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  很多科学家认为,2012年将是“上帝粒子”现身之年;媒体也大都将焦点聚集在位于瑞士日内瓦的大型强子对撞机(LHC)之上,人们迫切期望LHC能在今年搜寻到被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子的“芳踪”,为人类了解宇宙进而了解人类自身提供更多的线索。与此同时,也有一些科学家正在潜心从事一些同搜寻希格斯粒子一样具有挑战性的实验,虽然这些科学家以及他们的实验并非那么广为人知,但其作用同寻找“上帝粒子”一样,都是为了解开盘旋在人类心中很久的一些谜团。英国《自然》杂志网站近日为我们列举出了如下5大颇具挑战性的实验。

  寻找外星生命的“蛛丝马迹”

  美国哈佛—史密森尼天文物理中心的天文学家大卫·夏邦诺1999年时还只是哈佛大学的一名研究生,但是,他首次观测到了另一个太阳系的一颗行星通过其母星表面时,母星光度的轻微下降。现在,这样的“凌日”法是天文学家们发现行星的重要方法。科学家们可以借用这一方法了解行星和其大气的结构。当行星经过其母星,母星光线便会经过行星的最外层大气,通过仔细分析该母星的光谱,便能得知该行星的大气成分。如果科学家们能证实行星的大气中确实包含有氧气,那可能暗示这一行星上存在生命。但是,探测到氧等元素的唯一方法是在通过该行星大气的星光光谱中找到它们,而这种信号非常弱。

  夏邦诺解释说:“起初,行星遮住的光线很少,一颗木星大小的行星行经一颗类似太阳的恒星时,会遮蔽约1%的光。而一颗更小的、地球一样大小的行星可能只能遮蔽约0.01%的光。接着,我们会看到该行星周围的‘洋葱皮’,那就是大气。”仅仅只有通过洋葱皮的星光拥有天文学家们正在寻找的光谱信息,然而,对于像太阳一样大小的恒星和像地球一样大小的行星来说,这无异于大海捞针。因此,利用“凌日”法了解系外行星存在诸多困难。

  不过,夏邦诺表示,尽管目前还没有望远镜拥有探测到太阳本身的光线发出的微小信号所需要的灵敏度,但是,木星大小的气体巨星的大气比地球大小的气体巨星的大气大,相应地,其光谱信息也更多。自2005年开始,哈勃太空望远镜和斯皮策太空望远镜等轨道望远镜已经采集到了大约40个气体巨星的大气光谱。夏邦诺说:“尽管最初的观察结果受到了科学家们的质疑,因为这些气体巨星并非那么普通,也并非那么富有争议。然而,这是我们迄今获得的与类地行星有关的所有信息,而且,以前没有人做到这一点。”

  科学家们的最新研究成果是获得了“超级地球”GJ 1214b的光谱,该行星的直径约是地球直径的2.6倍,距离地球仅40光年,环绕着一颗红矮星运行,是当前发现的唯一一颗超级地球系外行星——质量在地球和海王星之间,并具备稳定的大气层。科学家们对这一行星进行的分析表明,该行星的大气中充满了水蒸气或者云,而几个月前,夏邦诺和同事使用哈勃望远镜也证实了这一点。

  探测一颗类日恒星周围的一颗类地行星的大气结构为我们提供了最好的机会,让我们得以探测该行星上的生物活动,不过,这种探测仪需要具备极高的灵敏度。夏邦诺热切期望美国国家航空航天局(NASA)计划了很长时间且多次延迟发射的哈勃望远镜的继任者——耗资80亿美元、预计将于2018年发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜确实能按时进入预定轨道。他说:“如果情况真这样就好了,我们或许可以依靠它在其他星球上找到生命。”

  看穿手性分子的“镜像”

  生物学上存在着一种奇妙的不对称,存在着一些化学中结构上镜像对称而又不能完全重合的分子,这两种分子拥有完全一样的物理、化学性质。但是从分子的组成形状来看,它们依然是两种分子。这种情形像是镜子里和镜子外的物体那样,看上去互为对应。由于是三维结构,它们不管怎样旋转都不会重合,就像左手和右手那样,因此,科学家们将其称为手性分子。当化学家们在实验室制造这种分子时,一般会得到两种形式的混合分子,而且,依照惯例,会给它们贴上左手性或右手性的标签。但活细胞一般仅仅由左手性分子制造而成,没有人知道为什么会这样。

  一种可能的解释是,标准粒子物理模型预测的自然界中四种基本力中的一种——弱相互作用调停着原子核和电子之间的某些相互作用,其对左手性和右手性分子的影响不同;而包括重力在内的其他力在每个版本的镜像宇宙中都是一样的。法国巴黎第13大学的伯努特·达奎解释道,从理论上而言,弱相互作用或许导致一种形式的手性分子同其镜像“双胞胎”分子的能态稍微有些不同,大约有1015分之一到1020分之一的差异。因此,如果一种形式的手性分子的振动频率为30太赫(频率单位,等于百亿赫),那么,它与对应的另一种手性分子的振动频率之间的差异仅为几豪赫兹甚至几微赫兹。

  达奎表示,测量出这样的细微差异可能有助于我们解决生物学上的这个不对称难题,他的团队也正致力于做到这一点。这种差异甚至能让我们获得标准模型的弱相互作用理论的某些参数的值。

  据达奎所知,他们的研究团队是目前全球唯一试图解决这一难题的团队。他花费了整整3年来组建这个由实验物理学家、量子理论学家以及化学家组成的实验团队。他们现在需要解决两个问题:首先,他们需要制造出分辨率极高的光谱仪来测量手性分子的能级。迄今最好的光谱仪能够识别出5/1014的能级差别,而他们需要的光谱仪的清晰度将约为目前市面上最好的光谱仪的100万倍。他们现在正在制造一个精确度更高的光谱仪。为了达到这样的灵敏度,他们的机器不能受到任何外部振动的影响,而且需要稳定地维持在0.1摄氏度以内。另外,为了能在测量分子振动频时获得所需要的精确度,达奎的实验室使用了一个分子时钟,其通过一个光纤网络与位于法国巴黎的世界时间标准原子钟相连。

  科学家们面临的第二个挑战是制造出测试分子,且测试分子的不对称效应要大到足以被测量出来。因此,这个分子的中央原子应该很大,因为原子理论认为,这样会让不同形式的手性分子之间的能态差异最大,而且,当将其加热到光谱仪所要求的气体状态时,分子本身也不会分崩离析。该研究团队认为,最好的分子很有可能是甲基三氧化铼这样的分子,其两个氧原子被硫和硒所取代。不过,即使科学家们发现了一个能很好地用来做实验的分子,他们仍然需要一年时间来进行足够多的测试工作以增加信号与噪音之间的比率并得到更准确的数据。达奎表示:“问题越困难,当你解决它的时候,你就会越高兴。”

  达奎表示,即使他们的实验并不能解决生物学上的这一难题,他们也不会因此而失望,因为,他们正在研发的技术将可用于对很多基础物理学理论进行测试。他说:“科学家们正在对能级更高或更低的粒子进行精确的测量,分子越复杂,测量需要解决的问题就更多,因此,我们正在研究的技术和工具将大有用武之地。”

  寻找额外的空间维度

  我们一直认为世界只拥有三维立体空间——左右、前后、上下,我们也认为这是一个颠扑不破的真理,无法想象还会有与其不同的情况。但超弦理论和其他试图设计出统御世界的“万物之理”的诸多尝试让很多物理学家提出了一个新观点:空间不仅仅只有三个维度。其他额外的维度很可能紧密地簇拥在一起,并因此而藏匿于我们的日常经验之外。不过,这些额外的维度也并非完全隐形,它们会对牛顿经典重力理论所预测的重力产生非常轻微的影响。能够探测到重力在这种尺度上的细微变化的实验因此能“看到”任何其他的维度。

  美国华盛顿大学实验核物理和天体物理学中心的艾瑞克·阿德尔伯格于1999年首次听说了这种想法。他说:“有些人认为这种想法很疯狂,但是,也有些人认为这一想法很酷。”他和同事决定亲自测试这一想法。“还有比发现我们对世界维度的理解是错的更令人兴奋的事情吗?”

  阿德尔伯格团队选择的工具是扭秤。他们对英国杰出的物理学家和化学家亨利·卡文迪什在上世纪70年代晚期首次用在实验室测量重力的扭秤进行了改良。在他们设计的现代版扭秤中,一个金属圆筒悬挂于一条丝线下,因此,圆筒能自由地扭转。圆筒底部黏贴着一个名为探测器的圆盘,圆盘上钻满了一圈小洞。距离第一个圆盘几微米之下的地方放置有第二个具有同样钻洞的名为吸引盘的圆盘。当该吸引盘旋转时,其上的小洞之间的物质会对名为探测器的圆盘上的小洞之间的物质施加一个微小的引力。这种力会让悬挂圆筒的丝线发生扭曲,导致圆筒旋转几十亿分之一度。

  为了确保探测器圆盘是对重力而非其他力作出反应,以上设备必须完全由非磁性材料制成,并且所有材料的表面都需要用金包裹以便让电荷在设备上传播开来。这些设备也必须被制作得非常完美且不能受到任何震动(包括汽车驶入外面的停车场产生的震动等)的影响。阿德尔伯格表示:“我们在周末午夜到凌晨四点得到的数据最好。得到好数据的时间实在太短暂了,这令人有点沮丧。”

  迄今为止,阿德尔伯格团队能够确定的是,不存在大于44微米的额外维度。他的两名研究生以及全球其他科研团队正努力让这一极值变得更小。但是,他表示,额外的维度越小,他们所需要耗费的时间就越长。他说:“如果存在着一个30微米的维度,那么,验证它的存在将花费1年。”

  但是,阿德尔伯格似乎不惧这种不确定性和可能面临的诸多困难,他相信他们一定会成功。他说:“事情越困难,当你解决事情的时候,你的感觉就越好。”

  捕捉引力波

  美国国家射电天文台的天文学家斯科特·兰瑟姆目前正尝试通过观察银河系中最精确的自然钟——脉冲星来捕捉爱因斯坦广义相对论最基础的一个预测——引力波。他说:“引力波将为我们打开一扇新窗户,让我们可以以全新的角度认识宇宙。如果捕捉到引力波,我们就能用质量代替光来理解宇宙。”不过,他也表示,这一研究可能要耗费10年才能得到第一个结果。

  兰瑟姆表示,关于万有引力的本质是什么,牛顿认为其是一种即时超距作用,不需要传递的“信使”;而爱因斯坦则认为万有引力是一种跟电磁波一样的波动,并将其称为引力波。爱因斯坦认为,引力波是时空曲率的扰动以行进波的形式向外传递。兰瑟姆说:“就像轻轻摇动一个电子就会导致周围的电场和磁场出现波纹来向外传递光和其他形式的辐射一样,当你摇动某些庞然大物时,它就会释放出引力波。”

  然而,遗憾的是,即使一种非常大的引力波泼洒在地球表面,也只能将地球稍微压扁,导致其直径增加约10纳米左右。很多地面实验希望能探测到这样的细微抖动,比如,由加州理工学院和麻省理工学院携手进行的激光干涉引力波观测站(LIGO)就一直试图将引力波的真正信号与驶过的车辆产生的噪音、雷声甚至100公里远的海波的涨落所导致的背景噪音分离开来。

  兰瑟姆和热心这项研究的同事正朝着一条他们认为更简单易行的道路前进:他们希望通过观察脉冲星来获得引力波的信号。脉冲星是一种超级稠密的星体,其中有些脉冲星一秒钟之内会旋转数千次,每次都会释放出一束辐射,时间不足100纳秒。该研究团队希望监测大约20个这样的遍布整个天空的脉冲星,以找到非常低频的引力波收缩或者扩展它们和地球之间的时空所导致的辐射时间的偏差。他们认为,信号最强烈的引力波的一个来源是遥远的、相互碰撞的星系内质量庞大的黑洞长达数年的跳动。

  兰瑟姆是10个致力于解决这一问题的人中的一个,这些人由国际脉冲星计时阵联盟统一协调。好消息是,他们不需要额外研制任何工具:现在世界上最大的单碟片望远镜——位于波多黎各的阿瑞西波无线电望远镜能胜任这项工作。坏消息是,需要对脉冲星进行大约10年的监测工作才能捕捉到环绕黑洞旋转的脉冲星发出的引力波。迄今为止长达5年的研究中,他们仅仅对6颗脉冲星进行了计时测量。

  兰瑟姆表示:“让我们感到兴奋的事情是,随着时间的推移,我们发现引力波的机会越来越大,只要我们有信心,我们就能看到引力波。”

  对千克进行重新定义

  自1889年以来,“千克”这一重量是由放在法国巴黎国际度量衡局(BIMP)的一个铂铱合金(90%的铂,10%的铱)圆筒所定义,它的高和直径都是约39毫米。该合金于1879年制成,经仔细调校,符合自18世纪法国大革命以来“千克”的重量,并于10年后被采纳,成为国际千克原器。国际千克原器被放置在巴黎市郊的地下室内,人们一直认为这一合金的质量不会改变。

  在国际单位制里,除了“千克”,其余6个单位“米”“秒”“安培”“摩尔”等都不是以物体来定义的,质量是唯一一个以物体来定义的国际单位。用物体来定义重量单位的一个缺点就是物体的重量会随着时间的流逝而改变。实际上,到了1992年,国际千克原器的质量就发生了变化。经与其他“千克”原器相比,国际千克原器变化了约50微克,相当于一个直径0.4毫米的小沙粒。BIPM质量部主管艾伦·皮卡德说:“确切地说,我们无法确定它的质量是多了还是少了。这一变化可能是由于表面影响,失去了表面原子或结合了污染物。”

  美国国家标准与技术研究院工程师乔恩·普拉特表示:“到了我们需要对千克进行重新定义的时候了。”普拉特是参与重新定义千克的诸多度量衡学者中的一名。

  参与这项研究的科学家们的基本想法是让千克成为基本的物理学常量,就像现在用光在真空中的行进速度来定义米一样:在真空中行进的光在299792458分之一秒内旅行的距离为一米。有鉴于此,这些科学家正研究以更稳定的量子力学常数——普朗克常数h取代物体,重新对“千克”下定义,并尽快达成200年来科学界寻求用稳定数字来统一度量制度的目标。物理常量普朗克常数反映的是量子力学中能量子的大小,每一份能量子等于hv,v为辐射电磁波的频率,h为普朗克常数。将这一等式与更加著名的E=mc2结合在一起,科学家们就可以据此定义质量了。

  然而,为普朗克常数确定一个精确的数值本身也是一项非常复杂的工作,目前科学界有两种不同的方法来确定普朗克常数的数值,而他们得到的结果却并不一致,由此也让科学家们对千克进行重新定义变得更加困难。

  其中一种方法利用的是瓦特平衡法(也叫瓦特天平)来定义普朗克常数。科学家们的想法是:瓦特天平的一端包含有一个普通天平,刚开始,研究人员把一个质量为m的物体悬挂在普通天平的一端,另一端挂着一段总长为L的线圈,线圈位于一个磁场强度为B的磁场中。在线圈中通以强度为i的电流,线圈就受到了一个大小为BLi的力的作用。仔细调节电流强度直至天平恰好平衡(也就是使mg=BLi),再通过一系列等式就可以与普朗克常数联系起来。但实际情况却并非如此简单。科学家们仍然需要测量其他数值,比如,本地重力的大小、最大的误差源以及避免任何形式的振动。

  2007年,普拉特采用瓦特天平法测量出了迄今最精确的一个普朗克常数数值——6.62606891×1034Js,误差相对不确定度为36/109。但是,另一个由英国国家物理实验所(NPL)制造、现放置于加拿大国家研究委员会国家测量标准研究所的测量仪器提供了一个不同于美国国家标准与技术研究院的结果,其数值更小。

  另外一种获得科学界认可的测量普朗克常数的方法是计数一块纯物质样本的原子数的数量,科学家们由此可以确定阿伏伽德罗常数(0.012千克碳12中包含的碳12的原子数量)的大小。而阿伏伽德罗常数通过另一系列等式,也可以与普朗克常数产生关联。

  2008年,德国联邦物理和技术事务研究所的科学家开始利用两个几乎完美的1千克半球进行试验,半球由纯度高达99.995%的硅28制成。自此,他们开始使用高精度的激光干涉仪来确定半球的体积;使用X射线衍射来确定其晶体结构,以便更加精确地计算出原子的数量。到目前为止,他们测出的阿伏伽德罗常数为6.02214082×1023,误差相对不确定度仅仅为30/109。他们再经过一系列等式和换算后得到的普朗克常数的数值与英国国家物理实验所的瓦特天平测量法提供的结果相符合,但与美国国家标准与技术研究院给出的数值不符。

  截止到2010年,普朗克常数的推荐值一般定义为6.62606957×1034Js,其相对不确定度为44/109。有些人表示,这一数值足以用来对千克进行重新定义。但是,也有人认为,需要将误差相对不确定度缩小到20/109才能对千克进行重新定义。

  普拉特表示:“要想做到这一点可能还需耗费一段时间,我们还要进行一些更严苛更困难的测量工作。”

  据国外媒体报道,鉴于国际千克原器质量的变化给物理学家带来了巨大的理论挑战,尤其是对那些需要精确测量的复杂实验而言,因此,在去年10月21日召开的第24届国际计量大会上,国际单位委员会决定淘汰千克原器,用基于普朗克常数h的数值来代替“千克”。

  大会还表示,在2014年之前“将不会采用这一常数”,此前还将通过实验评估测量技术的精确性,以确保相对不确定度在20/109以内。如果今后用普朗克常数来表示质量,日常生活不会受到任何影响,比如要买500毫克阿司匹林、半公斤胡萝卜或一艘5万吨的游船,千克仍然是千克。然而,这一变化却会立即对专业实验室的高精检测产生重大影响。

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channelId 1 1 《自然》评出2012年五大挑战性科学实验 1 很多科学家认为,2012年将是“上帝粒子”现身之年;媒体也大都将焦点聚集在位于瑞士日内瓦的大型强子对撞机(LHC)之上,人们迫切期望LHC能在今年搜寻到被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子的“芳踪”,为人类了解宇宙进而了解人类自身提供更多的线索。