《自然》評(píng)出2012年五大挑戰(zhàn)性科學(xué)實(shí)驗(yàn)
日期：2012-02-07 08:34:17
很多科學(xué)家認(rèn)為，2012年將是“上帝粒子”現(xiàn)身之年；媒體也大都將焦點(diǎn)聚集在位于瑞士日內(nèi)瓦的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）之上，人們迫切期望LHC能在今年搜尋到被稱為“上帝粒子”的希格斯玻色子的“芳蹤”，為人類了解宇宙進(jìn)而了解人類自身提供更多的線索。與此同時(shí)，也有一些科學(xué)家正在潛心從事一些同搜尋希格斯粒子一樣具有挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn)，雖然這些科學(xué)家以及他們的實(shí)驗(yàn)并非那么廣為人知，但其作用同尋找“上帝粒子”一樣，都是為了解開盤旋在人類心中很久的一些謎團(tuán)。英國《自然》雜志網(wǎng)站近日為我們列舉出了如下5大頗具挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn)。
尋找外星生命的“蛛絲馬跡”
美國哈佛—史密森尼天文物理中心的天文學(xué)家大衛(wèi)·夏邦諾1999年時(shí)還只是哈佛大學(xué)的一名研究生，但是，他首次觀測到了另一個(gè)太陽系的一顆行星通過其母星表面時(shí)，母星光度的輕微下降?，F(xiàn)在，這樣的“凌日”法是天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)行星的重要方法?？茖W(xué)家們可以借用這一方法了解行星和其大氣的結(jié)構(gòu)。當(dāng)行星經(jīng)過其母星，母星光線便會(huì)經(jīng)過行星的最外層大氣，通過仔細(xì)分析該母星的光譜，便能得知該行星的大氣成分。如果科學(xué)家們能證實(shí)行星的大氣中確實(shí)包含有氧氣，那可能暗示這一行星上存在生命。但是，探測到氧等元素的唯一方法是在通過該行星大氣的星光光譜中找到它們，而這種信號(hào)非常弱。
夏邦諾解釋說：“起初，行星遮住的光線很少，一顆木星大小的行星行經(jīng)一顆類似太陽的恒星時(shí)，會(huì)遮蔽約1%的光。而一顆更小的、地球一樣大小的行星可能只能遮蔽約0.01%的光。接著，我們會(huì)看到該行星周圍的‘洋蔥皮’，那就是大氣。”僅僅只有通過洋蔥皮的星光擁有天文學(xué)家們正在尋找的光譜信息，然而，對(duì)于像太陽一樣大小的恒星和像地球一樣大小的行星來說，這無異于大海撈針。因此，利用“凌日”法了解系外行星存在諸多困難。
不過，夏邦諾表示，盡管目前還沒有望遠(yuǎn)鏡擁有探測到太陽本身的光線發(fā)出的微小信號(hào)所需要的靈敏度，但是，木星大小的氣體巨星的大氣比地球大小的氣體巨星的大氣大，相應(yīng)地，其光譜信息也更多。自2005年開始，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡等軌道望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)采集到了大約40個(gè)氣體巨星的大氣光譜。夏邦諾說：“盡管最初的觀察結(jié)果受到了科學(xué)家們的質(zhì)疑，因?yàn)檫@些氣體巨星并非那么普通，也并非那么富有爭議。然而，這是我們迄今獲得的與類地行星有關(guān)的所有信息，而且，以前沒有人做到這一點(diǎn)?！?/SPAN>
科學(xué)家們的最新研究成果是獲得了“超級(jí)地球”GJ 1214b的光譜，該行星的直徑約是地球直徑的2.6倍，距離地球僅40光年，環(huán)繞著一顆紅矮星運(yùn)行，是當(dāng)前發(fā)現(xiàn)的唯一一顆超級(jí)地球系外行星——質(zhì)量在地球和海王星之間，并具備穩(wěn)定的大氣層?？茖W(xué)家們對(duì)這一行星進(jìn)行的分析表明，該行星的大氣中充滿了水蒸氣或者云，而幾個(gè)月前，夏邦諾和同事使用哈勃望遠(yuǎn)鏡也證實(shí)了這一點(diǎn)。
探測一顆類日恒星周圍的一顆類地行星的大氣結(jié)構(gòu)為我們提供了最好的機(jī)會(huì)，讓我們得以探測該行星上的生物活動(dòng)，不過，這種探測儀需要具備極高的靈敏度。夏邦諾熱切期望美國國家航空航天局（NASA）計(jì)劃了很長時(shí)間且多次延遲發(fā)射的哈勃望遠(yuǎn)鏡的繼任者——耗資80億美元、預(yù)計(jì)將于2018年發(fā)射的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡確實(shí)能按時(shí)進(jìn)入預(yù)定軌道。他說：“如果情況真這樣就好了，我們或許可以依靠它在其他星球上找到生命?！?/SPAN>
看穿手性分子的“鏡像”
生物學(xué)上存在著一種奇妙的不對(duì)稱，存在著一些化學(xué)中結(jié)構(gòu)上鏡像對(duì)稱而又不能完全重合的分子，這兩種分子擁有完全一樣的物理、化學(xué)性質(zhì)。但是從分子的組成形狀來看，它們依然是兩種分子。這種情形像是鏡子里和鏡子外的物體那樣，看上去互為對(duì)應(yīng)。由于是三維結(jié)構(gòu)，它們不管怎樣旋轉(zhuǎn)都不會(huì)重合，就像左手和右手那樣，因此，科學(xué)家們將其稱為手性分子。當(dāng)化學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)室制造這種分子時(shí)，一般會(huì)得到兩種形式的混合分子，而且，依照慣例，會(huì)給它們貼上左手性或右手性的標(biāo)簽。但活細(xì)胞一般僅僅由左手性分子制造而成，沒有人知道為什么會(huì)這樣。
一種可能的解釋是，標(biāo)準(zhǔn)粒子物理模型預(yù)測的自然界中四種基本力中的一種——弱相互作用調(diào)停著原子核和電子之間的某些相互作用，其對(duì)左手性和右手性分子的影響不同；而包括重力在內(nèi)的其他力在每個(gè)版本的鏡像宇宙中都是一樣的。法國巴黎第13大學(xué)的伯努特·達(dá)奎解釋道，從理論上而言，弱相互作用或許導(dǎo)致一種形式的手性分子同其鏡像“雙胞胎”分子的能態(tài)稍微有些不同，大約有1015分之一到1020分之一的差異。因此，如果一種形式的手性分子的振動(dòng)頻率為30太赫（頻率單位，等于百億赫），那么，它與對(duì)應(yīng)的另一種手性分子的振動(dòng)頻率之間的差異僅為幾豪赫茲甚至幾微赫茲。
達(dá)奎表示，測量出這樣的細(xì)微差異可能有助于我們解決生物學(xué)上的這個(gè)不對(duì)稱難題，他的團(tuán)隊(duì)也正致力于做到這一點(diǎn)。這種差異甚至能讓我們獲得標(biāo)準(zhǔn)模型的弱相互作用理論的某些參數(shù)的值。
據(jù)達(dá)奎所知，他們的研究團(tuán)隊(duì)是目前全球唯一試圖解決這一難題的團(tuán)隊(duì)。他花費(fèi)了整整3年來組建這個(gè)由實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家、量子理論學(xué)家以及化學(xué)家組成的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)。他們現(xiàn)在需要解決兩個(gè)問題：首先，他們需要制造出分辨率極高的光譜儀來測量手性分子的能級(jí)。迄今最好的光譜儀能夠識(shí)別出5/1014的能級(jí)差別，而他們需要的光譜儀的清晰度將約為目前市面上最好的光譜儀的100萬倍。他們現(xiàn)在正在制造一個(gè)精確度更高的光譜儀。為了達(dá)到這樣的靈敏度，他們的機(jī)器不能受到任何外部振動(dòng)的影響，而且需要穩(wěn)定地維持在0.1攝氏度以內(nèi)。另外，為了能在測量分子振動(dòng)頻時(shí)獲得所需要的精確度，達(dá)奎的實(shí)驗(yàn)室使用了一個(gè)分子時(shí)鐘，其通過一個(gè)光纖網(wǎng)絡(luò)與位于法國巴黎的世界時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)原子鐘相連。
科學(xué)家們面臨的第二個(gè)挑戰(zhàn)是制造出測試分子，且測試分子的不對(duì)稱效應(yīng)要大到足以被測量出來。因此，這個(gè)分子的中央原子應(yīng)該很大，因?yàn)樵永碚撜J(rèn)為，這樣會(huì)讓不同形式的手性分子之間的能態(tài)差異最大，而且，當(dāng)將其加熱到光譜儀所要求的氣體狀態(tài)時(shí)，分子本身也不會(huì)分崩離析。該研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，最好的分子很有可能是甲基三氧化錸這樣的分子，其兩個(gè)氧原子被硫和硒所取代。不過，即使科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)能很好地用來做實(shí)驗(yàn)的分子，他們?nèi)匀恍枰荒陼r(shí)間來進(jìn)行足夠多的測試工作以增加信號(hào)與噪音之間的比率并得到更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。達(dá)奎表示：“問題越困難，當(dāng)你解決它的時(shí)候，你就會(huì)越高興。”
達(dá)奎表示，即使他們的實(shí)驗(yàn)并不能解決生物學(xué)上的這一難題，他們也不會(huì)因此而失望，因?yàn)椋麄冋谘邪l(fā)的技術(shù)將可用于對(duì)很多基礎(chǔ)物理學(xué)理論進(jìn)行測試。他說：“科學(xué)家們正在對(duì)能級(jí)更高或更低的粒子進(jìn)行精確的測量，分子越復(fù)雜，測量需要解決的問題就更多，因此，我們正在研究的技術(shù)和工具將大有用武之地?！?/SPAN>
尋找額外的空間維度
我們一直認(rèn)為世界只擁有三維立體空間——左右、前后、上下，我們也認(rèn)為這是一個(gè)顛撲不破的真理，無法想象還會(huì)有與其不同的情況。但超弦理論和其他試圖設(shè)計(jì)出統(tǒng)御世界的“萬物之理”的諸多嘗試讓很多物理學(xué)家提出了一個(gè)新觀點(diǎn)：空間不僅僅只有三個(gè)維度。其他額外的維度很可能緊密地簇?fù)碓谝黄?，并因此而藏匿于我們的日常?jīng)驗(yàn)之外。不過，這些額外的維度也并非完全隱形，它們會(huì)對(duì)牛頓經(jīng)典重力理論所預(yù)測的重力產(chǎn)生非常輕微的影響。能夠探測到重力在這種尺度上的細(xì)微變化的實(shí)驗(yàn)因此能“看到”任何其他的維度。
美國華盛頓大學(xué)實(shí)驗(yàn)核物理和天體物理學(xué)中心的艾瑞克·阿德爾伯格于1999年首次聽說了這種想法。他說：“有些人認(rèn)為這種想法很瘋狂，但是，也有些人認(rèn)為這一想法很酷。”他和同事決定親自測試這一想法?！斑€有比發(fā)現(xiàn)我們對(duì)世界維度的理解是錯(cuò)的更令人興奮的事情嗎？”
阿德爾伯格團(tuán)隊(duì)選擇的工具是扭秤。他們對(duì)英國杰出的物理學(xué)家和化學(xué)家亨利·卡文迪什在上世紀(jì)70年代晚期首次用在實(shí)驗(yàn)室測量重力的扭秤進(jìn)行了改良。在他們?cè)O(shè)計(jì)的現(xiàn)代版扭秤中，一個(gè)金屬圓筒懸掛于一條絲線下，因此，圓筒能自由地扭轉(zhuǎn)。圓筒底部黏貼著一個(gè)名為探測器的圓盤，圓盤上鉆滿了一圈小洞。距離第一個(gè)圓盤幾微米之下的地方放置有第二個(gè)具有同樣鉆洞的名為吸引盤的圓盤。當(dāng)該吸引盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，其上的小洞之間的物質(zhì)會(huì)對(duì)名為探測器的圓盤上的小洞之間的物質(zhì)施加一個(gè)微小的引力。這種力會(huì)讓懸掛圓筒的絲線發(fā)生扭曲，導(dǎo)致圓筒旋轉(zhuǎn)幾十億分之一度。
為了確保探測器圓盤是對(duì)重力而非其他力作出反應(yīng)，以上設(shè)備必須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讓電荷在設(shè)備上傳播開來。這些設(shè)備也必須被制作得非常完美且不能受到任何震動(dòng)（包括汽車駛?cè)胪饷娴耐＼噲霎a(chǎn)生的震動(dòng)等）的影響。阿德爾伯格表示：“我們?cè)谥苣┪缫沟搅璩克狞c(diǎn)得到的數(shù)據(jù)最好。得到好數(shù)據(jù)的時(shí)間實(shí)在太短暫了，這令人有點(diǎn)沮喪?！?/SPAN>
迄今為止，阿德爾伯格團(tuán)隊(duì)能夠確定的是，不存在大于44微米的額外維度。他的兩名研究生以及全球其他科研團(tuán)隊(duì)正努力讓這一極值變得更小。但是，他表示，額外的維度越小，他們所需要耗費(fèi)的時(shí)間就越長。他說：“如果存在著一個(gè)30微米的維度，那么，驗(yàn)證它的存在將花費(fèi)1年?！?/SPAN>
但是，阿德爾伯格似乎不懼這種不確定性和可能面臨的諸多困難，他相信他們一定會(huì)成功。他說：“事情越困難，當(dāng)你解決事情的時(shí)候，你的感覺就越好?！?/SPAN>
捕捉引力波
美國國家射電天文臺(tái)的天文學(xué)家斯科特·蘭瑟姆目前正嘗試通過觀察銀河系中最精確的自然鐘——脈沖星來捕捉愛因斯坦廣義相對(duì)論最基礎(chǔ)的一個(gè)預(yù)測——引力波。他說：“引力波將為我們打開一扇新窗戶，讓我們可以以全新的角度認(rèn)識(shí)宇宙。如果捕捉到引力波，我們就能用質(zhì)量代替光來理解宇宙。”不過，他也表示，這一研究可能要耗費(fèi)10年才能得到第一個(gè)結(jié)果。
蘭瑟姆表示，關(guān)于萬有引力的本質(zhì)是什么，牛頓認(rèn)為其是一種即時(shí)超距作用，不需要傳遞的“信使”；而愛因斯坦則認(rèn)為萬有引力是一種跟電磁波一樣的波動(dòng)，并將其稱為引力波。愛因斯坦認(rèn)為，引力波是時(shí)空曲率的擾動(dòng)以行進(jìn)波的形式向外傳遞。蘭瑟姆說：“就像輕輕搖動(dòng)一個(gè)電子就會(huì)導(dǎo)致周圍的電場和磁場出現(xiàn)波紋來向外傳遞光和其他形式的輻射一樣，當(dāng)你搖動(dòng)某些龐然大物時(shí)，它就會(huì)釋放出引力波?！?/SPAN>
然而，遺憾的是，即使一種非常大的引力波潑灑在地球表面，也只能將地球稍微壓扁，導(dǎo)致其直徑增加約10納米左右。很多地面實(shí)驗(yàn)希望能探測到這樣的細(xì)微抖動(dòng)，比如，由加州理工學(xué)院和麻省理工學(xué)院攜手進(jìn)行的激光干涉引力波觀測站（LIGO）就一直試圖將引力波的真正信號(hào)與駛過的車輛產(chǎn)生的噪音、雷聲甚至100公里遠(yuǎn)的海波的漲落所導(dǎo)致的背景噪音分離開來。
蘭瑟姆和熱心這項(xiàng)研究的同事正朝著一條他們認(rèn)為更簡單易行的道路前進(jìn)：他們希望通過觀察脈沖星來獲得引力波的信號(hào)。脈沖星是一種超級(jí)稠密的星體，其中有些脈沖星一秒鐘之內(nèi)會(huì)旋轉(zhuǎn)數(shù)千次，每次都會(huì)釋放出一束輻射，時(shí)間不足100納秒。該研究團(tuán)隊(duì)希望監(jiān)測大約20個(gè)這樣的遍布整個(gè)天空的脈沖星，以找到非常低頻的引力波收縮或者擴(kuò)展它們和地球之間的時(shí)空所導(dǎo)致的輻射時(shí)間的偏差。他們認(rèn)為，信號(hào)最強(qiáng)烈的引力波的一個(gè)來源是遙遠(yuǎn)的、相互碰撞的星系內(nèi)質(zhì)量龐大的黑洞長達(dá)數(shù)年的跳動(dòng)。
蘭瑟姆是10個(gè)致力于解決這一問題的人中的一個(gè)，這些人由國際脈沖星計(jì)時(shí)陣聯(lián)盟統(tǒng)一協(xié)調(diào)。好消息是，他們不需要額外研制任何工具：現(xiàn)在世界上最大的單碟片望遠(yuǎn)鏡——位于波多黎各的阿瑞西波無線電望遠(yuǎn)鏡能勝任這項(xiàng)工作。壞消息是，需要對(duì)脈沖星進(jìn)行大約10年的監(jiān)測工作才能捕捉到環(huán)繞黑洞旋轉(zhuǎn)的脈沖星發(fā)出的引力波。迄今為止長達(dá)5年的研究中，他們僅僅對(duì)6顆脈沖星進(jìn)行了計(jì)時(shí)測量。
蘭瑟姆表示：“讓我們感到興奮的事情是，隨著時(shí)間的推移，我們發(fā)現(xiàn)引力波的機(jī)會(huì)越來越大，只要我們有信心，我們就能看到引力波。”
對(duì)千克進(jìn)行重新定義
自1889年以來，“千克”這一重量是由放在法國巴黎國際度量衡局（BIMP）的一個(gè)鉑銥合金（90%的鉑，10%的銥）圓筒所定義，它的高和直徑都是約39毫米。該合金于1879年制成，經(jīng)仔細(xì)調(diào)校，符合自18世紀(jì)法國大革命以來“千克”的重量，并于10年后被采納，成為國際千克原器。國際千克原器被放置在巴黎市郊的地下室內(nèi)，人們一直認(rèn)為這一合金的質(zhì)量不會(huì)改變。
在國際單位制里，除了“千克”，其余6個(gè)單位“米”“秒”“安培”“摩爾”等都不是以物體來定義的，質(zhì)量是唯一一個(gè)以物體來定義的國際單位。用物體來定義重量單位的一個(gè)缺點(diǎn)就是物體的重量會(huì)隨著時(shí)間的流逝而改變。實(shí)際上，到了1992年，國際千克原器的質(zhì)量就發(fā)生了變化。經(jīng)與其他“千克”原器相比，國際千克原器變化了約50微克，相當(dāng)于一個(gè)直徑0.4毫米的小沙粒。BIPM質(zhì)量部主管艾倫·皮卡德說：“確切地說，我們無法確定它的質(zhì)量是多了還是少了。這一變化可能是由于表面影響，失去了表面原子或結(jié)合了污染物?！?/SPAN>
美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院工程師喬恩·普拉特表示：“到了我們需要對(duì)千克進(jìn)行重新定義的時(shí)候了?！逼绽厥菂⑴c重新定義千克的諸多度量衡學(xué)者中的一名。
參與這項(xiàng)研究的科學(xué)家們的基本想法是讓千克成為基本的物理學(xué)常量，就像現(xiàn)在用光在真空中的行進(jìn)速度來定義米一樣：在真空中行進(jìn)的光在299792458分之一秒內(nèi)旅行的距離為一米。有鑒于此，這些科學(xué)家正研究以更穩(wěn)定的量子力學(xué)常數(shù)——普朗克常數(shù)h取代物體，重新對(duì)“千克”下定義，并盡快達(dá)成200年來科學(xué)界尋求用穩(wěn)定數(shù)字來統(tǒng)一度量制度的目標(biāo)。物理常量普朗克常數(shù)反映的是量子力學(xué)中能量子的大小，每一份能量子等于hv，v為輻射電磁波的頻率，h為普朗克常數(shù)。將這一等式與更加著名的E=mc2結(jié)合在一起，科學(xué)家們就可以據(jù)此定義質(zhì)量了。
然而，為普朗克常數(shù)確定一個(gè)精確的數(shù)值本身也是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作，目前科學(xué)界有兩種不同的方法來確定普朗克常數(shù)的數(shù)值，而他們得到的結(jié)果卻并不一致，由此也讓科學(xué)家們對(duì)千克進(jìn)行重新定義變得更加困難。
其中一種方法利用的是瓦特平衡法（也叫瓦特天平）來定義普朗克常數(shù)?？茖W(xué)家們的想法是：瓦特天平的一端包含有一個(gè)普通天平，剛開始，研究人員把一個(gè)質(zhì)量為m的物體懸掛在普通天平的一端，另一端掛著一段總長為L的線圈，線圈位于一個(gè)磁場強(qiáng)度為B的磁場中。在線圈中通以強(qiáng)度為i的電流，線圈就受到了一個(gè)大小為BLi的力的作用。仔細(xì)調(diào)節(jié)電流強(qiáng)度直至天平恰好平衡（也就是使mg=BLi），再通過一系列等式就可以與普朗克常數(shù)聯(lián)系起來。但實(shí)際情況卻并非如此簡單。科學(xué)家們?nèi)匀恍枰獪y量其他數(shù)值，比如，本地重力的大小、最大的誤差源以及避免任何形式的振動(dòng)。
