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zhbw62369229的博客

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量子效应可见  

2011-01-19 09:43:14|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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  1 量子效应可见于宏观物体

  量子物理学巨匠玻尔的名言是:“如果有谁第一次听到量子理论时没感到困惑,那他一定没听懂。”

  这句话恰可以形容量子的理想实验——“薛定谔猫”。这是一只密闭在装有少量镭和氰化物容器里的可怜小猫,若镭发生衰变,将触发机关释放出氰化物,猫就必死;若镭不发生衰变,猫就存活;而根据量子理论,只要我们没去观察它,镭可以是处于已衰变和未衰变两种状态的叠加,猫也因此处于死猫和活猫的叠加态。

  虽看似荒谬,但人类若要建立量子计算机,首要任务就是控制这样一种既非此态又非彼态的量子态。不过,该状态一直以来只见于微观中的原子,并没有出现在宏观的物体上。

  但在今年,美国加州大学圣巴巴拉分校的科学家首次成功地将人眼可见的物体置于了“薛定谔猫”态——他们让一个微小“量子鼓”处于动和不动的叠加状态。其关键点是利用了一个遵循量子力学法则的电路做推力。当量子电路置于“推”和“不推”的叠加态时,精密测量仪器显示“量子鼓”也随之身处振动与不振动之间。它证明了量子力学原理不但适用于原子,也的确可见于宏观日常物体,该观测证据对量子计算机的研发,乃至物理学本身都具有非同小可的意义。

  而游走在生与死边缘的薛定谔之猫,名气就快要打败对手巴普洛夫的狗和达尔文的雀了,在“科学史上最著名动物”的行列里越站越靠前。

  2 美俄科学家合成第117号元素

  超重元素家族可能又添“新丁”了。4月7日,在超重元素合成方面一向表现不俗的俄罗斯杜布纳联合核研究所宣布,他们与美国同行合作,借助粒子回旋加速器,用钙48原子轰击锫249原子,首次生成了6个拥有117个质子的新原子。这种新元素可能就是科学家一直寻找的第117号元素,这将填补目前已被发现的第116号和118号元素之间的空缺。

  门捷列夫元素周期表自1869年问世以来,就为人类认识自然提供了一把标尺,随着在自然界中发现或者实验室产生的新元素不断加入填充,这把尺子的刻度也越来越精准。原子序数超过103或105的元素习惯上被称作超重元素。当原子序数超过110之后,随着原子序数的增加,原子核的寿命会急剧下降。不过,核物理学家结合原子核壳体结构模型推测,在114号元素到120号元素之间,可能会有一些寿命很长的元素,其所占据的区域即为超重“稳定岛”。

  迄今为止,实验室中似乎已经合成了很多超重元素,但其存在时间大多在秒和毫秒的量级,因而始终未能帮助科学家登上“稳定岛”。不过,117号元素的现身,也许能够成为通往“稳定岛”的又一座航标。而对超重元素的研究,将为元素周期律、原子核结构、元素起源和天体演化等提供更加充分的科学论证。

  新元素暂命名为ununseptium,如果其他研究能够再次独立将其合成,那么它将获得认可,在化学元素周期表上正式占据自己的一席之地。   

  3 深空探测飞船扬起“太阳帆”

  我们一直渴望摆脱对火箭的单一依赖,让全新动力的宇宙飞船承载着人类的梦想遨游天际。其中,以太阳帆方式利用太阳光子压力被认为是一种最有希望的选项,且近年来已有了操作的可能。以太阳光能为动力,宇宙飞船可免携大量燃料,因而比传统飞船更经济,机动范围也更大。只要沐浴阳光,它便会不断加速飞行。

  虽然太空帆的构想在天文学家开普勒的年代已有之,但却一直难以研发出光帆的材料及在太空中展帆的技术;预想中太阳帆提供的微弱动力,也不适于作深空探索之用。美国2001年和2005年曾两次发射此类型试验机,均告失败。

  亦由于此,日本今年的深空太阳帆“伊卡洛斯”号才更加引人注目。在当地时间5月21日,“伊卡洛斯”号作为世界首艘依靠太阳光能驱动的深空太阳帆动力飞船发射升空。不到一个月后,日本宇宙航空研究开发机构宣布,“伊卡洛斯”号完成最令人担忧的步骤——成功展开了其14米见方、却仅7.5微米厚的帆。又数日,太空帆船的全景图像得以公布。

  “伊卡洛斯”号成功亮剑,意指金星。自此,畅游寰宇的人类智慧结晶中,除使用燃料助推的传统太空飞行器,还多了一艘利用光帆反弹太阳光子压力作为航行动力的太空之船。它的扬帆远行,将会是人类太空探索一场技术革新的开端。

  4 人造细胞在实验室诞生

  “我们称它为‘人造儿’,因为这个细胞完全来自于合成的染色体,用4瓶化学物质在一个化学合成器下制造而成。”5月20日,有“科学怪人”之称的美国生物学家克雷格·文特尔带着自己的最新作品——实验室培育出第一个由人工合成基因组控制的细胞站在了舆论的风口浪尖。

  实验原理听上去很简单:首先用计算机进行基因排序,人工合成丝状支原体的DNA(脱氧核糖核酸),然后将这种人造DNA放入内部挖空的山羊支原体中,最终使其产生并只保留带有人造DNA的细胞,人造细胞不断繁殖,“人造儿”诞生了。

  基因技术的研究总是伴随着伦理纷争,文特尔因“人造儿”在一瞬间被拔到了上帝的高度,面对着“人类能否充当造物主”的质疑。大众媒体称这是世界首个人造生命,好在有《科学》杂志以及一些专业科技媒体发表观点以正视听:对于人造生命来说,在体外合成基因组固然重要,但人造基因适合在什么样的母体环境中生长,目前我们并不清楚,更谈不上制造,文特尔的研究其实只是在模拟生命。

  此项成果令本世纪初方诞生的合成生物学也受到了前所未有的关注。支持者认为,未来量身定制的合成基因组可用于开发清洁燃料、新疫苗及廉价药品;反对者则担忧,人工合成的生物系统一旦逃逸到自然界,可能会引发生态灾难,甚至会被恐怖分子利用。12月16日,负责生物伦理问题研究的总统委员会正式向美国总统奥巴马提交《合成生物学报告》,建议“谨慎推进”相关研究。这也正代表了目前科学界的主流观点:虽然人造生命的可能性远在未来,但确定这类技术的伦理界限并制定监管措施以防范和控制风险,却很有未雨绸缪的必要。

  5 首架纯生物燃料驱动飞机试飞

  航空业终于用行动证明,坐飞机“低碳出行”有盼头了。

  6月8日,世界首架纯生物燃料驱动的飞机“新一代钻石DA42”进行了一次意义非凡的飞行。这架100%采用海藻生物燃料作为动力的“绿色”飞机首次证明,生物燃料技术完全可以独立为飞行提供能量。

  全球变暖让航空业的温室气体排放成为众矢之的,日益枯竭的化石能源也迫使业界急切地想要找到传统航空燃油的替代品,其中最被寄予厚望的就是以海藻为代表的第二代生物燃料。一系列测试表明,作为“普适性”燃料,它既能和传统的航空燃油混合,也可完全取而代之,直接驱动飞机,并且其与现有飞机的兼容性也非常好。

  虽然海藻生物燃料真正大规模走向实用还面临很多制约瓶颈,比如成本过于昂贵,技术可靠性还有待改进,但它的优势也是明摆着的:洁净环保、价格比深受地缘政治和国际游资双重影响的石油更容易控制,生长快,给点阳光和水就能“灿烂”,不会与粮争地等等。再加上航空公司受减排政策所限,超出排放额度就得掏大笔“买碳钱”,在经济和环保的双重压力下,启用生物燃料的步伐定会加快。芬兰和德国的航空公司均已宣布,明年春天将在部分定期线路上使用生物混合燃料试航。随着技术发展,生物燃料与传统燃料的比例将逐步从目前的5∶5提升到9:1,直至100%采用生物燃料。我们有理由相信,毫无愧疚地选择飞机出行的那一天为期不会太远。 

  6 人类皮肤细胞直接转化成血液细胞

  科学界最初认为,细胞分化是一种单向行为:胚胎干细胞中分化成各类体细胞,一旦分化过程结束,这些细胞就各司其职,逐渐形成人体的神经、血液、皮肤、骨骼等不同组织,无法再转变身份。

  2007年,经由皮肤细胞培育而来的诱导多功能干细胞(iPS细胞)诞生,细胞分化出现了体细胞“反转”成iPS细胞后重新发育的现象。

  到了今年11月7日,关于细胞分化的认识又上了一个台阶:加拿大麦克马斯特大学科学家彻底抛弃了iPS细胞这一具有风险的“中介”,首次直接让人体皮肤细胞“转岗”干起了血液细胞的活,细胞转换“职业”的效率不仅更高,所需的时间也更短。

  这项研究的直接意义不言而喻,新的造血方法不仅过程简单,所得到的血液功能正常、质量更佳,而且避免了排异以及产生癌症肿瘤的隐患。如果技术发展成熟,“血荒”有望成为历史,而再生医学领域也将呈现一番新面貌,未来或许可以借助特定的转录因子,直接利用包括皮肤细胞在内的各种体细胞培育所需的器官和组织。 

  7 LHC重现迷你“宇宙大爆炸”

  欧洲大型强子对撞机(LHC)在一年一度的十大科技新闻中上演了“帽子戏法”。自2008年来,这台圆环状的实验装置声名鹊起,毋需再赘言其规模与耗资,眼下LHC之所在,就是物理学者们朝圣之乐土。

  在今年,继9月份LHC的紧凑缪子线圈(CMS)探测器实验制造出“炼狱般”的极端环境后,科学家又在LHC的另一台探测器大型离子对撞机(ALICE)中,以近光速对撞的铅离子重现迷你版“宇宙大爆炸”。两次实验皆产生了炽热黏稠的夸克与胶子,这种在大爆炸初期填满宇宙之物,可佐证LHC于某种程度上模拟出了大爆炸后几微秒的状态。

  彼时即有评价认为,LHC今年的实验成果可用于解释137亿年前宇宙诞生之初的物质形成过程,称其开拓了全新的物理研究领域,或成回答粒子物理学许多关键问题的弥足珍贵的一环。

  果不其然,11月份ALICE实验的数据分析出炉,颠覆性结论得出:宇宙的形成初态乃是灼热浓厚的液体,而非一直以来世所公认的气态。混沌之初的物质形态,是雾霭苍茫,还是波涛横溢,再次让科学家们牵萦于心。

  几家欢乐几家愁。12月,CMS实验小组宣布:高能对撞制造黑洞失败。而在LHC当前的能级范围内产生黑洞,乃是根据那“最有前途”的弦理论所作的预测。这一理论拥趸无数,且久未逢敌手。它究竟是尚待圆满,抑或大谬不然,且待2013年LHC开足马力之时。

  8 “天河一号”登全球超级计算机榜首

  全球超级计算机500强排行榜11月14日在美国公布,中国“天河一号”超级计算机以每秒2570万亿次的实测运算速度,成为世界运算最快的超级计算机。这也是中国第一台千万亿次超级计算机。

  作为全世界最权威的超级计算机排名榜,TOP500从1993年起以计算机实测速度(Linpack测试值)为基准,每年两次发布世界上最快的500台超级计算机排名。而来自欧、美、日之外国家的超级计算机首次登上榜首位置,引起多个国家和专家的高度关注。榜单公布前,嗅觉灵敏的《华尔街日报》已称,中国新研制的超级计算机有望称雄,再显中国日益强大的科技实力可能给美国带来的挑战。

  以往,由超级计算机霸主美国包揽此榜单的第一到第十名,乃是件寻常之事。而最新榜单中,中国在前十位中已占有两席,仅次于美国,昔日魁主美国橡树岭国家实验室“美洲虎”超级计算机也被迫下滑一位。这标志着,中国不但是继美国之后世界上第二个可研制千万亿次超级计算机的国家,且能超越前路之人。而与这个变化本身相比,更重要的是变化背后的这份努力。

  9 反氢原子存在时间达到0.17秒

  0.17秒,对于普通人来说眨眼即逝,但对欧洲核子研究中心捕获反物质的科学家而言,这短短一瞬意味着一个实质性的突破。

  按照现行理论,宇宙大爆炸的瞬间产生了等量的物质和反物质,二者若相遇,即会同时湮灭。然而今天的宇宙充斥着物质,反物质的出现只是偶然,并且现身时间极短。作为物质的我们何以存在?反物质去了哪里?

  粒子物理标准模型中的CP(电荷、宇称)对称法则似乎有助于解释这些谜题。通俗一点说,反物质就像是物质在镜中的像,它们遵循相同的物理规律,但微观世界中的CP对称性却存在破缺,多数物理学家据此认为,CP对称性的破缺表明物质与反物质在参与相互作用时存在着细微差别,这最终导致了两者的数量差异。

  “抓住”反物质并将之与物质进行比较,成为反证这一对称理论以及标准模型有效性的关键,最佳的入手对象自然就是最简单的氢原子。15年前,科学家首次制造出了反氢原子,但它们只存在了几微秒,根本无从窥得其真面目。直到今年11月17日,《自然》杂志报告了一个令人振奋的消息:科学家利用磁场“拖延时间”,将38个反氢原子困住长达0.17秒,从而将反物质的存在时间从之前的百万分之一秒量级提高到十分之一秒量级。

  捕捉反物质的技术正在突飞猛进。在这一实验的基础上,研究人员又成功将反氢原子引导到一个真空管中研究其飞行速度,并朝着制造反氢原子束的目标进发。

  10 集光电纳米器件于一体的新芯片问世

  一种运行速度更快、传输信息量更大、体积也更小的计算机被称为“光脑”。虽然概念陌生,但制造它的努力早在半个世纪前就已开始。“纯种”不易做到,科学家们便先尝试光电“杂交”,于是才有了IBM公司集光电纳米器件于一体的新芯片。

  CMOS(互补金属氧化物半导体)集成硅纳米光子学技术,旨在将电子和光子纳米器件集成在一块硅芯片上,使计算机芯片之间通过光脉冲而非电子信号进行通讯。12月2日,IBM在东京发布了这款新芯片,并已研发出一套集成超密集的硅纳米光子学器件。

  据此,计算机专家有望研制出比传统芯片更小、更快、更低耗的芯片,向着媲美人脑的亿亿次超级计算机的康庄大道迈进。

  在此前数年,光电设备集成上的技术不足,一直让心念着“海量数据快传”的科学家们掣肘难书。而今IBM十年磨此一剑,其背后是硅光子学的理论支撑,熟透了的硅工艺也成为了硅光子学迅猛发展的坚实技术后盾。在信息功能材料及器件等诸多领域,硅光子学只是小荷才露尖尖角。无怪有人预言,21世纪会是光脑世纪。


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