物理、太空与科技

 

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  26.石墨烯:奔向未来
 
  在这个三维世界中存在着一种最基本的认知,那就是任何事物都被赋予了深度、广度和高度。但这样的概述似乎很容易掩盖一类物质,即原子或分子的晶体薄膜,特别是从传统原子中剥离出来的二维晶体。这一想法一直在指引科学界不断地向“未来材料”进军。
 
  2004年,安德烈·盖姆和同事首次发现了一种蜂窝状的碳原子单层――石墨烯,其硬度胜过钻石,拉伸性优于橡胶,并具有超高的比表面积。
 
  石墨烯不仅有良好的防水性以及媲美金属铜的导电、导热性,而且其晶体管的传输速度远远超过硅晶体管,这正是欧洲粒子物理研究所(CERN)欲制造出高速量子粒子设备的希望所在。
 
  随着石墨烯的优质特性逐渐显现,它已成为科学界的“宠儿”并被寄予厚望。乐观者认为,我们正步入一个前所未有的碳时代。尽管也有一些悲观者认为,石墨烯的光芒可能只是“昙花一现”。
 
  ――安德烈·盖姆,2010年诺贝尔物理学奖得主
 
 
  27.拓扑绝缘体:一种新的电子自旋
 
  自旋电子学是电子学领域中的一门新兴学科。在其论点中,信息传输和设备控制不受电流控制,而是受电流中单个电子的量子力学自旋的操纵。
 
  尽管理论上切实可行,但在实践中还是遇到了一些障碍。自旋本是一种磁效应,即使对于微型计算机芯片,我们所知道的如何控制电场是远远不够的;而引进“拓扑绝缘体”概念就是要走得更远。
 
  2005年,科学界假定存在一种全新的量子物质态――拓扑绝缘体,即量子力学效应使其表面的电子自旋直接受电场控制。
 
  由于电子自转方向与电流方向之间存在的确定关系,即来自不同方向的电子会沿着单向“通道”流动,并行不悖、互不干扰,最终导致“电子高速公路”的出现。包括电子之间不发生碰撞,能有效减降能量耗散,比传统的硅芯片更加敏捷,也不会陡增到现今高耗能芯片一样的温度。如果这项技术被规模化生产,将会获得温度更低、耗能更少、速度更快的电子自旋器件。
 
 
  28.火星岩石:造访红色星球
 
  1960至70年代,从对“阿波罗登月计划”带回的月球岩石分析得出,太阳系自形成初期的组成物质至今仍无显著变化,这成为了研究行星构成的理论基石。
 
  理想情况下,我们期望通过分析各种岩石样本来证明相关理论的正确性。以前的研究大多注重对来源明显的火星标本进行原位化学探测,而目前开展的一系列全面而广泛的实验,意味着这颗红色星球将以整体形式出现在研究的视野中。
 
  这些举动也许能告诉我们火星的起源与发展,并依次解开一个个谜团:早期火星曾经历过多大规模的火山爆发?它是否曾被海洋覆盖过?如果生命起源于火星,那么存在能验证这个假设的会是火星岩石吗?对于这些谜团的解答也许还要假以时日。
 
  与木星探测计划相比,美国科学院更垂青“火星取样返回”计划。尽管布局周密,但如何摆脱火星引力仍是技术攻关的一道障碍。因此,这个“破天荒”任务可能还要等上15年甚至更长时间才会实施升空。
 
 
  29.网络望远镜:网络融入生活
 
  简而言之,社会科学的基本问题是由孤立的个人组成联系紧密的组织,进而产生家庭、公司、市场和社会。
 
  长久以来,我们一直在思索个人与组织的关系。眼下,成千上万的人利用电子邮件、搜索引擎、社交网站、电子商务网和智能手机,随时在线更新社交活动,实现快捷的人际交流。网络和社会科学的关系,正如望远镜和天文学一样唇齿相依,使曾经看不见的世界变得清晰可见。
 
  人们利用电子邮件等即时通讯工具,能快捷地通知和筹措大型群体活动;根据网络搜索量的排行榜,能准确获知本季的流行歌曲和热门电影。不仅如此,拥有5亿用户的社交网络“脸谱”――Facebook,更是根据用户的状态更新速度、词语性质等,用来评测国民幸福指数。
 
  这些成功只是人类在网络生活中迈出的一小步,还无法触及诸如经济不平等、宗教不宽容等宏观的社会科学问题。曾几何时,宇航员的太空探索已改变了全人类对宇宙的认识。相比之下,网络并非遥不可及,但一次次信息革命之后,却没有引发人类对自身、社会更深层次的思考。
 
  ――邓肯·沃茨,雅虎“人类社会动力学”研究小组主持人
 

Record everything (Image: Paul Edmondson/Getty)

 

  30.AdS/CFT对偶:来自黑洞的超导体
 
  在物理学的所有分支中,黑洞最具吸引力――令人难以置信的是它遍及整个宇宙。事实上,黑洞可能就存在于你附近的一个实验室里,只是需要利用近代物理学中最古怪的看法来认识它――这就是“AdS/CFT对偶”。AdS/CFT对偶的概念源于弦理论(string theory)。弦理论是指黑洞等重力物质,在一些物理实验室中所探测到的新颖量子(exotic quantum)的属性,需要采用一种间接且精确的方式来编码。
 
  众所周知,采用这种方式的原因在于量子物质非常神秘,尽管已有大量工具来“应对”黑洞和类似物质,但通过AdS/CFT,便可以利用其中的一个现象来解释另一个现象。比如,高温超导体是一个长达24年的谜团,其量子运行方式使之能在绝对零度之上仍具有畅通无阻的导电性。如果能破解这个谜团,人类将实现室温超导的梦想,同时也将改写高温超导的术语。
 
  这个最大的物理学梦想能否实现,取决于AdS/CFT对偶在另一方面所传递的信息。所谓“另一方面”,是指量子物质实验加深我们对重力的理解以及产生统一的量子重力理论。
 
  ――扬·扎宁,荷兰莱顿大学理论凝聚态物理学家
 
 
  31.量子达尔文主义:优胜劣汰的世界
 
  自量子理论提出伊始,就让众多优秀科学家大吃一惊:量子物质可同时存在于不同地方,或进行顺时针和逆时针自旋。但对其进行观测时,却只能获得单一的答案。原因何在?
 
  也许,量子世界中也存在达尔文式的优胜劣汰:量子态之间通过相互竞争来吸引我们的“关注”。因此,我们所观察到的只是经过“斗争”之后的“适者生存”状态,这种状态极大地影响着周围环境。
 
  去年,科学家通过反复实验,观测到量子点上存在着微小的电子组合,似乎证实了“量子达尔文主义”的一些预测。如果这个想法最终获得证实,就会解开先前的疑惑――量子系统只对其周围环境产生影响而自身似乎“丝毫未动”。
 
 
  32.慢光:降低光速
 
  光是宇宙中最快的物质。不仅如此,它还能被随意地减速甚至停留在轨道上。
 
  事实上,这里似乎偷换了概念:能够减慢或停留的并非光的速度,而是它所携带的信息。将一束光能调谐脉冲发射到一团被称作“玻色-爱因斯坦凝聚体”的超冷原子中,这束光脉冲会与凝聚原子产生谐振,使得光所携带的信息转移到原子中。接着发送第二束光脉冲,可将信息从原子中拉出并带走。
 
  这是一个里程碑式的发现。如果人类能够掌握这一技术的细节,就能轻松地存储光所携带的数据。这无疑推动了超速计算机时代的到来,让繁重的硅元器件成为历史。
 
 
  33.基于主体的建模方法:一人一世界
 
  如何演绎太阳系的演变过程?简单地说,在理论层面上,就是利用计算机方程来演绎每个星球的运动轨迹,并附上其质量等相关物理数据,之后很快就会获得一幅亿年前的太阳系全貌。
 
  实际上,太阳系中的真实情况并非“三言两语”这么简单。就好比模拟人类的社交活动,因为人数众多,情况也多种多样,利用电脑方程来描述每个人的行为方式绝非易事。
 
  基于主体的建模方法便是围绕这些问题而展开,它在对微观个体进行数学建模的基础上,利用计算机模拟技术来推演社会演化发展的过程。既重视群体中的每个个体的特性,更重视个体之间的相互交互作用,从而为社会科学研究提供了一种动态的分析视角。
 
 
  34.变换光学:光接触
 
  保持电子在轨道上运转是一件很容易的事,它们能乖乖地呆在和几纳米一样薄的金属丝里。相比之下,光子就没那么容易被“驯服”了。最薄的光学纤维直径仅有微米大小,用它来制作电脑芯片是否是一个遥不可及的梦想?
 
  变换光学似乎带来了解决之道,它提供给光一条“出路”,就像水流绕过阻碍一样,最后到达远远小于光波长度的聚集点上。其中的奥秘在于,光线以及它所产生的电场和磁场如同像是嵌入到一个橡胶板里,通过拉伸橡胶板,就可根据需要随意操作。这个被曲转的橡胶板告诉我们,传输介质的正确特征将具兼有电场和磁场的属性。
 
  这种被设计的介质后来被用来制作“隐形斗篷”的“超材料”而闻名:通过引导辐射顺利地绕过障碍物而达到“隐形”效果,或是大规模地收集光线并聚焦到一个光敏分子或量子点上的纳米范围里。变换光学为控制电磁带来了新的途径,也使光子能够像电子一样被“驯服”。
 
  ――约翰·彭德瑞,伦敦帝国学院理论物理学家、“隐形斗篷”发明者
 
 
  35.霍扎瓦引力:时空的终结
 
  1915年,爱因斯坦在他的相对论中提出,时间与空间会交织成一个时空。但一个世纪之后,它们会彼此分开。
 
  广义相对论提供给我们一个关于重力的解释。这不是一个量子理论,也不是描述其他三种自然力的理论。捷克物理学家皮特·霍扎瓦在2009年提出,如果时空改变相互独立的状态,那么,重力就会受到量子论发展的影响。
 
  将爱因斯坦的相对论和牛顿的量子论结合,将会产生物理学迄今为止最大的科学突破――“万物之理”(a theory of everything)。这个理论能回答诸如“当微观量碰到猛烈的重力时,宇宙大爆炸发生了什么”等问题。另外,弦理论等一些悬而未决的复杂假设也试图从中获得解答与验证。也许,只有时间才能告诉我们正确的方向。
 
  将爱因斯坦的相对论和牛顿的量子论结合,将会产生物理学迄今为止最大的科学突破――“万物之理”。
 
 
  36.“记录生命”:永恒的数字
 
  1945年,美国工程师万尼瓦尔·布什介绍了一个关于个人“扩展存储器”的设想――一个被延展的私密记忆装置,可以存储、搜索和复查一生阅读的所有书籍、记录与他人的信息交流。50多年以后,比尔·盖茨预测,终有一天,计算机将储存每个人一生中的所见所闻。
 
  这一天已经到来。从2001年开始,戈登·贝尔和吉姆·盖梅尔相继展示了“记录生命”的到来:拥有一个可注释、可检索的数据库,在其中存储下信件、论文、照片以及音频、视频。将百万兆字节内存条同数码相机、生物传感器以及全球定位系统结合在一起,人们就能实时记录身边发生的事情。
 
  究竟是乌托邦式的幻觉,还是反乌托邦的噩梦?这将取决于涉及保护个人隐私的法律条例。例如,我们有什么权利来记录同他人之间的交往活动呢?然而“记录生命”的好处是毋庸置疑的。2009年,英国研究人员发现,那些用相机记录下的影像能帮助失忆的人恢复曾经的生活回忆。
 
  对社会学家来说,广义上的“记录生命”意味着一个前所未有的庞大数据流,能够增进对人类行为的了解。而对个人来说,可能预示着“沧海一粟”的永生。
 
  ――戈登·贝尔,微软公司旧金山实验室科学家
 
 
  37.电子黏土:任意成型
 
  电子黏土可以塑造任何物体,几乎无所不能――由一个个被称为“catom”的微型智能部件组成,可根据被绑定的程序指令排列成所需的三维结构。在最新的一次亮相中,catom以毫米大小的卷曲式材料出现,通过远程控制的静电力进行形状的任意改变。
 
  研究初期主要集中在catom的可拆卸性上,而现在则更倾向于加强其稳固性。电子黏土的最终应用可能会从简单地安装座椅、桌子或书架发展到在视频会议中的应用,异地发言者的微型“克隆”也许会出现在你的屋子里,仿佛面对面在交谈。
 
 
  38.平方千米阵:探测黑暗的宇宙
 
  使用传统望远镜还无法观测到宇宙全貌。为了探究在恒星和星系形成之前的“黑暗时代”,需要制造出一个前所未见的工具――平方千米阵(SKA)――由上千个射电望远镜组成阵列。澳大利亚与南非凭借良好的无线电接收环境从众多候选地中脱颖而出,并将在2012年争夺该项目的最终运作地。
 
  科学家预测,平方千米阵可以探测到宇宙大爆炸之后第一代恒星和星系形成时发出的电磁波,并揭示出磁场在恒星和星系演化过程中的作用以及观测暗能量产生的种种效应,甚至能够接受到地外生命发出的无线电信号。简而言之,平方千米阵将掀起未知宇宙的神秘面纱。
 
 
  39.磁单极子:电磁学的缺口
 
  就像迪士尼魔幻电影《魔法师的学徒》所表演的那样,一条磁铁总是同时拥有南、北两极,即便将它摔成两半,两块磁铁会瞬间形成南极和北极。看上去,南极和北极似乎永不分家。能不能只产生一个磁单极?
 
  “当然可以!”物理学家给出肯定答案。众所周知,电荷能分出正负。根据对称性原理,磁铁似乎也能分成独立的南极和北极。更何况,描述宇宙诞生的最好理论也需要磁铁单极子的存在。
 
  过去80年里,科学家一直在月球尘埃、宇宙射线、粒子加速器中的碰撞碎片中寻找磁单极子的踪迹。尽管在这个过程中发生过许多令人惊喜的“发现”,但总是有惊而无喜。什么时候能找到真正的磁单极子,乃至它是否真实存在,都是一个谜。
 

Nuclear waste.  No problem (Image: Patrick Landmann/SPL)

 

  40.忆阻器:人造大脑的缺失环节?
 
  忆阻器被认为是电路的第四种基本元件,仅次于电阻器、电容器及电感器。尽管这些“有记忆”的电阻器早在40年前就已出现,但真正意识到这种“记忆”作用的是2008年的事情。
 
  由于忆阻器尺寸小、能耗低,可以很好地储存和处理信息:一个忆阻器的工作量,相当于一枚CPU芯片中十几个晶体管共同产生的效用。预计到2013 年,忆阻器会走入市场。
 
  研究人员发现,忆阻器还能模拟人类的突触行为,让电子信号在神经元之间传递。忆阻器电路或将成为未来电脑神经回路的基本原件。
 
 
  41.核转变:爆破“有毒”废物
 
  核反应堆能提供全世界14%的发电量,但每年会产生1.2万吨核废料,其中部分核废料释放出的有害放射性甚至可存留成百上千年。为了处理这份“有毒遗产”,目前的方法是把它们封存在地底下。
 
  另一种处理的设想是,利用超新星放射性反应来冶炼重金属,使乏燃料(the spent fuel,在反应堆内烧过的核燃料)与中子进行爆炸。在这一处理过程中,可以将有害的放射性同位素吸收到重金属里的中子,使之具有不稳定性直至降低危险性。
 
  对于最棘手的钚、铀和其他锕系元素,需要经过几千年才能消除其有害性,但核转变可以使这一漫长过程缩短到500年。
 
 
  42.超对称性:通向新现实的窗口
 
  尽管粒子物理学的标准模型取得了巨大成功,但它显然还不够完整。当我们在思考如何扩大和加深对自然界最基本运行规律的理解时,常常有一个简单的回答:超对称性。
 
  超对称性就像一个神奇的药丸,它帮助我们将自然界中所有基本的交互作用统一起来。在弦理论基础上而发展起来的量子引力理论,超对称性起着非常关键的作用,甚至能够解释填满整个宇宙的暗物质究竟是“何方神圣”。
 
  超对称性的核心是一个简单的理念:所有已知的粒子都有一个质量稍大、拥有不同量子力学自旋的“超粒子”伙伴。粒子和“超粒子”通过“超空间”产生数学上的联系,“超空间”的维度是我们所在空间的维度的平方根。当爱因斯坦相对论告诉我们时间是第四维度时,物理学、技术甚至哲学都被彻底地改变。
 
  时空维度有二次方根这种理念是一个革命性的突破吗?当欧洲粒子物理研究所的大型强子对撞机(LHC)首次搜寻到超对称性的“芳踪”时,我们将从中找到答案。
 
  ――约翰·艾利斯,欧洲粒子物理研究所(CERN)、英国伦敦国王学院理论物理学家
 
 
  43.随机矩阵理论:并非所有随机性都一样
 
  随机性往往并不那么随机。例如英国发行的国家彩票,要从49个小球中抽取6个作为数字组合,至少有一半的可能性会抽出两个连续号码。这是一种传统的随机性。但一种新的随机性似乎突然出现在数学和科学领域的数据中,这种数学上的奇特性被称为“随机矩阵理论”。
 
  一个矩阵就是一系列数字排成的矩形,矩阵的延伸和缩小是由随机分布的特征值所决定。随机矩阵常出现在重元素(铀)内核的能级分布曲线上,或是黎曼Zeta函数(用来决定重要数字的分布)零值的分布曲线上。调查随机矩阵将是数学和科学领域一个全新的方向。
 
  ――马库斯·D·桑托伊,牛津大学数学与公众理解科学教授
 
 
  44.可验证软件:计算机不会失灵
 
  和软件失灵一样,网页浏览器崩溃会令人心烦意乱,尽管它造成的后果不算太严重。但是,如果软件失灵发生在一驾飞机的自动驾驶仪上或者一个核电站的控制室内,那就另当别论了。我们的生活早已被计算机包围,如何确保它们一直正常运转呢?
 
  目前为止,我们已对所有可能出现的情况都进行了测试,其中最保险的方案就是逻辑。计算机程序是语句和命令组成的序列,它们最终都归类于逻辑。逻辑可看作是数学定理,能够使用其他确定性来获得证明。
 
  从1960年代开始,这种使用常规逻辑来检查软件的数学技术就已经出现。并且,更快的计算机、更好的算法以及更聪明的验证理论程序正在使“可验证软件”产生商业效益。在逻辑上无懈可击的软件能有效阻挡恶意攻击,因此,“可验证软件”将会带来一场确保信息安全的革命。
 
 
  45.任意子:量子计算需要一个微不足道的物质?
 
  在几千年前的原始部落里,人们依靠绳结记录数字和传递信息。最近,物理学家发现利用量子粒子也能编码数字,他们正尝试把这两种思路结合起来,用粒子的回旋轨迹来代表信息比特。
 
  这种称做“结绳记事”的拓扑量子计算正在引发数字运算的一场变革,它所使用的粒子不是普通的电子或原子,而是非阿贝尔任意子(non-abelian anyons)。这是一种“可怕”的实体,仅作为其他事物运动的产物而存在。
 
  正如风暴的存在是目睹风暴之眼的前提,如果想获得非阿贝尔任意子,则首先要在很薄的二维晶体中创造并控制电子运动,尽管这是一个棘手的问题。但是,如果能够一举突破,最终将大大提升量子计算的能力。
 
 
  46.超级计算机:新计算机更具威力
 
  尽管计算机的更新换代足够让人瞠目结舌,但其运算能力还不到我们期望的一半。即使是目前全球最强大的计算机――位于美国橡树岭国家实验室的“美洲豹”超级计算机,可提供每秒1.7千万亿次浮点计算的性能,但仍还显得魅力不足。科学家希望通过超级计算机重现宇宙的最初景象,或是准确预测地球的未来天气。令人遗憾的是,仅靠当前的超级计算机还无法实现这些目标。
 
  不过科学家表示,2030年他们将把超速度、低能耗的芯片同高速光子结合起来,设计出每秒进行十万亿亿次浮点计算的超级计算机,其运算能力相当于1万亿台当前机器的运算能力。届时,应该能轻而易举地模拟出新药对人体产生的影响、社会对气候变化的反应以及相互碰撞的星系如何产生新的太阳系等。
 
 
  47.量子光力学:探究量子力学和经典力学的边界
 
  实践一次又一次地告诉我们,世界一直在遵循反直觉的量子力学法则。然而,我们所生活的宏观世界却在依据经典法则。量子光力学可能有助于解决这个矛盾:通过束缚光子(光的量子力学粒子)的压力来操纵从纳米到宏观范围内的机械对象的性能。
 
  最近的实验演示了最初用来冷却原子云的激光冷却是如何控制小型机械设备的振动,开辟了量子谐振器在寒冷温度下发挥量子效应的前景,展示了它在传感、计量方面的应用。还有一个有趣的发现,一个肉眼可见的物体能放入两个不同位置的量子叠加态中,并且位置可随意变化。
 
  在一个全新领域检测量子理论的预言,为深入科学实践提供了独特视角。不但能更清晰地辨知经典世界和量子世界的边界,甚至还有助于实现统一量子物理和经典力学的伟大事业。
 
  ――马库斯·阿斯梅尔,维也纳大学量子物理学基础理论研究员
 
 
  48.纳米发电机:取之于人
 
  这个想法再简单不过了,把压电晶体放在鞋底下进行挤压发电。可以这么说,行人每走一步都在产生电流。如果设计合理,还可以为手机充电。
 
  到目前为止,氧化锌纳米线是最好的压电晶体材料,每立方厘米可产生约200毫瓦的电量。由于现在所设计的装置尺寸偏小,仅能产生毫微瓦电量,预计5年后将突破至毫瓦级。
 
  最后,我们还要意识到一点,这项技术的应用不仅仅是给手机充电,在生物医学、军事、无线通信和无线传感方面都将有广泛而重要的应用。
 

No small matter (Image: Eyes of Science/SPL)

 

  49.语义网:“读懂”人心的计算机
 
  网页搜索具有局限性,例如,在搜索引擎输入“哪些女性曾多次获得诺贝尔奖”这个问题时,必须要经过多次查找和浏览后才能获得正确答案。因为搜索引擎并不能真正“读懂”单词的涵义,既不了解诺贝尔是一个奖项,更不知道获奖者的奖金额度,它只是简单地根据被搜索词语的出现频率进行排序。
 
  如果能把语义的“元数据”加入到网页中,将实现搜索引擎直接给出正确答案。这就需要网页的制作者利用计算机“读懂”链接,给“诺贝尔奖”这个词组添加注释。比如,把所有获奖者的简介和新闻链接在“诺贝尔奖”上,并把每个名字标注性别。完成以上步骤后,搜索引擎就能够初步理解所输入的词语结构,查找之后所呈现出来的可能不再是网页,而是答案。如果再次面对开篇的问题时,它可能会直接给出答案:“玛丽·居里”。

 

Guiding light with new materials (Image: John Rensten/Getty)

 

  50.太赫兹辐射:X射线的“接班人”
 
  从可见光区域开始,依次扫描微波、红外线以及波长更长的电磁波谱,你会发现一种前所未见的辐射――太赫兹辐射,也称T射线。
 
  随着科技进步的日新月异,我们迫切希望它们能更好地为人类服务。与X射线一样,T射线也能穿透衣物和皮肤进行人体透视检查。但不同之处在于,T射线能避免X射线给身体带来的负面影响。除此之外,它也被用来探测复杂分子的振动能和转动能。用T射线来轰射未知物质,利用其吸收和反射情况可以显像出毒品、炸药等危险物品。
 
  目前,第一台适用于机场安检的全身T射线扫描仪已经问世。由于具备安全的保密措施,乘客不必担心扫描之后的图像会被泄露。
 

资料来源 New Scientist

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