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(guó)《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(guó)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(cè)到了另一個(gè)太陽(yáng)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(cè)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(yáng)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?！眱H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(yáng)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(cè)到太陽(yáng)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(zhēng)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。科學(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(cè)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(cè)該行星上的生物活動(dòng)，不過，這種探測(cè)儀需要具備極高的靈敏度。夏邦諾熱切期望美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）計(jì)劃了很長(zhǎng)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(cè)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(guó)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(cè)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(cè)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(cè)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(guó)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(cè)試分子，且測(cè)試分子的不對(duì)稱效應(yīng)要大到足以被測(cè)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(cè)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?！?/SPAN>

 

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(cè)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(cè)量，分子越復(fù)雜，測(cè)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(cè)的重力產(chǎn)生非常輕微的影響。能夠探測(cè)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(guó)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?！彼屯聸Q定親自測(cè)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(guó)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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?chǎng)產(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(zhǎng)。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(guó)國(guó)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(cè)——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(chǎng)和磁場(chǎng)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(cè)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(cè)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(jiǎn)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(cè)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(zhǎng)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(guó)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(cè)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(zhǎng)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(cè)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?！?/SPAN>

 

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(guó)巴黎國(guó)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(guó)大革命以來“千克”的重量，并于10年后被采納，成為國(guó)際千克原器。國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)國(guó)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(zhǎng)為L的線圈，線圈位于一個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)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(jiǎn)單?？茖W(xué)家們?nèi)匀恍枰獪y(cè)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)。