2021年12月14日，《物理世界》（Physics World）編輯從(cong) 其網站發表的近600項研究進展中評選出了年度物理學領域十大突破。

除了必須在2021年《物理世界》網站報導之外，入選候選名單的研究還必須滿足以下標準：

1. 物理學領域的重大進展。
2. 對於(yu) 科學進步或現實應用具有重大意義(yi) 。
3. 《物理世界》讀者對其很感興(xing) 趣。

今年的年度首要突破頒給了兩(liang) 支獨立的團隊，他們(men) 分別實現了兩(liang) 宏觀振動鼓麵的糾纏現象，並由此推進了我們(men) 對量子係統與(yu) 經典係統間差別的認識。

這兩(liang) 大贏家分別是芬蘭(lan) 阿爾托大學與(yu) 澳大利亞(ya) 新南威爾士大學的米卡·斯蘭(lan) 帕（Mika Sillanpää）及其同事，以及美國國家標準與(yu) 技術研究所（NIST）約翰·托伊費爾（John Teufel）和 施羅密·科特勒（Shlomi Kotler）領導的一支團隊。

除此之外，《物理世界》還評選出了其他9項成果，共同作為(wei) 2021年度物理學十大突破。

2021年首要突破：實現兩(liang) 宏觀振動鼓麵的糾纏現象

敲鼓：這張彩色電子顯微鏡圖像展示了美國國家標準與(yu) 技術研究所科研人員使用的兩(liang) 枚鋁鼓麵

量子技術在過去的20年裏取得了長足進步，如今，物理學家已經可以實現並操控那些曾經隻能在思想實驗領域中存在的物理係統。其中一個(ge) 特別吸引人的研究方向，就是量子物理學與(yu) 經典物理學之間的模糊邊界。

過去，我們(men) 可以通過尺度大小清晰地區分它們(men) ：像光子和電子這樣的微觀物體(ti) 自然屬於(yu) 量子物理學範疇；像台球這樣的宏觀物體(ti) 則屬於(yu) 經典物理學領域。

在過去10年裏，物理學家通過直徑在10微米左右的鼓狀機械諧振器提升了量子的定義(yi) 極限。與(yu) 電子和光子不同，這些鼓麵是通過標準微機械加工技術製造出來的宏觀物體(ti) ，在電子顯微鏡中就像是台球那樣的實體(ti) （參見上圖）。不過，雖然這類諧振器並非像微觀粒子那樣的“無形”之物，但研究人員卻能觀測到它們(men) 具有量子特性，比如，托伊費爾及其同事就在2017年成功地讓這種設備進入量子基態。

今年，托伊費爾和科特勒領導的團隊，以及斯蘭(lan) 帕領導的團隊更進一步，率先在量子力學層麵上實現了兩(liang) 枚此類鼓麵的糾纏現象。這兩(liang) 支團隊采取的方式並不相同。阿爾托/堪培拉團隊使用了一個(ge) 特別挑選的共振頻率消除係統噪聲——如果不這麽(me) 做，噪聲會(hui) 幹擾鼓麵的糾纏態。而美國國家標準與(yu) 技術研究所的團隊實現的糾纏態則類似一個(ge) 雙量子位門。在這種情形下，糾纏態的形式取決(jue) 於(yu) 鼓麵的初始狀態。

這兩(liang) 支團隊都克服了巨大的實驗障礙，他們(men) 的不懈努力將為(wei) 我們(men) 打開使用糾纏共振器的大門——我們(men) 可以在量子網絡中使用這類糾纏共振器，將其作為(wei) 量子感應器或結點。毫無疑問，這項工作完全算得上是2015年之後最重要的與(yu) 量子相關(guan) 的物理學年度突破。

恢複癱瘓者語言能力

“三思而後言”：研究人員大衛·摩西正在開展臨(lin) 床試驗。試驗過程中，一枚神經假肢記錄了被試圖說出詞語或句子時的大腦額葉活動

加州大學舊金山分校大衛·摩西（David Moses）、肖恩· 梅茨格（Sean Metzger）及其同事開發了一種語言神經假肢。這種工具可以將重度癱患者的大腦信號翻譯成文字打在屏幕上，從(cong) 而允許他們(men) 用語言交流。

試驗過程中，這支研究團隊將一個(ge) 高密度電極陣列植入被試大腦，記錄與(yu) 語言形成相關(guan) 的多個(ge) 大腦皮層區域的電信號。神經假肢係統可以從(cong) 皮層活動記錄結果中認證出單詞庫（總共50個(ge) 常用單詞）中的相應單詞。借助這個(ge) 單詞庫，被試就能說出成百上千個(ge) 短句。這項技術的解碼速率中值是每分鍾15.2詞——一個(ge) 相當值得期待的成果，要知道，被試在電腦界麵上打出自己想說的話的速度通常隻有這個(ge) 的1/3左右。

同時發射30束激光，整體(ti) 表現為(wei) 單一相幹光源

德國維爾茨堡大學的塞巴斯蒂安·克蘭(lan) 伯特（Sebastian Klembt）和以色列理工學院的莫迪凱·塞格夫（Mordechai Segev）及其同事開發了一個(ge) 由30台垂直腔麵激光發射器（VCSELs）組成的陣列。

這30台發射器一起發射激光時，整體(ti) 表現為(wei) 單一相幹光源。這項成就為(wei) 後續的大規模、高功率應用鋪平了道路。

這個(ge) 研究團隊利用拓撲學原理確保陣列中每台發射器發射的激光都會(hui) 流經其他所有發射器，這樣一來，30束激光的頻率就會(hui) 保持一致。

2018年，塞格夫及其合作者也曾設計過一台類似的設備，但功率有限，今年的這項新成就克服了這個(ge) 困難，並且在原理上可以規模化應用，也即讓成百上千個(ge) 獨立發射器發射的激光整體(ti) 表現為(wei) 單一光源。

量化波粒二象性

韓國基礎科學研究所的尹太賢（Tai Hyun Yoon）、趙敏行（Minhaeng Cho），美國史蒂文斯理工學院的錢曉峰（Xiaofeng Qian）和美國德州農(nong) 工大學的吉裏什·阿加瓦爾（Girish Agarwal）通過理論和實驗，量化了光子的“波動度”和“粒子度”，並且證明，這兩(liang) 項性質都與(yu) 光子源的純度相關(guan) 。Yoon和Cho在實驗中嚴(yan) 格地控製兩(liang) 個(ge) 铌酸鋰晶體(ti) 發出的光子對（“信號光子”和“閑置光子”）的量子態。他倆(lia) 通過獨立改變每個(ge) 晶體(ti) 釋放光子的概率以及一個(ge) 錢和阿加瓦爾在2020年率先提出的簡單數學表達式證明了所謂的“光子源純度”與(yu) 能否在實驗中看到幹涉條紋（一種波動屬性）以及路徑不可區分現象（一種粒子屬性）有關(guan) 。

這項成果在量子信息領域大有作用，並且能夠讓我們(men) 重新認識互補性原理。所謂“互補性”，最早是由量子理論先驅尼爾斯·玻爾在20世紀初提出的，這個(ge) 概念是說，量子物體(ti) 有時表現得像波，有時表現得像粒子。

激光聚變裏程碑

燃燒美元的問題：美國國家點火裝置總耗資已達35億(yi) 美元，現在，科學家終於(yu) 接近實現點火的終極目標了——聚變反應產(chan) 生的能量不小於(yu) 輸入的激光攜帶的能量

在美國加利福尼亞(ya) 州的美國國家點火裝置（NIF）工作的奧馬爾·哈利卡恩（Omar Hurricane）、安妮·克裏特切爾（Annie Kritcher）、阿萊克斯·茲(zi) 爾斯特拉（Alex Zylstra）、黛比·卡拉翰（Debbie Callahan） 及其同事，朝著實現“點火”的終極目標又邁進了一步。

早在10年前，美國國家點火裝置就啟動了，其長期目標是證明它可以達到點火的條件——聚變反應產(chan) 生的能量不小於(yu) 輸入的激光攜帶的能量。管理美國國家點火裝置的是勞倫(lun) 斯利弗莫爾國家實驗室。研究人員用192束脈衝(chong) 激光轟擊一個(ge) 1厘米長的空心金屬圓柱體(ti) （黑體(ti) 輻射空腔）表麵。圓柱體(ti) 內(nei) 部有一個(ge) 燃料膠囊——一個(ge) 直徑在2毫米左右、內(nei) 部塗有一層薄氘-氚的空心球殼。

2009—2012年間的實驗結果表明，美國國家點火裝置距實現“點火”還差得很遠。於(yu) 是，研究人員隻好回到設計階段加以改進。

今年8月8日，他們(men) 的努力終於(yu) 收獲了回報：點火裝置的能量場超過了1.3MJ，這大概是脈衝(chong) 激光束給點火裝置輸入能量的70%了。雖然這個(ge) 數字仍舊沒有達到最終目標（投入產(chan) 出平衡），但已經遠優(you) 於(yu) 此前0.1MJ左右的實驗結果。

部分專(zhuan) 家甚至認為(wei) ，這項成果是自1972年慣性聚變誕生以來的最大進展。

粒子冷卻新技術

歐洲核子研究中心反氫激光物理裝置（ALPHA）以及重子反重子對稱性實驗（base）的研究人員通過兩(liang) 項獨立的研究得到了冷卻粒子和反粒子的新方法。這些技術為(wei) 精確檢驗宇宙物質-反物質不對稱性的研究打下了基礎。

反氫激光物理裝置的研究人員首次證明，可以用激光冷卻反氫原子。為(wei) 此，他們(men) 開發了一種能夠產(chan) 生121.6納米脈衝(chong) 的新型激光，以冷卻反原子。

隨後，他們(men) 又以前所未有的精確度測量了反氫原子中的一項關(guan) 鍵電子躍遷。這一突破為(wei) 日後進一步檢驗反物質的其他關(guan) 鍵特性奠定了基礎。

與(yu) 此同時，重子反重子對稱性實驗的研究人員則證明了如何通過與(yu) 數厘米外激光冷卻離子雲(yun) 相連的超導電路從(cong) 單個(ge) 質子中汲取熱量——他們(men) 稱，這項技術稍加改進就能應用於(yu) 反質子。

觀測到黑洞磁場

磁旋：偏振光下的超大質量黑洞M87*圖像。圖中的線代表偏振方向，與(yu) 黑洞陰影周圍的磁場相關(guan)

視界望遠鏡得到了第一張顯示超大質量黑洞附近區域光偏振情況的圖像。這種偏振現象表明，在物質加速進入黑洞M87*（這個(ge) 黑洞的質量超過太陽的60億(yi) 倍）的區域存在強磁場。進一步的研究或許將有助於(yu) 我們(men) 究明，某些黑洞如何形成將物質和輻射噴發到周遭宇宙空間中的巨大噴流。

2019年，視界望遠鏡就曾因捕捉第一張黑洞陰影照片而創造曆史，並憑此榮獲2019年《物理世界》物理學年度突破大獎。

實現對原子核的量子相幹控製

德意誌電子同步加速器、歐洲同步輻射實驗室（位於(yu) 法國）、海德堡馬克斯-普朗克核物理研究所的約爾格·埃夫斯（Jörg Evers ）及其同事率先實現了對原子核激發的量子相幹控製。

這個(ge) 研究團隊通過兩(liang) 個(ge) 超短脈衝(chong) 將同步加速器產(chan) 生的X射線送入原子核中。他們(men) 通過調整脈衝(chong) 相位實現了鐵原子核在相幹增強激發和相幹增強發射之間的切換。除了可以促使我們(men) 更好地認識量子物質，這項成果還可能加速新技術的發展，比如超精準的核時鍾以及可以儲(chu) 存大量能量的電池。

在超冷費米氣體(ti) 中觀測到泡利阻塞現象

美國實驗室天體(ti) 物理聯合研究所的克裏斯蒂安·桑納（Christian Sanner）及其同事，美國芝加哥大學的艾米塔·德布（Amita Deb）和尼爾斯·吉爾嘉德（Niels Kjærgaard），美國麻省理工學院的沃爾夫岡(gang) ·凱特納（Wolfgang Ketterle）及其同事，這三支研究團隊各自獨立地在超冷費米氣體(ti) 中觀測到了泡利阻塞現象。

當構成氣體(ti) 的原子幾乎占據所有可能的低能量子態時，就會(hui) 出現泡利阻塞現象，它會(hui) 阻礙原子通過小幅躍遷進入鄰近量子態。泡利阻塞現象會(hui) 影響氣體(ti) 原子散射光的方式。上述三支研究團隊都觀測到，泡利阻塞現象會(hui) 在氣體(ti) 冷卻時提升它們(men) 的透明度。

未來某一天，我們(men) 或許可以借助這項技術改進基於(yu) 超冷原子的相關(guan) 技術，比如光學時鍾和量子中繼器。

證實μ子的反磁性

新家：費米實驗室探測器大廳中的μ子g-2環，這個(ge) 裝置的目標是研究μ子的旋進現象

μ子g-2合作研究團隊進一步證明了μ子的磁矩測量值與(yu) 理論預測不符。這支國際研究小組在美國費米實驗室的一個(ge) 存儲(chu) 環中讓一束磁極化μ子流動起來。μ子磁矩受磁場影響而轉動，轉動率則決(jue) 定了μ子的磁矩大小。

20年前，美國布魯克海文國家實驗室的研究第一次表明，μ介子磁矩的實驗值與(yu) 理論不符。現在，費米實驗室與(yu) 布魯克海文國家實驗室的實驗結果結合在一起，將實驗與(yu) 理論間的差異推進到了4.2σ，這已經小於(yu) 有效發現要求的5σ。如果這種差異經得起後續實驗的檢驗，那就意味著超越標準模型的全新物理學已經出