飞艇分析-5分飞艇分析全世界最前沿的125个科学问题

  • 时间:
  • 浏览:0

  由爱迪生投资1万美元于1860 年创办的《科学》(Science)是美国科学促使会(AAAS)出版的一份学术期刊,它是全世界最权威的学术期刊之一,也是发表最好的原始研究论文、以及综述和分析当前研究和科学政策的同行评议的期刊之一。

  在庆祝SCIENCE创刊125周年之际,该刊社发表声明了12六个最具挑战性的科学什么的什么的问题 ,认为在今后1/一一二个世纪的时间里,亲戚亲戚大伙儿将致力于研究除理哪些地方地方什么的什么的问题 。

  简单归纳统计这12六个什么的什么的问题 ,其中涉及生命科学的什么的什么的问题 占46%,关系和地球的什么的什么的问题 占16%,与物质科学相关的什么的什么的问题 占14%以上,认知科学什么的什么的问题 占9%。其余什么的什么的问题 分别涉及数学与计算机科学、与经济、能源、和人口等。

  1999年,当时还是哈佛大学研究生的戴维·夏邦诺对一一二个系中,因掠过母恒星表表皮层时,恒星亮度趋于稳定的微弱变化进行了测量,这是人类首次探测到此类什么的什么的问题 。时至今日,追踪你这俩 “凌日”什么的什么的问题 ,已成为天文学家寻找地外的常用土办法,而新的挑战在于,弄清哪些地方地方及其大气的组成成分。比如,以前发现某颗的大气中包含氧,就以前成为有生命趋于稳定的间接。但探测哪些地方地方元素的唯一土办法要是,利用恒星星光穿过大气形成的光谱,这俩 一二个极为微弱的信号。

  夏邦诺认为,最大的困难在于,“仅能遮挡恒星很小一次责”,一颗木星大小的掠过太阳大小的恒星时,能遮挡恒星约1%的,而一颗更小的、如地球大小的必须遮挡掉0.01%的。“接下来,我要我要找到这颗洋葱般的‘表表皮层’,也要是它的大气层,”夏邦诺说,必须穿过这层“表表皮层”的星光光谱,才包包含天文学家要我的信息--一一二个一来,以前地球大小的掠过太阳大小的恒星,可为科学家利用的恒星星光欠缺百万分之一。

  尽管在今天,还越来越 任何一台望远镜的分辨能力,能从恒星星光中追踪到那百万分之一的可用信号,但事情尚有转机。夏邦诺说,这是以前诸如木星一一二个的气态巨拥有比地球更厚的大气,什么都类似的光谱形态也会更明显某些。从60 5年至今,哈勃、斯皮策望远镜等空间天文台以前捕捉到约40个气态巨的大气光谱。

  对于地球一一二个的、绕着太阳样恒星旋转的,以时要选泽它的大气成分,为地外生命的趋于稳定提供最佳,就得升级观测设备,提高灵敏度。夏邦诺目前最大的期望是,发射时间一拖再拖的韦伯太空望远镜能早日升空--按目前的计划,这架耗资60 亿美元的“哈勃继任者”将于2018年发射。

  什么都具有“手性”(chiral),即中的原子趋于稳定五种互为镜像的排列土办法。当化学家合成此类时,往往得到的是包含五种手性的混合物,为简单起见,分别称它们“左手”和“右手”。奇怪的是,生物细胞通常只由“左手”构成

  有五种解释认为,这是自然界中4种基本力中的弱力决定的。粒子物理学的标准模型预言了4种基本力,其中弱力(weak force)是核子和电子间相互作用的传递者,它对左手和右手有着不同的作用,而包括引力在内的某些3种基本力,对五种手征的作用全是相同的。法国巴黎第13大学的贝努瓦·达尔基耶(Benot Darquié)解释说,理论上,弱力会是原应手性五种手征形态的能态(energy state)稍弱于另一手征形态,你这俩 差异通常为1/1015~1/1020。要是,以前五种手征形态的振动频率是60 THz(1THz=1012Hz),那另一手征形态的振动频率会差上几毫赫兹(mHz,10-3Hz)甚至几微赫兹(μHz,10-6Hz)。达尔基耶说,测量五种手征间的微小差异,将促使解释,为什么在生物偏好左手形态,而他的研究小组也为此努力。类似测量甚至能为标准模型中,弱力理论次责的某些参数提供准确值。

  据达尔基耶所知,他和同事是目前全球唯一进行此项尝试的团队。实际上,他花了3年时间来网罗研究所需的实验物理学家、量子理论专家生和熟学家。亲戚亲戚大伙儿现在时要攻克一一二个什么的什么的问题 :首先是建造极高分辨率的光谱仪,用于测量手性的能态。目前,达尔基耶小组拥有的最好设备能探察5/1014的能量差别,比普通光谱仪的分辨能力要花费要好60 万倍,眼下亲戚亲戚大伙儿正在建造一台精度更高的仪器--要达到越来越 高的精度,时要所有內部振动,温度波动不超过0.1℃。不仅越来越 ,为了在所需精度上测量振动的频率,达尔基耶的实验室还使用了一台钟(molecular clock),并通过光纤与巴黎的世界时标准原子钟保持同步。

  亲戚亲戚大伙儿面临的第六个挑战是,合成出五种手征形态不对称什么的什么的问题 足够明显的测试。你这俩 时要一一二个较大的中心原子,以前原子理论我不知道们,以前中心原子较大,能将手征形态造成的能量差异最大化。一块儿,你这俩 被加热到气态,用于拍摄光谱时,还不容易断裂。尽管达尔基耶在努力尝试,制发明权纯粹的左手或右手,但亲戚亲戚大伙儿认为,最佳的选泽以前是以甲基三氧化铼(methyltrioxorhenium)为原型,要是用一一二个硫原子和一一二个硒原子置换该中的一一二个氧原子。即便最后找到了完美的测试,亲戚亲戚大伙儿还时要一年时间来积累足够数据,以便获得可信的结果。

  以前实验结果越来越 解开生物手征谜团,该为什么在办?达尔基耶说,他不想太在意,以前亲戚亲戚大伙儿建立的技术将为检验基本的物理理论提供什么都新土办法。“通常,大多数精确的物理实验全是用高能粒子或低能原子开展,而更僵化 ,什么都能除理更僵化 的什么的什么的问题 ”。

  超弦理论(superstring theory)及某些某些构造“理论”的尝试,以前让什么都物理学家相信,空间的维度远不止于此。亲戚亲戚大伙儿认为,哪些地方地方额外的维度是强度卷曲的,什么都亲戚亲戚大伙儿根本感觉必须,但它们会在很小的尺度上影响引力,使得一一二个物理间的作用力,稍稍次责牛顿引力理论的经典结果。要是,以前能在实验中探测到微小尺度上的引力变化,他说就能哪些地方地方额外维度的趋于稳定。

  阿德尔贝格的“武器”是扭秤(torsion balance),随便说说要是18世纪90年代末,英国物理学家亨利·卡文迪许首次测量所用装置的“升级版”。在你这俩 “现代版”的扭秤中,四根金属杆用丝线悬挂起来,还时要扭动,金属杆的底端安放着一一二个探测圆盘,圆盘上钻有一系列小缝。在探测圆盘下方几微米处,还一一二个钻有类似小缝的圆盘--这是吸引盘。当吸引盘转动时,小缝之间的盘体会对探测盘的盘体一一二个微弱引力,使探测盘和金属杆转动,从而扭转悬丝,使之转动要花费十亿分之一度的微小强度。

  为了确保探测盘不受地球和吸引盘引力之外某些作用力的影响,整个装置的所有部件都时要用非磁性物质制成,要是所有部件的表表皮层全是镀上一层金,好让仪器所带电荷均匀分布。除此之外,整个装置的制作务求完美,要完全內部振动,包括停车场的车辆引起的振动。“亲戚亲戚大伙儿最好的数据是在周末午夜到午夜4点之间取得的,”阿德尔贝格感叹说,“你这俩 点很讨厌,以前你收获最佳数据的时间很有限,弄得亲戚亲戚大伙儿现在都成夜猫子了。”

  精益求精的设计让研究人员还时要排除某些影响因素,以前一一二个仍能观察到探测盘的扭转,亲戚亲戚大伙儿知道肯定有好戏上演。到目前为止,阿德尔贝格的研究小组还时要断定,在44微米及以上尺度肯定越来越 额外维度趋于稳定。他的一一二个研究生,以及全球某些10多个小组,都正在想方设法继续向微观尺度进发。不过,究竟要多久才能有所发现,取决于哪些地方地方额外维度的大小。阿德尔贝格认为,以前额外维度卷曲得太厉害,“那答案以前是永远也发现不了。以前在60 微米上有可见的卷曲,那就只需一年就能发现”。

  但阿德尔贝格似乎很享受你这俩 充满不选泽因素与挑战的过程,以前他随便说说这就像登山:“过程越,登顶的感觉就越美妙,无限风光在险峰嘛。”

  星系中最精准的盐晶 钟表--脉冲星(pulstar)时,他嘴里蹦出了一连串的“太棒了”、“酷毙了”一一二个的词来,并认为脉冲星能你还时要和某些科学家验证爱因斯坦广义中一一二个最基本的预言--引力波(gravitational wave)。“它将为亲戚亲戚大伙儿打开一扇观测的全新窗口,”他嚷嚷着,“除了‘光之眼’,亲戚亲戚大伙儿还有‘质量之眼’。”

  不过令人心烦的是,就算一系列非常强的引力波扫过地球,也只会让地球直径收缩或扩张必须10纳米,要是诸如美国激光引力波天文台类似建在地面上的引力波探测设备,永远无法摆脱背景噪声的干扰,过的卡车、雷暴甚至千里之外的海滩上起伏的海浪,全是淹没引力波信号。

  要是,雷森和他的狂热者决定独辟蹊径,采取五种成本更低土办法来探测引力波:观测脉冲星。脉冲星是密度极大的,某些脉冲星每秒能自转数千次,每次转动都向外辐射出一道脉冲闪光--天文学家对脉冲发出时间的测量能精确到60 纳秒之内。以前甚低频(very-low-frequency)引力波会扰动脉冲星和地球之间的旧旧时光,是原应脉冲时间趋于稳定偏移,要是雷森小组打算,监测分布在全天的20个脉冲星,看还时要探测到你这俩 时间偏移。亲戚亲戚大伙儿希望,通过你这俩 土办法,能探测到深处大质量黑洞数年一周的转动、星系相互碰撞等最强引力波源所产生的引力波。

  这项研究是由国际脉冲星记时阵列法学会组织的,除了雷森外,还有10多位科学家参与。特大特大喜讯是,亲戚亲戚大伙儿很多购买任何新设备,波多黎各的阿雷西博射电望远镜就可担此任。但坏消息是,要花费要持续观测十年,才能捕捉到由转动黑洞发出的引力波,目前亲戚亲戚大伙儿只对6颗脉冲星进行了连续5年的准确计时测量。

  1千克,这本应是一一二个不变的。但实际上它会变化,这是以前旧有质量标准,1千克等于巴黎郊外的一间库房中,那个有120年高龄的铂铱合金圆柱的质量。谁也我不知道这位“千克原器”(Le Grand K)究竟是以前原子落在表表皮层变重了,还是以前原子从表表皮层脱落变轻了,唯一能肯定的是,它的质量肯定在变化--是,它的哪些地方地方重量曾完全一致的克隆技术品,现在以前有了可测量的质量差别。

  重新定义千克的基本思想是,将千克与某个精确测量的基本物理联系起来,就如同今天用真空中的光速来定义米一样:1米是光在线秒内通过的距离。这是原应,要定义千克,就时要选泽普朗克h,以前后者是量子力学中能量量子(energy quanta)的大小,它乘上光的频率ν就得到能量,即著名的光电效应方程E=hν;接着,再用更著名的质能方程E=mc2,就还时要得出千克质量的定义了。

  不过,选泽普朗克的准确数值是个精细活,要是目前常用的五种测量土办法得到的结果还趋于稳定差异,这让上述土办法止步不前。

  在这五种土办法中,五种是使用“瓦特秤”(watt balance)。你这俩 装置随便说说是一架简单的天平:一端承载着1千克质量的物体,该物体质量用巴黎的千克原器精心校准过;另一端是一一二个放上去中的通电线千克质量与线圈所受的电磁力精确平衡,接下来就可通过一连串方程,把1千克质量和普朗克联系起来。但说起来容易做起来难,研究者不仅时要除理任何测量偏差,还时要排除某些干扰,比如最容易是原应误差的地球引力场等。

  目前由普拉特负责的这台瓦特秤,曾在60 7年给出了普朗克最准确的测量结果之一:6.6260 6891×10-34J·s,相对误差仅为36×10-9。不过,英国国家物理实验室(NPL)的瓦特秤(该瓦特秤目前被移放至国家研究委员会下属的国家测量标准学院)给出了与NIST稍有差异的结果,区别随便说说很小,但无法用实验误差来解释。

  另五种常用土办法是,计量一块同位素纯(isotopically pure,指越来越 杂质且只包含五种同位素的单质)样品中的原子数目,由此选泽阿伏伽德罗(Avogadro constant,12克碳12原子包含的原子数目)的数值,而你这俩 数值可通过另一套方程换算成普朗克。60 8年,联邦物理技术研究所(Federal Institute of Physical and Technical Afirs)的科学家用一一二个近乎完美的1千克进行了实验。这俩 一二个由99.995%纯硅28制成,亲戚亲戚大伙儿用高精度激光仪选泽球的体积,再用X射线衍射选泽的晶体形态,以便能在更高精度上对原子进行计数。目前,亲戚亲戚大伙儿测出的阿伏伽德罗的数值为6.02214082×1023,相对误差低至60 ×10-9,由此换算得到的普朗克与NPL瓦特秤的结果相吻合,但与NIST的结果不一致。

  2010年,普朗克的推荐值是6.6260 6957×10-34J·s,相对误差44×10-9。大家认为,这以前足以用于千克的重新定义了,但全是更挑剔的人要等各种测量结果吻合得更好某些、测量误差范围缩小到20×10-9以下,才还时要重新定义。

  推荐: