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《光子科学》宇宙暗能量的发现者世界上“抓住原子”第一人将空降上海

2018-10-27 18:51:46来源:汇博资讯网点击:16...

  下周一,首届滴水湖论坛将在浦东临港举行。这场国内迄今为止诺贝尔奖科学家参加人数最多的科技盛会将围绕四个关乎人类健康和社会的重要学科展开——光子科学、生命科学、药物医疗、脑科学与人工智能。

  世界顶尖科学家光子科学与产业论坛将作为其中一个主题论坛,将在滴水湖论坛的首日举行。世上“抓住原子”的第一人、1997年诺贝尔物理学奖得主朱棣文,宇宙暗能量发现者之一、2011年诺贝尔物理奖得主亚当·里斯等44位光子科学领域的顶尖科学家将围绕光子科学、超材料等尖端科技和产业化问题展开头脑风暴。

  长久,关于光是粒子还是波的论战,是物理史上持续最长、程度最激烈的一场酣战。牛顿最早提出光的粒子理论,而麦克斯韦的电磁学理论认为光是一种波。1887年,赫兹在黑暗的实验室里观察到电磁感应上两个铜球之间激起的火花,证明了电磁波的存在。到了1905年,爱因斯坦提出光是由称为“光子”的粒子组成,借此解释了光电效应,他也因此了诺贝尔物理学奖……

  然而,人类的发展就离不开对“光”的利用和开发,一个世纪以后的今天,对光的探索也从理论鏖战慢慢走向了实际,强调光具有粒子和波动双重性的光子科学应运而生。

  光子科学覆盖了整个光谱频段的技术。探测宇宙,可以选用无线电波;跟踪飞机,可以选用微波(雷达);要“看清”病毒、蛋白质分子甚至金属原子等微观物体,必须与这些微观物体大小相近或更短波长的光束。人们用光来测距,用光来传输信号,甚至还能够超光速地传输信息。

  在上海,上海光源是位于张江高科技园区的光子大科学装置,这里诞生的超强超短激光是目前世界上已知的最高光强光源。在上海光源,科学家们能够这里的x射线波段的光子,探测研究的各种属性,更为重要的是利用各种能量的光子实现动态分子水平上的分析和控制。在国际上不乏这样的应用,比如瞩目的引力波,正是来自LIGO(激光干涉引力波观测站),它是借助激光干涉仪聆听来自宇宙深处引力波的大型研究仪器;美国能源部依托阿贡先进光源等三大同步辐射装置,解决了美国能源、材料和生物等领域前沿科学问题和关键。

  上海建成世界级的光子大科学装置集群,不仅可以聚焦世界科技前沿探索科学未知,还可以聚焦国家和重大。而此次滴水湖论坛的主题论坛聚焦光子科学,出席嘉宾中不乏光子领域赫赫有名的明星,未来三天,他们将在滴水湖畔开展一场关于光子科学的原创思想碰撞。

  记得中学上物理课时,曾做过有名的布朗实验:把几颗花粉浸入静止的水中,花粉粒并不会马上下沉,而是在水中作不规则的运动,这表明水分子本身在不规则地扰动。

  组成世界的原子以超音速飞机的速度不停(大约每小时4000千米),由于原子有着如此快的运动速度,科学家一直难以对其进行更深入的观察和研究。“抓住原子”是物理界一个长久的梦想,一些过来人屡试屡败。

  要在室温下测量气体原子的有些物理特性是很困难的。如何让气体原子慢下来?最直观的结论是降温。要使气体原子速度降到足够低,温度必须降到绝对零度(-273摄氏度)附近,这时,几乎所有的气体都将凝成液体甚至冰晶。

  为了解决这一难题,美国斯坦福大学华裔教授朱棣文于1985年首次发明了“激光致冷捕捉”技术——用6束激光分别在上下、左右、前后方向上轰击气体,将气体原子束缚在一个很小的区域内,因而降低其速度的效果。气体原子的速度降低了,温度也就相应。就这样,朱棣文和其他一些科学家在微观世界里创造了一个异常“冷静”的角落——原子变得非常听话。科学家们从此就可以将原子“抓住”,不让它们乱跑,也就能对悬浮在空间近乎不动的原子进行。

  1997年10月15日。瑞典斯德哥尔摩。瑞典皇家科学院宣布,将1997年的诺贝尔物理学奖授予朱棣文博士和美法的另外两位科学家,以表彰他们找到了用激光冷却和捕捉原子的新方法。这是物理学理论研究的一项重大,极大地加深了人们对低温气体的量子物理状态的理解。

  朱棣文的发明,不但使科学家获得了一个新的研究,也将为人类带来进步。当原子被“抓住”后,可用来研制更精密的原子钟,应用于全球定位系统(GPS),能使全球的定位精度从现在的10米左右提高到小于1米的范围内。高灵敏度的原子干涉仪可更精确地测量地球表面不同地点重力加速度的变化,在石油勘探和找矿以及测定地球自转速度和预报地震等方面都有重大的应用前景。在生物科技方面,生物学家利用“激光冷却原子”技术可以测量DNA片段的物理特性,这有助于推进人类基因组计划的研究。

  2011年诺贝尔物理奖得主,也是暗能量发现者之一的亚当·里斯(Adam G Riess)所领导的宇宙学研究团队,经过6年分析哈勃太空望远镜观测数据发现,宇宙膨胀速度比目前学术界普遍公认的数值要大,这意味着星系间彼此远离速度比此前计算的更快!

  “宇宙的膨胀并不是在减速,而是在加速,这个结果让爱因斯坦知道了恐怕也要大吃一惊。”今年8月,亚当·里斯在一个世界科技创新论坛上说,宇宙加速,其背后起作用的就是暗能量和暗物质,宇宙中的70%都是由暗物质和暗能量组成的。

  暗物质是什么?相对于可观测来说,这种物质无法被人类直接看见或者到。它们不跟光波发生,对各种光作用都无动于衷,所以人类既看不见,又测不到它。史上著名的大人物比如开尔文、庞加莱,都曾猜想过宇宙间存在“黑体”。但事实上,暗物质不只是大科学家的猜想而已,它最先是靠强有力的理论推导出来的,这个理论就是最著名的广义相对论。

  1915年,爱因斯坦提出广义相对论的那一年,他就得出推论:宇宙中物质的平均密度必须每立方厘米5×10ˉ3o克,这样全宇宙才能稳定。后来经观测得出,宇宙物质密度远远小于这个理论值,竟整整小了100倍。尽管,爱因斯坦不可能预知到这个观测值,但他知道这个很重要,还跟荷兰天体物理学家威廉·德西特,共同一篇有关宇宙存在“看不见物质”的论文。

  1998年,亚当·里斯为高红移超新星搜寻队领导了一项研究,该小队最早透过观测超新星而发现了宇宙膨胀速度增加的证据。1998年《科学杂志》将该发现称为“年度突破”。

  他们是如何做到的呢?首先找到标准烛光的天体,即超新星,这种超新星离我们越远亮度越低,所以可以通过烛光的亮度判断离我们的距离。由于空间的扩张,光子从超新星照向地球的时候,由于空间在扩张,它的波长也会被拉长,波长拉长之后就偏向光谱的红端,即光谱红移,所以观察亮度和红移就可以判断距离,由此得到结论宇宙在膨胀。

  膨胀的速度就是星系离我们远离的速度。那么宇宙的膨胀是在加速在减速呢?一般人可能会觉得宇宙膨胀的速度是在减速,因为引力,就像是发射火箭一样,地球的引力会让火箭逐渐落回地球。里斯和团队通过超新星的观察,发现宇宙在历史上的膨胀轨迹,通过大的望远镜对天空拍照,大概每一个月把这些照片进行一个比对,看看在照片上是否出现超新星,然后再评估超新星的亮度和红移的程度,从而判断超新星离我们的距离以及宇宙膨胀在加速减速。结论让所有人大吃一惊,宇宙的膨胀并不是在减速,而是在加速。

  不过提一下,尽管宇宙空间在膨胀,不过我们不用,这一现象只显现在宇宙大尺度上,比如星系之间彼此加速,不会也不可能在太阳系或者地球上。至于原因,其实很简单,人类实在太渺小了。

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