。”余剑锋所言非虚，据悉，“华龙一号”每台机组每年可发电近100亿千瓦时，能满足中等发达国家100万人口的生产和生活年度用电需求，同时相当于减少标准煤消耗312万吨、减少二氧化碳排放816万吨，相当于植树造林7000多万棵。
“海牛Ⅱ号”：刷新深海钻机钻探深度纪录
高7.6米、“腰围”10米、体重12吨，在南海超2000米的深水成功下钻231米，刷新世界深海海底钻机钻探深度。这一纪录的创造者，是湖南科技大学牵头，我国自主研发的“海牛Ⅱ号”海底大孔深保压取芯钻机系统。4月7日晚的这次海试，“海牛Ⅱ号”也填补了我国海底钻探深度大于100米、具备保压取芯功能的深海海底钻机装备的空白。
海底钻机，是开展海洋地质及环境科学研究、进行海洋矿产资源勘探和海底工程地质勘查所必备的海洋高技术装备。据了解，整个海底钻机主要攻克了大孔深遥控全孔全程保压绳索取芯、智能化与专家操作系统、大容量钻管存储与钻杆快速接卸、海底钻机安全可靠下放和回收等四大技术攻关难点。这些全新的技术，显著提高了钻机钻探效率、取芯质量、保压成功率。与此同时，钻机重量较国外同类钻机，也实现了大幅减重，大大降低了水下收放作业难度。
白鹤滩水电站：实现100万千瓦满负荷发电
6月28日上午，金沙江白鹤滩水电站首批机组完成72小时带负荷连续试运行，正式投产发电。左岸1号机组、右岸14号机组两台百万千瓦水轮发电机组高速转动，将金沙江的水能资源转化为电能，源源不断送往华东地区。其中，右岸14号机组带100万千瓦负荷成功，这是全球首台并网发电，也是全球首台实现100万千瓦满负荷发电的机组。
白鹤滩水电站总装机容量1600万千瓦，共安装16台我国自主研制的百万千瓦水轮发电机组，是实施“西电东送”的国家重大工程，是当今世界在建规模最大、技术难度最高的水电工程。全球单机容量最大功率百万千瓦水轮发电机组，实现了我国高端装备制造的重大突破。
白鹤滩百万千瓦水电机组的创新，一是发电机从原来的80万千瓦跃升到现在的100万千瓦，二是水轮机采用了长短叶片转轮，同时实现了宽负荷高效稳定的运行。白鹤滩水电站建成后，年平均发电量将达624.43亿度。全部机组将于2022年7月投产发电。电站全部建成投产后，将成为仅次于三峡工程的世界第二大水电站。
据测算，白鹤滩水电站投产后，每年可节约标煤约1968万吨，减少排放二氧化碳5160万吨、二氧化硫17万吨。届时，白鹤滩水电站将与三峡工程、葛洲坝工程，以及金沙江乌东德、溪洛渡、向家坝水电站一起，构成世界最大的清洁能源走廊。
时速600公里高速磁浮：从零加速到时速600公里仅3分半钟
7月20日，由中国中车承担研制、具有完全自主知识产权的时速600公里高速磁浮交通系统在青岛成功下线，这是世界首套设计时速达600公里的高速磁浮交通系统，标志我国掌握了高速磁浮成套技术和工程化能力。时速600公里，这是当前可实现的“地表最快”交通工具。因此，高速磁浮也被形象地称为“贴地飞行”。
车辆底部的悬浮架装有电磁铁，与铺设在轨道下方的铁芯相互吸引，产生向上的吸力，从而克服地心引力，使车辆“悬浮”起来，再利用直线电机驱动列车前行。高速磁浮这种无接触的运行方式，取代了传统轮轨的机械接触支承，从根本上突破了传统轮轨关系的约束，因而可以达到更高的运行速度，实现时速600公里的极速“凌空飞行”。
由于不受轮轨黏着限制，高速磁浮还具备更强的加减速能力。轮轨高铁加速到时速350公里需要6分钟，而高速磁浮从零加速到时速600公里，只需3分半钟。快起快停，使它能更加充分地发挥速度优势。
海洋“双星”：海洋观测卫星组网
7月29日，海洋一号D卫星和海洋二号C卫星正式交付自然资源部投入业务化运行，这标志着我国海洋观测卫星组网业务化运行能力基本形成。
海洋一号D卫星和海洋二号C卫星分别于2020年6月和9月发射，国家卫星海洋应用中心会同卫星、测控、地面、应用等各系统建设单位，在自然资源、生态环境、水利、农业农村、应急管理和气象等领域开展了行业应用测试，顺利完成全部在轨测试内容。
上下午组网观测，填补了我国海洋水色卫星下午观测数据的空白，大幅提高了全球海洋水色、海岸带资源与生态环境、大洋船舶位置的观测覆盖能力与观测时效，已经在我国绿潮、浒苔、海上养殖、海冰、台风、溢油等预报监测工作中开展应用服务。海洋二号C卫星与已在轨运行的海洋二号B卫星以及后续发射的海洋二号D卫星组成我国首个海洋动力环境卫星星座，大幅提高了我国海洋动力环境要素全球观测覆盖能力和时效性。
一氧化碳合成蛋白质：工业化条件下合成收率达85%
在人工条件下，利用天然存在的一氧化碳和氮源（氨）大规模生物合成蛋白质，长期以来被国际学术界认为是影响人类文明发展和对生命现象认知的革命性前沿科学技术。10月30日，中国农业科学院宣布在全球首次实现从一氧化碳到蛋白质的合成，并已形成万吨级工业产能。这一举突破了天然蛋白质植物合成的时空限制，为弥补我国农业最大短板——饲用蛋白对外依存度过高提供了国之利器，同时对促进国家“双碳”目标实现深具意义。该项研究以含一氧化碳、二氧化碳的工业尾气和氨水为主要原料，“无中生有”制造新型饲料蛋白资源乙醇梭菌蛋白，将无机的氮和碳转化为有机的氮和碳，实现了从0 到1的自主创新，具有完全自主知识产权。
中老铁路建成通车：全线采用“中国标准”
12月3日，随着全长1035公里的中老铁路建成通车，“澜沧号”列车将一路奔驰，联入中国铁路网，驶向国际。中老铁路全部采用中国管理标准和技术标准建设，是与中国铁路网直接联通的国际铁路。
中老铁路位于横断山脉南延段，起自中国云南昆明、终到老挝万象，线路穿越三山、横跨四水，山高谷深，最高点与最低点相对高差达2900米，地形条件极为复杂。友谊隧道位于中老边境，是中老铁路唯一的跨境隧道。“隧道局部含盐量高达80%以上，对隧道结构腐蚀性大，国内外罕见。”中国中铁二局集团玉磨铁路项目部副经理潘福平说，为攻克罕见的地质难题，建设单位先后邀请隧道、地质、材料等方面的专家研讨，确定了“注浆堵水、全包防水、圆形多层结构、强化材料防腐”的设计方案。最终研发的混凝土达到实体强度指标要求，攻克了岩盐高侵蚀性世界难题。
中老铁路沿线所有设备全部由中国自主研制，从特种桥梁到超长铺轨车的精准铺路，再到“澜沧号”全部采用“复兴号”列车技术，以及中国铁路列控系统的全线加持，无一不体现中国铁路建设者们的智慧及“中国力量”。
首款新冠特效药获批：为患者赢得10天黄金救治期
新冠病毒依然在全球肆虐，拥有针对性的临床有效用药变得重要而迫切。12月8日，我国首款自主知识产权新冠病毒中和抗体联合治疗药物获批。该联合用药由清华大学、深圳市第三人民医院和腾盛博药合作研发。
此次获批的联合用药安巴韦单抗与罗米司韦单抗（BRII-196/BRII-198）为救治抢下了更多时间。与国际上其他新冠治疗用药相比，该联合用药给出了长达10天的黄金救治期。三期临床试验的最终结果显示，无论患者是症状出现后的1—5天（早期）前往门诊治疗，还是6—10天（晚期）才开始接受治疗，住院和死亡率均显著降低。这为新冠患者提供了更长的治疗窗口期。
（图片来源于网络，侵删）
据介绍，美国FDA此前对这两株抗体组合方案主要变异病毒株的活性已经进行了鉴定，结果显示BRII-196/BRII-198抗体组合方案对全部国际主要突变株阿尔法、贝塔、伽马、伊普西龙、德尔塔、兰姆达、缪保持敏感。为了延长药效，研究团队还经过基因改造，延长药品半衰期，使其在人体体内有效作用时间长达数月。此外，应用生物工程技术，抗体介导依赖性增强作用的风险也大大降低。
转眼又是一年
无论是世界科学界
还是中国科学界
即使在疫情的阴影下，依然没能阻止我们对于未来的向往
因为科学：就是未来
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