《自然》评出2011年最受欢迎十大新闻

2011-12-20 00:00

 

英国《自然》杂志网站12月16日公布了本年度最受欢迎的十大新闻,量子力学粒子物理学以及有点怪异的生物学领域都是其中的大赢家。
 
1.在真空中制造出可见的光线
 
据《自然》杂志6月3日报道,瑞典查尔姆斯理工大学的科学家在真空中捕获到了不断出现和消失的光子,成功将虚拟光子转变成真实光子,制成了可测量的光,首次观测到40多年前就曾被预言的量子力学效应——卡西米尔效应,即平行金属板在辐射场真空态中存在吸引力的现象。
 
科 学家们使用一个名为超导量子干涉器(SQUID)的“镜子”成功进行了这项实验,该 “镜子”由量子电子元件构成,对磁场极其敏感。通过每秒数十亿次改变磁场的方向,可使“镜子”的振动速度达到光速的25%。实验结果显示,光子会在真空中成对出现,科学家能够以微波辐射的形式对其进行测量,构建出确实具有相同特性的射线,如同量子理论所述。
 
此次实验的主要价值在于增进人们对于基础物理概念的了解,比如真空波动,即真空中瞬间出现并消失的虚拟粒子等。
 
2.欧核中心发现中微子“跑”得比光快
 
据《自然》杂志9月22日报道,欧洲核子研究中心(CERN)发现,中微子的行进速度超过了光速。一旦这种超光速现象得到证实,将给爱因斯坦的狭义相对论带来巨大挑战,改变人类对宇宙如何运转的理解。
 
意大利格兰萨索国家实验室下属的一个名为OPERA的实验装置接收了来自CERN的中微子,两地相距730公里,中微子“跑”过这段距离的时间比光速还快了60纳秒(1纳秒等于十亿分之一秒),而实验误差不超过10纳秒。
 
目前全球只有费米实验室和日本的实验室能重复这一实验,但日本的实验室在海啸中饱受重创,费米实验室尚无法达到CERN的实验精度,而且一时半会也很难升级,因此验证工作很难进行。
 
3.深海雪人蟹“自给自足”:用自己的爪子培养细菌
 
据《自然》网站12月2日报道,美国科学家在远离哥斯达黎加的深海中发现了一种蟹类,它可以在自己的爪子上培育细菌作为食物,这是科学家们发现的首例生物“细菌养殖农场”。研究论文发表在11月30日出版的《公共科学图书馆·综合》杂志上。
 
这种雪人蟹生活在哥斯达黎加邻近海域1000米以下有甲烷气体渗出的裂缝处。科学家们发现,它们经常缓慢且有节奏地挥动爪子,这一点令人十分迷惑不解。他们现在认为,雪人蟹挥动前爪主要是让细菌吸收更多的营养物质,从而使细菌更易受精繁殖。
 
此前也有科学家曾发现深海虾和其它动物也在身体上生长细菌,但这是科学家们首次掌握深海动物培育细菌的直接证据。
 
4.缺失特殊DNA也能促进脑部发育
 
据 《自然》杂志网站3月9日报道,美国科学家将黑猩猩的基因组和人类的基因组进行了比 较,找出了510个在黑猩猩的基因组中还存在但已从人类基因组里消失殆尽的DNA段落,这些序列几乎全都来自基因之间的非编码基因组区域。研究结果表明, 某些基因组消失会促使人类大脑进化。
 
该研究团队的领导者、美国斯坦福大学的大卫·金斯利和发育生物学家吉尔·比耶拉罗解释称,跟大多数研究不同的是,他们寻找的是人类基因组里被删除的部分,而不是现有的部分,他们希望借此厘清这些消失的基因片段的作用。
 
威斯康辛大学麦迪逊分校的动物遗传演化专家肖恩·卡罗尔表示:“这项研究告诉我们,在演化过程中,人类不但会获得信息,也会遗失信息。”
 
5.艾滋病基因疗法动物实验取得成效
 
据《自然》杂志网站11月30日报道,美国研究人员探索出的一种艾滋病基因疗法在动物实验中取得成效,实验证明感染大剂量艾滋病病毒的实验鼠也可受到保护。
 
美国加州理工学院等机构的研究人员报告说,通过使用一种经过改造的腺病毒,可以在实验鼠肌肉细胞的基因序列中加入一段代码,使得肌肉细胞能够生成和分泌一些抗体。这些抗体具有帮助机体抑制艾滋病病毒的作用,最初是在一些对艾滋病有抵抗力的患者体内分离得到的。
 
研究人员用这种基因疗法测试了5种不同抗体的效果,结果发现,两种代号为B12和VRC01的抗体效果尤其良好。
 
该研究的领导者、诺贝尔奖得住戴维·巴尔的摩说,动物实验的成功为接下来开展人类临床试验铺平了道路。虽然通常只用基因疗法治疗遗传病,但目前在与艾滋病的斗争中还没找到完全有效的疗法,因此基因治疗艾滋病值得一试。
 
6.波函数并非统计工具而是物理真实
 
据《自然》杂志网站11月17日报道,波函数是量子力学中一个重要且令人费解的核心概念,物理学家用它来确定量子粒子具备某种特性的概率,而英国科学家11月14日发表在arXiv.org网站的一篇论文则提出了一个新观点:波函数不是统计工具,而是物理真实。
 
由英国帝国理工学院的马修·皮由兹领导的三人科学小组在最新发表的论文中指出,如果波函数纯粹只是统计工具的话,那么,时间和空间中互不连贯的量子状态都将可以相互“交流”,这听起来有点不可思议,很难成立,因此波函数必定是物理真实。
 
研 究人员之一、美国南加州克莱姆森大学的理论物理学家安东尼·瓦伦提尼表示:“我们的这 篇论文可能具有颠覆效应,在量子力学中,它可能是继贝尔定理之后最重要的结论。”英国牛津大学的物理学家戴维·华莱士表示,这个理论是他15年的职业生涯 内看到的量子力学基础领域最重要的结论。他说:“这一理论表明,人们不能将量子状态解释为一种概率。”
 
自上世纪20年代开始,科学界在如何理解波函数方面就存在很大争议。丹麦最著名的科学家、哥本哈根大学的尼尔斯·玻尔开创的“哥本哈根解释”认为,波函数是一个计算工具:当被用来计算粒子拥有不同特性的可能性时,它能给出正确的结论。
 
7.维京人利用偏振光导航?
 
据《自然》杂志网站1月31日报道,相传维京人有“太阳石”的传说,当维京向天空举起太阳石时,即使是在阴天,太阳的位置也会显现出来。然而,现在的科学家通过检测天空中光线的性质,发现可能是维京人利用偏振光在大西洋中辨认方向。
 
维 京人在公元750年至1050年间广泛活跃在北欧、英国和北大西洋之间的海域里,他们 是优秀的航海家,利用夏天高纬度地区的持久日光来导航,而不是使用星星或指南针来辨方向,因为在如此高纬度的地方,指南针的作用会大打折扣。而他们是“如 何做到在北半球常有雨雾覆盖的高纬度地区进行长距离航行的”,此前一直是未解之谜。
 
现 在,匈牙利布达佩斯罗兰大学的光学研究者佳博·霍瓦斯和瑞典兰德大学的生物学家试图解 决这种关于光线性质的争论。他们在芬兰北部用180度的鱼眼镜拍摄了一些阴天或黄昏的照片,并让测试者在照片中辨认太阳的位置,然而,多数测试者都得出了错误的结论。同时,为了证明用“太阳石”是否确实能得出更精确的结论,他们在北冰洋上测量了各种天气下光线的偏振性。结果显示,在任何天气情况下,光线的偏振性质与晴朗天气下的太阳光性质极其相似,因此,维京人利用“太阳石”辨认方向的方法是可靠的。
 
8.世界首个“细胞激光器”问世
 
据《自然》杂志网站6月12日报道,美国马萨诸塞州综合医院的研究人员成功地制造出了全世界首个活的“细胞激光器”——他们利用表达了绿色荧光蛋白(GFP)的肾脏细胞制造出了一种纳秒级的激光脉冲,用单个活细胞作为增益介质产生了激光。
 
科 学家们最初在水母中发现了GFP蛋白,其可在不添加其他酶的情况下被诱导发光。研究人员给一个直径约20微米宽、1英寸(2.5厘米)长的圆筒两边装上镜子作为光学共振腔,共振腔内装满GFP水溶液,再向其中放入肾脏细胞。结果发现,肾脏细胞不仅能产生激光脉冲,也能像透镜一样将光回聚并诱导激光发射。更重要的是,该激光设备中的细胞在发光过程中仍然存活,能持续产生数百次激光脉冲。尽管 单个激光脉冲比较微弱,仅持续几纳秒,但却很明亮,很容易探测到。
 
研 究人员认为这项成果有以下几种应用前景。首先,将其植入活的动物体内,将大大提高透视扫描的精确度,医生将也能借助这种体内激光而不是体外扫描来判断癌症病灶的情况;其次,由于不同细胞结构产生的激光在光学性质上有差异,可以通过分析最后 得到的光来研究细胞和机体组织;再次,目前医学上有一种光动力疗法,可把对光敏感的药物送到要医治的机体部位,然后用光照来激发药效,最新研制出的这种 “细胞激光器”也许可以增进这种疗法的效果。
 
9.LHC的实验数据与超对称性理论不匹配
 
据英国《自然》杂志网站2月28日报道,欧洲核子研究中心的科学家们表示,大型强子对撞机(LHC)内以高达700千兆电子伏的能量高速运作的质子加速器未能找到任何“超对称粒子”存在的证据,似乎给超对称性理论判了死刑。
 
上世纪70年代出现的超对称性理论完美解决了标准粒子模型的主要缺点,并且描述了基本粒子的行为。它还可以解释其他一些问题:人们认为暗物质构成了宇宙中83%的质量,但却从来没有发现过暗物质,而超对称性理论中预言的一些轻粒子可能就是构成暗物质的主要成分。
 
不过,近年来,科学家们对超对称性理论的担心与日俱增。尽管这个理论优雅而简洁,但它有可能是错的。现在,科学家们没有在LHC的质子加速器获得的数据中发现丝毫显示该理论所预言的“超级粒子”存在的证据。
 
我 们正在把超对称性逼入困境。”LHC超环面仪器(ATLAS)探测器实验小组的研究人员、英国剑桥大学的粒子物理学家克里斯·莱斯特说。事实上,为配合LHC的紧凑缪子线圈(CMS)实验,ATLAS在过去一整年都在寻找超级粒子。尽管 在接下来的几周时间里,LHC以高能态运行时会收集到更多数据,但如果到今年年底探测器还无法找到任何“超级粒子”的话,那么超对称性理论可能会陷入巨大 的麻烦中。
 
10.中微子超光速实验计时受质疑
 
欧洲核子研究中心有关中微子超光速的实验结果一经公布,就引发了轩然大波,到10月5日,就有30多篇论文试图用各种稀奇古怪的模型来对这一结果进行解释,其中不乏质疑之声。
 
英 国帝国理工学院的理论物理学家托比·怀斯曼解释道,为了计算中微子的“旅行时间”,需 要两个时钟,一个位于欧核中心,一个位于格兰萨索国家实验室,为了使测量结果尽可能精确,这两个时钟必须保持同步(科学家们使用同一颗卫星发出的GPS信 号让两个时钟同步),误差必须限制在纳秒级内。也就是说:时钟是否同步是问题的关键所在。
 
而 英国帝国理工学院的物理学家卡洛·康特尔蒂则对时钟同步提出了质疑,他说,OPERA 团队并没有考虑到爱因斯坦的广义相对论的一个方面:地球上两个不同位置的重力会有细微差别,这会导致这两个位置上的时钟以不同的速率来记录时间。因为两地与地球中心的距离不同,欧核中心的重力要稍大于格兰萨索国家实验室的重力,因此欧核中心的时钟要比格兰萨索国家实验室的时钟走得稍慢。他表示:“这就会减 少实验的准确性。”
 
无独有偶,10月2日,法国行星科学和天体物理学研究所的基勒斯·亨瑞认为,中微子束的波动可能改变格兰萨索国家实验室探测到它们的可能性,导致结果不准确。
(作者:刘霞 来源:科技日报)

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