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美国物理学会旗下的在线杂志《物理》（ Physics ）公布了物理学领域2021年度国际物理学领域十大重点事件，回顾了2021年物理学领域所取得的重要进展。该杂志主要报道物理学顶级期刊《物理评论》（ Physical Review ）的论文，重点关注改变研究方式、激发新思维方式或好奇心的物理学发现。
2021年4月28日，帕克太阳探测器在第八次飞掠太阳期间，在太阳表面上方18.8个太阳半径（约1300万km）处遇到特定的磁场和粒子条件，这表明它第一次越过阿尔芬临界表面，进入了太阳大气层。
阿尔芬临界表面是磁能和动能平衡点。在这个表面上，太阳风能挣脱太阳的束缚自由地吹向宇宙；在这个表面下，磁场约束着等离子体的运动，将其束缚在太阳周围，使它无法脱离太阳的掌控。阿尔芬临界面也是太阳大气层和太阳风的分界面。帕克太阳探测器在阿尔芬临界表面下方只穿越了5 h，因为时间太短，无法完全探测太阳的边界及内部情况。研究人员预计，完整的探测将需要进行多次探险，未来可能还会有几次机会。
2021年4月7日，费米国家加速器实验室宣布了最新的缪子反常磁矩实验结果，实验精度达到百万分之0.46，这个结果与之前布鲁克海文国家实验室的测量结果基本一致，两者综合测量的结果与理论值的偏差为4.2倍标准偏差。两次的实验结果表明，缪子的反常磁矩与理论模型的预测确实有偏差。
缪子反常磁矩的偏差发现了近20年，直到现在才做出重要结论，是因为实验难度很大。此次实验有如此高的测量精度，堪称当今粒子物理学乃至整个物理学精度最高的实验之一。按照国际高能物理学界的惯例，测量结果的置信度在3σ以下为hint（迹象），处于3σ—5σ为evidence（证据），超过5σ的实验结果为discovery（发现）。
2021年，“最强量子计算机”的称号在不到一个月的时间内两次易主，从谷歌公司转到中国科学技术大学，又转到国际商业机器公司（IBM）。中国科学技术大学的研究结果提供了令人信服的论据，量子计算机实现了量子计算优越性——在给定任务中超越可能最强的经典计算机的能力。
在这次演示中，中国科学技术大学潘建伟团队使用两台不同的量子计算机（一台基于超导电路、另一台基于光子干涉）。解决了传统方法难以解决的“采样”问题。潘建伟团队在这两台量子计算机的相应实验中，都发现了显著的量子加速效应，夯实了量子计算优越性的概念。
自物理学诞生以来，女性物理学家就一直处于劣势地位。2021年， Physics 特别关注了哪些方面正在改进、哪些方面仍然需要改变。一些女性物理学家获得了物理学领域的最高荣誉，并利用她们的影响力促进了科学在社会中的作用。
在一些中东和亚洲国家，女性占科学、技术、工程和数学教育（STEM）本科生、研究生的大多数，但提供给女性的相关就业岗位却寥寥无几。在巴基斯坦，女性约占本科生人数的一半，但女性教师非常少见。黎巴嫩阿布德的圣约瑟夫大学也是如此，女性很难获得教职，该大学的终身物理学教授中女性占比不到20%。
为了应对气候变化，科学家和气候变化倡导者呼吁采取一系列行动，包括减少化石燃料的使用、交通电气化、农业改革以及从大气中捕获多余的二氧化碳。但如果没有材料科学的突破，将无法攻克众多技术难关。2021年，材料科学家在诸多新型材料（如电池、催化剂以及其他环保的能源解决方案）研发中广泛引入了人工智能。
例如，需要改进电池材料，以产生更高的能量密度和更长的放电时间。如果没有这些改进，商用电池将无法长时间为电动汽车供电，也无法支持可再生能源电网。同样，在研发出更好的催化剂之前，从大气中捕获二氧化碳的方法仍然非常昂贵。传统上，科学家通过直觉、勇气和单纯的运气来发现新材料，但结合大数据、人工智能以及机器人技术的新一代实验可能会改变游戏规则。研究人员认为，借助这些工具可以发现意想不到的新材料，极大缩短新材料从概念到实现所需的时间。
图1-12 交通电气化
图1-13 强大的量子计算机
目前的量子计算机性能还不够理想（只有几十个量子位），这些脆弱的量子位容易出现无法纠正的随机错误。然而，这种“脆弱的中尺度量子”（NISQ）设备仍然可以用来模拟复杂类型的量子行为。
此前，许多研究人员都在尝试模拟和制造离散时间晶体，但始终未能如愿。2021年，研究人员与谷歌团队合作，在谷歌“悬铃木”（Sycamore）量子计算机这样的NISQ设备观察到离散时间晶体（DTC）。这次实验中，研究人员使用了Sycamore电路中53个量子位中的20个，DTC现象只存在了不到1ms（大约100次振荡）。因为与任何量子计算一样，量子位只能在短时间内保持计算所需的量子相干状态，之后它们与环境的相互作用导致退相干。
2021年，热浪、洪水和飓风对地球造成了深刻影响。依据一些著名气候模型的结论，随着地球整体温度的升高，这些极端气候事件将频繁发生，并且越来越严重，而要弄清是否是气候变化导致了特定的热浪或寒潮仍然很困难。研究人员开发了一种新的统计方法，该方法把全球气候模型与统计计算相结合。全球气候模型不包括人为变暖因素。研究人员模拟了1000年内的地球气候，识别出现在模型数据中的极端气候事件，并使用大偏差理论来定义这些事件的属性。例如，持续一个月的酷热风暴或偏离模型总体趋势的暴雨都将被视为极端事件。最后，将模拟极端事件的模式与真实事件进行比较。两者之间的相似之处表明，作为地球自然气候变化的一部分，这是一个罕见的事件，而差异之处表明，这一事件可能来自气候变化。
图1-14 随着地球整体温度的升高，极端气候事件将频繁发生
研究人员用以前的数据测试该模型，发现2010年俄罗斯的热浪和蒙古国的寒潮，很可能是气候自然变化的结果，因为之前类似事件在这些地区也有记录；而2021年加拿大西部地区的热浪可能与气候变化有关，因为在没有气候变化的情况下，这一地区出现如此强度热浪的概率很低。
暗物质很难被直接观察到，截至目前，试图弄清楚暗物质本质的努力都没有取得太大进展。对此，美国天文学家斯泰西·麦高（Stacy McGaugh）怀疑：也许暗物质根本就不存在，他在20世纪80年代就产生了一个想法：修正牛顿动力学（MOND）理论。1983年，以色列的理论物理学家莫尔德艾·米尔格龙（Mordehai Milgrom）提出了修正的牛顿动力学理论。然而，MOND理论存在较大缺陷，这也是不被科学家所接受的原因，即在更大的尺度宇宙方面，无法重现宇宙微波背景（CMB）的数据。在细节方面，也无法解释星系的引力透镜问题。
2021年，捷克理论物理学家康斯坦丁斯·斯科迪斯（Constantinos Skordis）和汤姆·兹沃什尼克（Tom Zonik）开发了一种新的相对论版MOND模型，可以解释暗物质尚未被检测到的原因。与之前提出的MOND理论不同，新模型可以匹配宇宙微波背景的观测，这是以前类似MOND理论所缺乏的一个关键细节。他们说，该模型可以通过对星系团和引力波的观察进一步验证。
中子星是宇宙中已知最致密的物体之一，仅次于黑洞。它们巨大的密度产生了强大的引力场，并严重扭曲了周围时空。想在这些条件下测试重力，但缺乏对物质在如此极端密度下的行为的理解。具体地说，我们不知道核物质状态方程。
2021年，德国的研究人员通过其他方式规避了这个问题，他们改用与这类状态方程无关的普适关系描述中子星性质，又将对中子星的X射线观测与对处于合并过程中的双中子星的引力波探测结合起来，进一步对中子星属性加以约束。他们从最近的X射线观测中，推断出一颗孤立中子星的惯性矩、四极矩和表面偏心度。通过把中子星的X射线观测与对合并中子星的引力波观测相结合，证明了一种抑制强引力的有效方法。这种对中子星数据的“多信使”分析，为引力相互作用中宇称对称性破坏提供了新的限制。
图1-15 中子星数据的“多信使”分析
陀螺是经典的儿童玩具，对肯尼斯·布雷彻（Kenneth Brecher）来说，陀螺不仅仅是玩具，也是一种用实际行动展示物理和数学的方式。在过去的6年里，这位从波士顿大学退休的天体物理学家一直在优化旋转陀螺的设计，使其旋转的时间更长，他的方法是将数学常数纳入陀螺的维度中。
布雷彻对陀螺的兴趣源于他对中子星旋转运动的理解，他是最早证明它们摆动或进动的人之一。他的最新作品DeltaCELT是一种独木舟形状的响尾蛇陀螺，表面刻有两个椭圆形凹坑，与众不同的是，它只喜欢以一种方式旋转。这个特殊的响尾蛇陀螺的长轴与短轴的比率被设计成等于费根鲍姆常数δ，其值约为4.669。该常数决定了混沌系统（如湍流）中混沌发展的速率。
如果逆时针旋转，DeltaCELT就会像其他陀螺一样自由旋转，直到由于摩擦而最终减速停下。但如果顺时针旋转，就会发生奇怪的事情：短暂旋转，减速，停止，逆转旋转方向。布雷彻说，这种行为来自顶部的非对称形状，它产生了一个力矩，该力矩抵抗顺时针旋转，并将摇摆运动转换为逆时针旋转。