《自然》評出2012年五大挑戰性科學實驗

日期：2012-02-07 08:34:17

很多科學家認為，2012年將是“上帝粒子”現身之年；媒體也大都將焦點聚集在位于瑞士日內瓦的大型強子對撞機（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”，為人類了解宇宙進而了解人類自身提供更多的線索。與此同時，也有一些科學家正在潛心從事一些同搜尋希格斯粒子一樣具有挑戰性的實驗，雖然這些科學家以及他們的實驗并非那么廣為人知，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。英國《自然》雜志網站近日為我們列舉出了如下5大頗具挑戰性的實驗。

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家大衛·夏邦諾1999年時還只是哈佛大學的一名研究生，但是，他首次觀測到了另一個太陽系的一顆行星通過其母星表面時，母星光度的輕微下降。現在，這樣的“凌日”法是天文學家們發現行星的重要方法。科學家們可以借用這一方法了解行星和其大氣的結構。當行星經過其母星，母星光線便會經過行星的最外層大氣，通過仔細分析該母星的光譜，便能得知該行星的大氣成分。如果科學家們能證實行星的大氣中確實包含有氧氣，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一顆類似太陽的恒星時，會遮蔽約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家們正在尋找的光譜信息，然而，對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鏡擁有探測到太陽本身的光線發出的微小信號所需要的靈敏度，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，相應地，其光譜信息也更多。自2005年開始，哈勃太空望遠鏡和斯皮策太空望遠鏡等軌道望遠鏡已經采集到了大約40個氣體巨星的大氣光譜。夏邦諾說：“盡管最初的觀察結果受到了科學家們的質疑，因為這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的所有信息，而且，以前沒有人做到這一點。”

科學家們的最新研究成果是獲得了“超級地球”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，環繞著一顆紅矮星運行，是當前發現的唯一一顆超級地球系外行星——質量在地球和海王星之間，并具備穩定的大氣層。科學家們對這一行星進行的分析表明，該行星的大氣中充滿了水蒸氣或者云，而幾個月前，夏邦諾和同事使用哈勃望遠鏡也證實了這一點。

探測一顆類日恒星周圍的一顆類地行星的大氣結構為我們提供了最好的機會，讓我們得以探測該行星上的生物活動，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）計劃了很長時間且多次延遲發射的哈勃望遠鏡的繼任者——耗資80億美元、預計將于2018年發射的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡確實能按時進入預定軌道。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。”

看穿手性分子的“鏡像”

生物學上存在著一種奇妙的不對稱，存在著一些化學中結構上鏡像對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、化學性質。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，看上去互為對應。由于是三維結構，它們不管怎樣旋轉都不會重合，就像左手和右手那樣，因此，科學家們將其稱為手性分子。當化學家們在實驗室制造這種分子時，一般會得到兩種形式的混合分子，而且，依照慣例，會給它們貼上左手性或右手性的標簽。但活細胞一般僅僅由左手性分子制造而成，沒有人知道為什么會這樣。

一種可能的解釋是，標準粒子物理模型預測的自然界中四種基本力中的一種——弱相互作用調停著原子核和電子之間的某些相互作用，其對左手性和右手性分子的影響不同；而包括重力在內的其他力在每個版本的鏡像宇宙中都是一樣的。法國巴黎第13大學的伯努特·達奎解釋道，從理論上而言，弱相互作用或許導致一種形式的手性分子同其鏡像“雙胞胎”分子的能態稍微有些不同，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頻率為30太赫（頻率單位，等于百億赫），那么，它與對應的另一種手性分子的振動頻率之間的差異僅為幾豪赫茲甚至幾微赫茲。

達奎表示，測量出這樣的細微差異可能有助于我們解決生物學上的這個不對稱難題，他的團隊也正致力于做到這一點。這種差異甚至能讓我們獲得標準模型的弱相互作用理論的某些參數的值。

據達奎所知，他們的研究團隊是目前全球唯一試圖解決這一難題的團隊。他花費了整整3年來組建這個由實驗物理學家、量子理論學家以及化學家組成的實驗團隊。他們現在需要解決兩個問題：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。迄今最好的光譜儀能夠識別出5/1014的能級差別，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。他們現在正在制造一個精確度更高的光譜儀。為了達到這樣的靈敏度，他們的機器不能受到任何外部振動的影響，而且需要穩定地維持在0.1攝氏度以內。另外，為了能在測量分子振動頻時獲得所需要的精確度，達奎的實驗室使用了一個分子時鐘，其通過一個光纖網絡與位于法國巴黎的世界時間標準原子鐘相連。

科學家們面臨的第二個挑戰是制造出測試分子，且測試分子的不對稱效應要大到足以被測量出來。因此，這個分子的中央原子應該很大，因為原子理論認為，這樣會讓不同形式的手性分子之間的能態差異最大，而且，當將其加熱到光譜儀所要求的氣體狀態時，分子本身也不會分崩離析。該研究團隊認為，最好的分子很有可能是甲基三氧化錸這樣的分子，其兩個氧原子被硫和硒所取代。不過，即使科學家們發現了一個能很好地用來做實驗的分子，他們仍然需要一年時間來進行足夠多的測試工作以增加信號與噪音之間的比率并得到更準確的數據。達奎表示：“問題越困難，當你解決它的時候，你就會越高興。”

達奎表示，即使他們的實驗并不能解決生物學上的這一難題，他們也不會因此而失望，因為，他們正在研發的技術將可用于對很多基礎物理學理論進行測試。他說：“科學家們正在對能級更高或更低的粒子進行精確的測量，分子越復雜，測量需要解決的問題就更多，因此，我們正在研究的技術和工具將大有用武之地。”

尋找額外的空間維度

我們一直認為世界只擁有三維立體空間——左右、前后、上下，我們也認為這是一個顛撲不破的真理，無法想象還會有與其不同的情況。但超弦理論和其他試圖設計出統御世界的“萬物之理”的諸多嘗試讓很多物理學家提出了一個新觀點：空間不僅僅只有三個維度。其他額外的維度很可能緊密地簇擁在一起，并因此而藏匿于我們的日常經驗之外。不過，這些額外的維度也并非完全隱形，它們會對牛頓經典重力理論所預測的重力產生非常輕微的影響。能夠探測到重力在這種尺度上的細微變化的實驗因此能“看到”任何其他的維度。

美國華盛頓大學實驗核物理和天體物理學中心的艾瑞克·阿德爾伯格于1999年首次聽說了這種想法。他說：“有些人認為這種想法很瘋狂，但是，也有些人認為這一想法很酷。”他和同事決定親自測試這一想法。“還有比發現我們對世界維度的理解是錯的更令人興奮的事情嗎？”

阿德爾伯格團隊選擇的工具是扭秤。他們對英國杰出的物理學家和化學家亨利·卡文迪什在上世紀70年代晚期首次用在實驗室測量重力的扭秤進行了改良。在他們設計的現代版扭秤中，一個金屬圓筒懸掛于一條絲線下，因此，圓筒能自由地扭轉。圓筒底部黏貼著一個名為探測器的圓盤，圓盤上鉆滿了一圈小洞。距離第一個圓盤幾微米之下的地方放置有第二個具有同樣鉆洞的名為吸引盤的圓盤。當該吸引盤旋轉時，其上的小洞之間的物質會對名為探測器的圓盤上的小洞之間的物質施加一個微小的引力。這種力會讓懸掛圓筒的絲線發生扭曲，導致圓筒旋轉幾十億分之一度。

為了確保探測器圓盤是對重力而非其他力作出反應，以上設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備上傳播開來。這些設備也必須被制作得非常完美且不能受到任何震動（包括汽車駛入外面的停車場產生的震動等）的影響。阿德爾伯格表示：“我們在周末午夜到凌晨四點得到的數據最好。得到好數據的時間實在太短暫了，這令人有點沮喪。”

迄今為止，阿德爾伯格團隊能夠確定的是，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隊正努力讓這一極值變得更小。但是，他表示，額外的維度越小，他們所需要耗費的時間就越長。他說：“如果存在著一個30微米的維度，那么，驗證它的存在將花費1年。”

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，他相信他們一定會成功。他說：“事情越困難，當你解決事情的時候，你的感覺就越好。”

捕捉引力波

美國國家射電天文臺的天文學家斯科特·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論最基礎的一個預測——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識宇宙。如果捕捉到引力波，我們就能用質量代替光來理解宇宙。”不過，他也表示，這一研究可能要耗費10年才能得到第一個結果。

蘭瑟姆表示，關于萬有引力的本質是什么，牛頓認為其是一種即時超距作用，不需要傳遞的“信使”；而愛因斯坦則認為萬有引力是一種跟電磁波一樣的波動，并將其稱為引力波。愛因斯坦認為，引力波是時空曲率的擾動以行進波的形式向外傳遞。蘭瑟姆說：“就像輕輕搖動一個電子就會導致周圍的電場和磁場出現波紋來向外傳遞光和其他形式的輻射一樣，當你搖動某些龐然大物時，它就會釋放出引力波。”

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，導致其直徑增加約10納米左右。很多地面實驗希望能探測到這樣的細微抖動，比如，由加州理工學院和麻省理工學院攜手進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與駛過的車輛產生的噪音、雷聲甚至100公里遠的海波的漲落所導致的背景噪音分離開來。

蘭瑟姆和熱心這項研究的同事正朝著一條他們認為更簡單易行的道路前進：他們希望通過觀察脈沖星來獲得引力波的信號。脈沖星是一種超級稠密的星體，其中有些脈沖星一秒鐘之內會旋轉數千次，每次都會釋放出一束輻射，時間不足100納秒。該研究團隊希望監測大約20個這樣的遍布整個天空的脈沖星，以找到非常低頻的引力波收縮或者擴展它們和地球之間的時空所導致的輻射時間的偏差。他們認為，信號最強烈的引力波的一個來源是遙遠的、相互碰撞的星系內質量龐大的黑洞長達數年的跳動。

蘭瑟姆是10個致力于解決這一問題的人中的一個，這些人由國際脈沖星計時陣聯盟統一協調。好消息是，他們不需要額外研制任何工具：現在世界上最大的單碟片望遠鏡——位于波多黎各的阿瑞西波無線電望遠鏡能勝任這項工作。壞消息是，需要對脈沖星進行大約10年的監測工作才能捕捉到環繞黑洞旋轉的脈沖星發出的引力波。迄今為止長達5年的研究中，他們僅僅對6顆脈沖星進行了計時測量。

蘭瑟姆表示：“讓我們感到興奮的事情是，隨著時間的推移，我們發現引力波的機會越來越大，只要我們有信心，我們就能看到引力波。”

對千克進行重新定義

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，經仔細調校，符合自18世紀法國大革命以來“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，人們一直認為這一合金的質量不會改變。

在國際單位制里，除了“千克”，其余6個單位“米”“秒”“安培”“摩爾”等都不是以物體來定義的，質量是唯一一個以物體來定義的國際單位。用物體來定義重量單位的一個缺點就是物體的重量會隨著時間的流逝而改變。實際上，到了1992年，國際千克原器的質量就發生了變化。經與其他“千克”原器相比，國際千克原器變化了約50微克，相當于一個直徑0.4毫米的小沙粒。BIPM質量部主管艾倫·皮卡德說：“確切地說，我們無法確定它的質量是多了還是少了。這一變化可能是由于表面影響，失去了表面原子或結合了污染物。”

美國國家標準與技術研究院工程師喬恩·普拉特表示：“到了我們需要對千克進行重新定義的時候了。”普拉特是參與重新定義千克的諸多度量衡學者中的一名。

參與這項研究的科學家們的基本想法是讓千克成為基本的物理學常量，就像現在用光在真空中的行進速度來定義米一樣：在真空中行進的光在299792458分之一秒內旅行的距離為一米。有鑒于此，這些科學家正研究以更穩定的量子力學常數——普朗克常數h取代物體，重新對“千克”下定義，并盡快達成200年來科學界尋求用穩定數字來統一度量制度的目標。物理常量普朗克常數反映的是量子力學中能量子的大小，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。將這一等式與更加著名的E=mc2結合在一起，科學家們就可以據此定義質量了。

然而，為普朗克常數確定一個精確的數值本身也是一項非常復雜的工作，目前科學界有兩種不同的方法來確定普朗克常數的數值，而他們得到的結果卻并不一致，由此也讓科學家們對千克進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。科學家們的想法是：瓦特天平的一端包含有一個普通天平，剛開始，研究人員把一個質量為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，線圈位于一個磁場強度為B的磁場中。在線圈中通以強度為i的電流，線圈就受到了一個大小為BLi的力的作用。仔細調節電流強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聯系起來。但實際情況卻并非如此簡單。科學家們仍然需要測量其他數值，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。