改变未来的 五大超难科学挑战

  改变五个超级困难的科学挑战的未来

  
德国研究机构制造的表面缺陷不超过0.3nm的“完美硅胶球”四维黑洞,科学家正在重新定义“千克”。该图是包含脉冲星的紧密双星系统的艺术概念图,图中的线表示空间的曲率程度。研究人员通常是模糊的,但愿意用几年甚至几十年来操作精密仪器,使其工作顺利;在实验过程中,要控制每一个细节,可能会扰乱信号检测的背景噪音,以坚持不懈的拼搏。他们喜欢这个不确定性和挑战的过程,因为他们觉得这就像是攀登:“过程越艰难,越能越到顶端。”最近,一个大的强子对日内瓦大型强子对撞机及其对“上帝粒子”的追求无疑是科学界最受关注的话题之一,事实上,还有一些科学家也致力于同样具有挑战性的实验,而大型强子对撞机项目,这些实验可能会改变在这里,让我们知道五个这样的实验,期待科技带来的变化和惊喜。探测外星生命:追踪百万分之一的信号1999年,当时的哈佛大学研究生哈伯恩(David Harbonne)当行星经过母星表面时,测量了恒星亮度的轻微变化,这是人类第一次发现这种现象,到目前为止,跟踪这个“过境“现象已经成为天文学家寻找外星人所用的常用方法,而新的挑战是要了解这些行星的组成和大气层。例如,发现一个含有氧气的行星大气可以是生命的间接证据,但是探测这些元素的唯一途径是利用恒星通过地球大气层的光线,这是一个非常微弱的信号Chambonno说,最大的困难之一就是“行星只能覆盖恒星的很小一部分”,当木星大小的行星能够阻挡一颗恒星的1%它穿过一个太阳大小的星星一个较小的地球大小的行星只能阻挡0.01%的光线。 “接下来,你会发现洋葱的”皮肤“,它的气氛,”Charbonneau说,只有天文​​家庭想要的 - 这样,如果地球大小的行星通过太阳大小的星星,不到一个在一个百万颗恒星可以被科学家使用。虽然没有任何望远镜能够追踪今天星光数百万信号的分辨能力,但事情是转折点。从2005年到现在,哈勃望远镜,斯皮策望远镜等空间天文台已经捕获了大约40个气态巨行星的大气光谱。 “虽然检测气态巨型行星的气氛并不罕见,但现在不再有争议,现在的问题是如何探测地球大小的行星的气氛,但没有人能做到这一点。如果你想确定它的大气成分,为外星生命的存在提供最好的证据,你必须升级观测设备,以提高灵敏度。Charbonnese充满了对哈勃望远镜的渴望哈勃韦伯太空望远镜:“现在是时候见证奇迹了,为地外生命增添最宝贵的一笔。”突破月亮镜子:制造一个纯粹的左手或右手分子在生物学中有一个奇特的不对称。许多分子具有“手性”的同一性,也就是说,分子中的原子有两种相互映射的方式。当化学家合成这样的分子时,通常是含有两种手性的混合物,为简单起见,分别被称为“左旋分子”和“右旋分子”。奇怪的是,生物细胞通常由“左手”分子组成,但没有人知道为什么。有一种解释是,这是自然界四大基础力量的弱小力量。粒子物理的标准模型预测了四个基本的力,其中弱点是核子和电子之间的相互作用的转移,对左右手分子有不同的影响,其他三个基本力包括引力,两个手性分子是相同的。
\\ u0026>法国巴黎第十三大学的Benoit Dulquier说,测量两个手性分子之间的微小差异将有助于解释为什么生物学家倾向于使用左手结构,他的团队也正在为此而努力。迪尔吉耶知道,他和他的同事是世界上唯一一个进行这种尝试的球队。他们现在有两个挑战需要克服:首先,建立一个非常高分辨率的光谱仪来测量手性分子的能量状态。目前,Dalkiyee拥有的最好的设备能够探测到5/1014的能量差异,比普通光谱仪高出一百万倍,现在他们正在建造一个更精确的仪器 - 这么高的精确度必须与所有的外部振动,确保温度波动不超过0.1℃。此外,为了测量分子振动的频率,Dalkey的实验室还使用了一个分子时钟,并通过光纤与巴黎的世界标准原子钟同步。他们面临的第二个挑战是合成一个因为原子理论告诉我们,如果中心原子较大,那么由手性结构引起的能量差就可以最大化,同时这个分子也需要有一个更大的中心原子当它被加热到气相以捕获光谱时不易被破坏虽然Dalkiya正在努力制造纯左旋或右旋分子,但他们认为最好的选择可能是将三氧化铼原型化,然后取代分子有一个硫原子和一个硒原子两个氧原子,最终找到完美的测试分子后,需要一年的时间积累足够的数据才能得到可信的结果。 \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\寻找更多的维度:摆脱对微米级的干扰
我们对现实世界有了一个非常基本的了解,几乎没有人怀疑我们这个世界里有三个空间维度:左右,前后,上下。然而,超弦理论和其他构建“万物理论”的尝试使很多物理学家相信,空间维度远远超出了这个范围。他们认为这些附加的维度是高度卷曲的,所以我们甚至根本感觉不到,但是它们影响到很小的引力,使得两物理之间的力量略微偏离牛顿引力理论的经典结果,如果我们能够在实验中发现微尺度引力的变化,那么我们可以证明这些附加维度的存在。华盛顿华盛顿大学实验核物理和天体物理中心的Eric Adelberger的“武器” DC是扭转尺度,实际上是1890年代后期由英国物理学家亨利·亨利·亨利·卡文迪什(Henry Henry Cavendish)首次“升级”版本的用来测量引力常数的装置。在这种“现代”的扭曲尺度下,金属棒被金属丝悬挂起来并且可以自由扭转。金属探测器安装在金属棒的底部。磁盘上钻有一系列小孔。在检测盘下面几微米处,还有另一个钻有相似尺寸孔的盘 - 这是吸盘。当吸盘转动时,孔之间的圆盘会在检测盘的圆盘上施加一个较小的力,使检测盘和金属杆转动,从而使悬挂线扭转约十亿分之一一个学位。为了确保探测盘不受地球和吸引盘之外的力的影响,整个装置的所有部件必须由非磁性材料制成,并且所有部件的表面必须涂有一层金子,使仪器与电荷均匀分布。除此之外,整个安装过程完全可以完全隔离外部振动,包括车辆在停车场引起的震动。 “我们最好的数据是在周末午夜和凌晨4点之间获得的,”Adelburger感叹道。 “这很烦人,因为你收获最好的数据的时间非常有限,这使得我们现在的夜猫子。”更好的设计让研究人员排除其他因素,如果仍然可以观察到探盘的扭曲,他们知道必须有一个好的表演上演。到目前为止,阿达尔伯格的团队可以得出结论,在44微米及以上的尺寸上肯定没有额外的尺寸,他的两名研究生以及世界各地的其他10多个团队正在寻找方法继续向微型但是,发现需要多长时间取决于这些额外维度的大小,阿德尔伯格认为,如果额外的维度卷曲太多,“这个答案可能永远不会被发现,如果有一个可见的卷曲在30微观,只需要一年的时间才能发现。“捕捉引力波:十年来看到迹象
美国国家射电天文台天文学家斯科特·兰森(Scott Ransom)谈到了星系Pulstar中最精确的自然时钟脉冲,在他的嘴里弹出了“真棒”和“真棒”这样的词,并认为脉冲星将允许他和其他科学家验证爱因斯坦的广义相对论预言 - 引力波的最基本的方面之一。 “这为我们观察宇宙开辟了一扇全新的窗口,”他大声说道,“除了”光之眼“之外,我们还有”质量之眼“。”雷森解释说,根据爱斯坦的一般理论引力波是由质量运动引起的时空结构的波动,例如,一对相互旋转的中子星可以产生引力波,“就像抖动一个电子一样,”莱森说。使电子周围的电场和磁场随着光线和其他形式的辐射传播。“当你摇动一个质量物体时,就会产生一个引力波“,然而令人沮丧的是,即使一系列强烈的引力波横扫地球,地球的直径也只会缩小或扩大不到10纳米。因此,引力波探测设备建在地面上,千万不能摆脱背景噪声的干扰,路过卡车,甚至千里之外的雷暴,海滩上的波浪起伏不定,会淹没引力波信号。因此,瑞森和他的狂热追随者决定携带更便宜的方法来检测引力波:观察脉冲星。脉冲星是高度致密的物体。一些脉冲星可以每秒旋转数千次,并在每次旋转时产生脉动闪光。天文学家可以测量脉冲发射时间在100纳秒以内。由于极低频率的引力波扰动了脉冲星和地球之间的时空,造成脉冲时间的移动,Leyre集团计划全天监测20个脉冲星,看是否可以检测到这个时间偏移。他们希望通过这种方式,能够探测到宇宙中大量黑洞旋转所产生的引力波,这些引力波是星系相互碰撞的最强引力源。利用波多黎各的阿雷西博射电望远镜,这项研究有可能继续观测十年,以捕捉旋转黑洞发出的引力波。目前,他们连续5年只有6个脉冲星进行精确定时测量。不过,莱森仍然有信心:“我们有越来越多的成功机会,如果我们耐心等待,引力波最终会出现。”
重建公斤标准:准确,准确,重新准确? 1公斤这应该是一个常数。但实际上它会改变,因为旧的质量标准规定1公斤等于巴黎郊区一个仓库里一个120岁的铂铱圆柱体的质量。没有人确切知道这个“千克原型”是由于原子落在表面上的重量还是原子从表面上掉下来的轻微原因造成的。唯一可以肯定的是,它的质量肯定已经发生了变化 - 质量完全一样的复印件的质量现在有了明显的差别。美国国家标准与技术研究院(NIST)的工程师Jon Pratt和一位正在重新定义质量标准的计量学家说:“我们需要弄明白。千克是目前唯一一个实物定义的基本单位。重新定义千克的基本思路是把一公斤与准确测量的基本物理常数联系起来,就像今天光速在真空中一样:1米在真空中是光1/299792458以秒为单位的距离。这意味着要定义千克,必须确定普朗克常数h,它乘以光的频率ν,得到称为E =hν的能量;然后使用更为人所知的质量能量方程E = mc2,可以得出质量的定义,但是确定普朗克常数的确切值是一项棘手的工作,两次常用的测量结果仍然不同,让上述方法停止。
\\ u0026>无论哪种情况,都是使用瓦特量表。该设备实际上是一个简单的平衡:一端承载1公斤的质量,对象的质量是用一公斤的巴黎发明者仔细校准,另一端是放置在磁场中的通电线圈。调整磁场直到恰好1kg的质量与线圈所施加的电磁力完全平衡,然后通过一系列方程式将1kg的质量连接到普朗克常数。现在瓦特尺度由普拉特运行,在2007年给了普朗克常数最准确的测量之一:6.62606891×10-34 J·s,相对误差只有36×10-9。然而,国家物理实验室(NPL)的瓦特量表与NIST的结果略有不同。另一种常用的方法是计算纯样品同位素中的原子数,以确定阿伏伽德罗数(12克碳12原子中包含的原子数),这可以被另一个原子转换成普朗克常数方程组。 2008年,德国联邦物理技术研究院的科学家对两个接近完美的1公斤球体进行了实验。这两个球体是由纯度为99.995%的硅28制成的,他们使用高精度的激光干涉仪来测定球体的体积和X射线衍射来确定球体的晶体结构,以便能更精确地计算原子。目前,他们获得的普朗克常数与NPL瓦特量级一致,但与NIST结果不一致。2010年普朗克常量推荐值为6.62606957×10-34J·s,相对误差为44×10- 9.有些人认为这已经足够重新定义千克,但是更多的批评者坚持认为各种测量更合适,测量误差范围缩小到20×10-9以下,才能重新定义。
“全球科学”(“科学美国人”中文版)作者:Nicholas Jones翻译:Kingmagic来源:中国科学技术网 - 科学和科技日报2015年6月26日

  关键词:技术中国研究美国2010

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