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盘点2013科学突破 人类发现并捕获"上帝粒子"

http://www.kexue.com 2013-12-17 08:52:59 科学网  发表评论

  科学网(kexue.com)讯 北京时间12月17日消息,随着2013年接近尾声,又到了一年一度的年终盘点时刻。本次盘点将焦点集中于科学界,看看在这一年中科学家们究竟取得了哪些值得铭记的丰硕成果。

  反物质或被证明存在

  目前科学家们正在对反引力进行测试,这或可能会革命化物理理论并改变我们对宇宙的理解。反引力是常出现在电影《星际迷航》和其它科幻小说里的特殊力,它使得企业号飞船能够无需使用燃料而在不同恒星之间推进。现在科学家们相信他们距离调查反物质以及解释它能够与引力背道而驰的理论更近了一步。

  欧洲核子研究委员会(CERN)的物理学家正在欧洲粒子物理研究中心里利用一个特殊的磁烧瓶产生和储存反氢原子或者反物质。CERN的研究小组计划缓慢的关闭磁场观察原子是否会落下还是上升。如果它们上升,而非因引力作用而下降,那么科学家们将发现反物质的新引力特性,整个物理学理论将被改写。

  如果这一理论被证明了,它将提供引力存在时宇宙是如何膨胀的以及宇宙大爆炸的解释。根据科学理论,宇宙大爆炸后宇宙中存在的每一种物质都应该伴随着相同数量的反物质。当相应的原子相遇时,它们会彼此湮灭。然而,科学家相信这两种原子之间还是存在细微的差别,使得物质能够横扫反物质从而推动宇宙的发展。

  中国科学家率先"看见"氢键

  国家纳米科学中心的研究人员利用原子力显微镜技术在实空间观测到分子间氢键和配位键的相互作用,在国际上首次实现了对分子间局域作用的直接成像,通俗地说,即第一次“看见”氢键。

  11月1日,美国国家科学促进会的《科学》杂志以“Report”的形式正式发表了该项成果,并在同期的《This Week in Science》栏目以《看见氢键》为题评述了这一研究成果。《科学》两位审稿人在评价这项工作时称“是一项开拓性的发现,真正令人惊叹的实验测量”,“是一项杰出而令人激动的工作,具有深远的意义和价值”。

  氢键是自然界中最重要、存在最广泛的分子间相互作用形式之一。这项工作的主要完成人之一、国家纳米科学中心研究员裘晓辉介绍,氢键的研究历史,最早可以追溯到19世纪后半叶人们对气态水合物的研究。1936年,诺贝尔化学奖获得者Pauling在其出版的《化学键的本质》一书中,首次正式提出了氢键的概念。一个多世纪以来,虽然人们对氢键本质的认识不断加深,而直到目前为止,关于氢键的本质还无定论。此前,对氢键特性的研究主要借助于X射线衍射、拉曼光谱、中子衍射等技术进行间接分析,但是从来没有真正地看到过氢键。

  人类首次捕捉到神秘宇宙中微子

  20世纪30年代,科学家发现原子核在衰变前后的能量不一致。物理学家泡利对此提出假设,有种粒子“窃走了”能量。这一假说在25年后终被证实,这个窃走能量的“小偷”就是中微子。

  中微子是一种非常小的基本粒子,广泛存在于宇宙中。它可以自由穿过地球,很难与任何物质发生作用,难以捕捉和探测,被称为宇宙间的“隐身人”。曾有科学家打比方说:“即便用我们整个太阳系那么大的一块铅,也不可能把一个宇宙中微子拦下。”

  在自然界里,中微子产生于太阳内的放射性衰变过程或者宇宙射线中,它可以揭示宇宙质量及浩瀚太空中各种星体的许多奥秘。这种粒子与宇宙发展和“暗物质”的存在有直接关系,有可能成为人类打开新物理学之门的钥匙。除理论研究外,中微子的特性还有可能被应用于通讯、地球断层扫描等领域。中微子是近年来物理研究中的一个热点。2002年,美国和日本物理学家因“宇宙中微子探测”方面的成就摘得当年的诺贝尔物理学奖。

  量子存储态在室温下成功维持39分钟

  加拿大西蒙-弗雷泽大学迈克-斯沃尔特教授领导的一个国际团队在最新一期《科学》期刊上报告说,他们在室温下使脆弱的量子存储态维持了创纪录的39分钟,从而将此前在硅基系统中编码信息“量子比特”25秒最长持续时间提高了近100倍,克服了超高速量子计算机研究的一大障碍。

  斯沃尔特称,此项研究成果开启了量子信息在室温下实现真正长时存储的可能性。在常规计算机中,数据“比特”只能存为1或0;而在量子计算机中,量子比特则可存为同时处于1和0的叠加态,因此能同时执行多次计算。但量子比特的问题在于其不稳定性,器件通常会在不到一秒的时间里“失忆”。

  在《吉尼斯世界纪录大全》中,目前还没有量子比特持续时间的记录。此前的非官方纪录是,固态系统中最长时间为25秒,深冷温度下的最长纪录为3分钟。

  数学难题"罗塔猜测"被证明

  一个由新西兰维多利亚大学数学家杰夫-惠特尔、加拿大滑铁卢大学数学家吉姆-吉伦和荷兰马斯特里赫特大学数学家伯特-杰拉德斯组成的研究团队日前宣称:他们经过15年的艰辛努力,终于找到了所有的必要的证据去证明著名的罗塔猜测。此消息一出,震惊数学界。

  罗塔猜测是美国数学家和哲学家吉安-卡洛-罗塔1970年在法国尼斯举行的第十六届国际数学家大会上提出的命题。它可简述为:对于每个有限域,都有一组有限的障碍物防止此类实现。罗塔猜测也称有限禁阵猜测;四十多年来,它在离散数学领域得到相当的关注和研究。

  罗塔猜测与数学领域内的拟阵论(几何的一种现代模式)具有相关性。拟阵论探究的是与我们所在世界完全不同的几何结构;该结构在投射下不会改变,而不是注重于距离和角度。例如,三个点是不是总能在一条直线上,四个点是不是总在一个平面上。罗塔猜测是一种运用数学去认识这些替代结构的方法。

  “解决罗塔猜测是非常特殊的,需要很多年的合作。这有点像发现了一座新的山峰。我们跨过了很多障碍到达了一个新的目的地。我们已从艰苦的旅程返回,伤痕累累。现在我们需要创造一条路出来好让别人也可以到达那座山峰。”惠特尔说。

  人类发现“上帝粒子”希格斯玻色子

  彼得-W-希格斯(Peter W. Higgs) 和弗朗索瓦-恩格勒(Fran·ois Englert)分享了今年的诺贝尔物理学奖,他们获奖的成果是在1964年提出的一项理论,该理论揭示了粒子是如何获得质量的。当时,这两位学者分别独立地发展了这项理论(当时恩格勒教授是与另一名合作者,现在已经去世的Robert Brout教授共同发展了这项理论)。2012年,他们的理论预言,即所谓希格斯玻色子的存在,得到了位于瑞士日内瓦的欧洲核子中心实验的证实。

  这项发现是构成粒子物理学标准模型的核心部分之一,这一模型描述我们所生活的世界是如何构成的。根据这一模型,万事万物,从鲜花到人体,再到恒星和行星,所有的一切都是由少数几种基本材料组成的,那就是物质粒子。

  这些粒子受力的控制,以便确保各种粒子各从其类。整个标准模型的完成需要存在一种粒子,那就是希格斯粒子。这种粒子源于一种看不见却充斥整个空间的场。尽管宇宙看上去几乎是空的,但是这种场的确存在于那里。离开这个场,我们将不复存在,因为正是借助于与这一场之间的相互作用,粒子才获得了质量。恩格勒和希格斯的理论正是描述了这一过程。

  2012年7月4日,欧洲核子中心(CERN)的粒子物理实验室,研究人员实验证实了希格斯粒子的存在。欧核中心的大型强子对撞机(LHC)可能是迄今人类建造过的最强大也最复杂的机器。正是在这里,两个研究组:ATLAS和 CMS(每个研究组都有超过3000名科学家组成)分别给出其实验数据分析结果,他们在数以十亿计的粒子对撞结果中提取到了希格斯粒子存在的证据。

  世界旋转速度最快人造物体诞生

  这项研究是圣安德鲁斯大学的科学家们进行的,他们能够让一个围观球体悬浮并且以高达6亿转每分钟的速度旋转。这种旋转速度是家用洗衣机的50万倍,而且是牙钻速度的1000多倍。尽管有许多国际性研究正在探索经典物理学和量子物理学边界所发生的状况,但是大多数试验性研究都是使用了原子或者分子。

  圣安德鲁斯大学的这个研究团队为了探索这个问题,制造了一个直径在四百万分之一米的微观碳酸钙球体。他们随后使用微弱的激光来举起这个球体,这有点像用一股水流抬升一个皮球。他们将球体放在真空环境中来消除任何气体环境产生的阻力,这就使研究团队获得了非常高的旋转速度。除了旋转之外,研究团队观察到了所有三维空间内粒子的摆动,这种现象可以被理解为运动的“冷却”。来自该大学物理学和天文学学院的Yoshihiko Arita博士说道:“这是一个非常令人激动而且引人深思的试验,它拓宽了我们对于旋转物体的理解范围。我非常看好这种技术的应用前景。我们甚至有可能深入了解量子摩擦领域。”

  人类首次成功让光停止传播60秒

  在爱因斯坦的相对论框架中,光速被认为是无法“超越”的,这个宇宙中的“极限速度”一直是科学家突破的目标,如果我们无法实现超光速运行,那么是否可以将光速减慢?来自德国达姆施塔特大学的研究人员成功将光“困”在晶体中长达60秒,该技术是实现并提高量子通信技术的关键一步。

  宇宙真空环境中传播速度最快的光也无法逃脱人类的控制,特殊的晶体介质将光的速度降低,并彻底让它“停止”,来自英国圣安德鲁斯大学科学家托马斯-克劳斯认为一分钟对于控制光速的实验而言已经是非常非常长了,这是一个重要的里程碑!

  哈佛大学的科学家们此前已经成功将光“限速”,并再次恢复光的速度,但是哈佛的实验只将光速限制在千分之一秒内,光速被限制后仅为48公里每小时(38英里每小时)

  在本次实验中,科学家将受控光速指向含有镨元素的硅酸钇晶体,通过控制激光束调节晶体的透明态和不透明态,使入射光束无法折射,最终在原子自旋的介入下控制光子携带的信息。此前也有相关实验将受控光速注入低温铷(87Rb)原子介质,达到降低光速的目的,利用偏极梯度冷却法和压缩式磁光陷阱增加受控原子团的密度。(科学网kexue.com 郑昊)

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