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2013 / . 10 / . 25

超过10亿年信息存储介质或将诞生

 
 

超过10亿年信息存储介质或将诞生 

利用蚀刻技术将信息写入钨晶片中,或许能保存上百万年的时间

 

从岩石上的雕刻,到现在的磁介质数据存储,数千年来,人类一直在用各种手段保存信息。尽管在过去几十年里,人类存储的数据量出现了极大增长,但要将数据保存一段较长的时间还是十分困难。成功保存信息的关键是保证信息不丢失,但如果我们想使信息保存的时间超过人类本身,那就得有不同于日常存储所用的介质。来自荷兰屯特大学纳米技术研究所的研究者耶罗恩·德·弗瑞斯(Jeroen de Vries)指出,在极端长的时间内进行数据存储是有可能的。

 

目前广泛应用的硬盘驱动器可以存储大量的数据,但只能在室温下使用大约10年的时间。这是因为硬盘的磁能势垒较低,因此在一段时间后,其上面储存的信息就会逐渐丢失。CD和DVD光盘、纸张、磁带、陶瓷、泥版和石头等介质的寿命也是有限的。如果要使信息保留更长的时间,我们就需要寻找新的介质。

 

超过10亿年的档案存储

 

关于为什么要存储这么长时间的信息,我们可以设想很多场景。耶罗恩·德·弗瑞斯说:“一个场景是:一场灾难摧毁了地球,人类社会需要重建;另一个场景是,我们要为未来的智慧生命——无论是地球上的人类后代还是来自外星球——留下某种遗产。在这种情况下,你就会考虑将信息档案存储上百万年,甚至是十亿年。”

 

光学信息载体

 

耶罗恩·德·弗瑞斯开发了一种光学信息载体,每一个字节都是利用蚀刻技术进行书写,载体上的信息能存储极长的时间。这是一种由钨制成的晶片,用氮化硅封装起来。之所以选择钨,是因为该元素能够经受极端的温度。蚀刻到钨的表面(图中所示)的信息形式被称为QR码,其上面用氮化物保护起来。在大的QR码中,每个像素点都包含着较小的QR码,晶片正是以此来储存不同的信息。德·弗瑞斯说:“原则上,我们可以在光盘上储存任何值得保存的东西,例如蒙娜丽莎的数字图像等。在这项研究中,我们测试的是我的一份论文数字拷贝——介绍这种介质的那一章。”

 

高温老化实验

 

为了保证数据的稳定性,需要在信息与外界之间设置一道能量势垒;而为了证明这些数据能在数百万年之后依旧能够读取,研究人员进行了一次老化测试,以了解能量势垒是否足够保证数据不会丢失。德·弗瑞斯说:“根据阿累尼乌斯模型,存储介质如果能在473开尔文(200摄氏度)的烤箱中放置1个小时的话,那它就能在至少一百万年后还能继续工作。”

 

测试完成之后,研究人员发现钨晶片并没有出现明显的老化,而且还能容易地读取信息。当温度继续升高的时候,事情变得复杂起来。在713开尔文(440摄氏度)时,破解QR码变得十分困难,尽管钨并没有受到影响。德·弗瑞斯说:“接下来的研究将了解这种数据载体能否经受住更高温度的考验,例如一场家庭大火。不过,如果我们可以找到一个非常稳定的地方,例如核储存设施,那这种晶片及其上面的数据或许就可以保存数百万年的时间。”

 

不得不想到三体里的大石头啊  转自 物理
2013 / . 10 / . 23

神奇的超热水滴可沿斜面“逆坡而上”

 
 

 

神奇的超热水滴可沿斜面“逆坡而上”

由于水滴在热平底锅上受热,温度可达到液态沸点的两倍,从而出现水滴跳跃的情景,这种使水滴悬浮的现象是由于水蒸汽作为一种屏障,使水滴和热表面相分离。

 

神奇的超热水滴可沿斜面“逆坡而上”

英国巴斯大学研究人员发现水滴基于莱顿弗罗斯特效应可在带有齿状结构倾斜表面上攀爬

 

如果你在热平底锅洒上水,将会看到莱顿弗罗斯特效应,由于水滴超炽热表面是液体沸点温度两倍,水滴开始跳跃和发出嘶嘶声音,甚至一些水滴还会“逆坡而上”。

 

这将使水滴悬浮在蒸汽上,蒸汽作为一种屏障,使水滴和炽热表面相分离。英国巴斯大学亚历克斯-格兰德斯(Alex Grounds)和理查德-斯蒂尔(Richard Still)观察研究了水滴在不同温度下受热,不同纹理表面的相应表现。

 

他们发现通过改变温度能够使水滴运动方向发生变化,甚至这些水滴能够攀爬陡坡表面——带有齿状结构有倾斜表面,形成“莱顿弗罗斯特迷径”。

 

使用不同排列沟槽的扁平烤盘,莱顿弗罗斯特迷径引导水滴至不同方向,格兰德斯说:“我们认为水滴改变方向取决于水蒸汽从液滴表面蒸发的速度有多快,以及多少液滴悬浮起来,结合所接触物体表面纹理,使其能够沿着不同方向移动,甚至攀爬陡坡。”

 

这项研究将用于研制控制小液滴和热传递的更多复杂方法,例如:没有可移动部件的冷却系统。

  转自 物理
2012 / . 09 / . 22

2012搞笑诺贝尔奖公布:黑猩猩看屁股认个体

 

一年一度的搞笑诺贝尔奖今天揭晓,共颁发十个不同领域的奖项。俄罗斯一家公司因将老旧武器制成钻石获和平奖;荷兰和美国科学家因发现黑猩猩通过屁股辨认个体获解剖学奖;文学奖授予了美国政府责任署,以表彰他们发表的有关如何准备一份报告的报告的报告的报告。

 

搞笑诺贝尔奖(The Ig Nobel Prizes)是在美国举行的一项年度奖项,是对诺贝尔奖的搞笑模仿,其主要奖励那些“不同寻常”或者“细碎”的科学研究成果。之所以设立这个奖项,其目的是为了奖励那些“乍看起来让人发笑,但是随后发人深省”的研究工作。

 

美国政府责任署(GAO)在今年5月10日发布的一份报告获得了这一殊荣,该报告的标题是《应采取行动重新评估估算成本报告和研究的努力所造成的影响》。颁奖典礼上,主持人称颁发这一奖项的原因是:该政府部门的做法阐释了“如何准备一份报告的报告的报告的报告的报告…”

 

此次颁奖典礼主办方,《不可思议研究年报》编辑马克·亚伯拉罕(Marc Abrahams)评价说本次颁奖典礼上充满了头发,咖啡,鱼,歌剧演员,还有满天飞的纸飞机。当然他所说的这些指代的就是本次评选中的一部分或将作品,比如对死去三文鱼大脑的研究,还有为什么头发会变绿色等等。

 

但是尽管看上去有些不着边际,这一奖项的背后目的却是严肃而认真的:主办方邀请了5位真正的诺贝尔奖获得者来到现场为获奖者们颁奖。这些学术大师包括1986年度诺贝尔化学奖获得者杜德利·赫施巴赫(Dudley Herschbach),1993年度诺贝尔生理学和医学奖获得者里奇·罗伯茨(Rich Roberts),2005年度诺贝尔物理学奖获得者罗伊·格劳伯(Roy Glauber),2009年度诺贝尔生理学和医学奖获得者杰克·肖斯塔克(Jack Szostak),以及2007年度诺贝尔经济学奖得主埃里克·马斯金(Eric Maskin)。

 

主办方还竭力让颁奖典礼现场呈现出一种诙谐幽默的氛围:经济学奖得主马斯金博士被安排了一场“赢取和诺奖得主约会大赛”的环节,让在场的观众们打开自己手上的小册子,如果上面有一个特殊记号的观众就是幸运的受邀嘉宾;主办方也努力让现场保持着高效的快节奏:那些受邀之后特地从世界各地自费飞来的获奖者们只被允许用60秒的时间来致获奖词。

 

而掌控这一切节奏的人,就是两位可爱的8岁小姑娘,当获奖者说话超过60秒时,她们就会出现在他们面前大声喊着:“这太无聊啦!!”

 

获奖名单:

 

心理学奖

 

来自荷兰的Anita Eerland和Rolf Zwaan,以及来自秘鲁的Tulio Guadalupe被授予搞笑心理学奖,其研究题目是《向左倚靠会让埃菲尔铁塔看上去更小一些》。

 

和平奖

 

俄罗斯SKN公司被授予搞笑和平奖,以奖励他们将老旧的俄国武器制作成钻石的生意。

 

声学奖

 

来自的日本的Kazutaka Kurihara和 Koji Tsukada被授予声学奖,以奖励他们发明的“沉默枪”这是一种可以打断人说话的机器,其原理是让说话者听到自己稍有延迟的说话声音……

 

神经科学奖

 

美国科学家Craig Bennett,Abigail Baird,Michael Miller,和George Wolford被授予搞笑神经科学奖。以奖励其在脑科学研究方面的贡献。他们的研究显示,利用复杂的设备加上简单的统计学方法,你几乎可以在任何地方得出有意义的脑活动研究结果甚至是在一条死去的三文鱼身上也是如此!

 

化学奖

 

拥有瑞典和卢旺达双重国籍的Johan Pettersson被授予搞笑化学奖,以表彰其揭示了这样一个奥秘:为何在瑞典小城Anderslov的某些房屋内,一些人的头发会变绿?

 

文学奖

 

今年的搞笑文学奖被授予美国政府责任署(GAO),以表彰他们发表的有关如何准备一份报告的报告的报告的报告……

 

物理学奖

 

美国研究人员Joseph Keller 和Raymond Goldstein以及英国科学家Patrick Warren和Robin Ball获此殊荣,他们的研究课题是“人类马尾辫中头发的运动及受力平衡”。

 

流体力学奖

 

美国科学家Rouslan Krechetnikov和Hans Mayer 对液体的溅出现象进行了研究。他们考察的课题是:人们在端着咖啡杯走动时咖啡的溅出情况……

 

解剖学奖

 

荷兰科学家Frans de Waal和美国科学家Jennifer Pokorny获得这一奖项,他们的研究确认黑猩猩可以通过辨认同类的屁股照片来认出不同的个体……

 

医学奖

 

法国科学家Emmanuel Ben-Soussan和Michel Antonietti获得搞笑医学奖,他们的研究给出了医生该如何进行结肠镜检查,从而让他们的病人发生爆炸的可能性降至最低。

2012 / . 09 / . 11

2012-2013年QS世界大学排名昨天出炉,麻省理工学院首次超越剑桥大学和哈佛大学,位居排名首位,全球关注的重点开始转向科技。香港大学23是亚洲排名第一的大学。紧随其后的是新加坡国立大学25和东京大学30。中国前十强是北大44清华48复旦90交大125南大168浙大170中科大186北师大252西交大361哈工大401

2012 / . 09 / . 08

中科大李传峰研究组观察到光子“非波非粒,亦波亦粒”的量子特性 挑战玻尔互补原理的传统界限

近日,我院郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室李传锋研究组首次实现了量子惠勒延迟选择实验,制备出了粒子和波的叠加状态,极大地丰富了人们对玻尔互补原理的理解。研究成果作为封面文章发表在9月份的《自然-光子学》上,英国著名量子物理学家Adesso教授和Girolami教授在同期杂志的《新闻与观察》栏目以《波-粒叠加》为题撰文评述了这一研究成果。《自然-物理》杂志也以《选择的问题》为题在《研究高亮》栏目报道了该成果。

  光是什么?这是个古老的科学问题。三个世纪以来粒子和波的概念就一直是对立的,比如牛顿最初的粒子说和胡克及惠更斯的波动说。现在我们对光的理解可以归结为玻尔的互补原理,即光具有波粒二象性,波动性和粒子性这两种属性即对立又互补,一个实验中具体展示哪种属性取决于实验装置。比如在由两块分束器构成的马赫-曾德干涉仪中,单个光子被第一个分束器分到两个路径上,在第二个分束器所在位置重合。如果我们选择加入第二个分束器,则构成干涉仪,有干涉条纹,观测到波动性,反之如果我们选择不加第二个分束器,则不能构成干涉仪,没有干涉条纹,观测到的是粒子性。马赫-曾德干涉实验是可以用量子力学解释的。

  然而存在一种隐变量理论认为,光子是有自由意志的,在进入干涉仪之前光子就察觉到有没有第二个分束器,然后光子根据它察觉到的信息决定自己经过第一个分束器的方式,从而展现粒子性或波动性。为了检验这种隐变量理论和量子力学孰是孰非,玻尔的学生惠勒于1978年提出了著名的延迟选择实验,即实验者延迟到光子已经完全经过第一个分束器之后再选择加不加第二个分束器。

  在经典的惠勒延迟选择实验中,探测光的波动性和粒子性的实验装置,即加与不加第二个分束器,是相互排斥的,因此光的波动性和粒子性不能够同时展现出来。李传锋研究组设计出了量子实验装置,巧妙地利用偏振比特的辅助来控制测量装置,使得测量装置处于探测波动性与探测粒子性的两种对立状态的量子叠加态上。他们利用自组织量子点产生的确定性单光子源作为输入,实现了量子的惠勒延迟选择实验,排除了光子有自由意志的假设,并首次观测到了光的波动态与粒子态的量子叠加状态。实验结果显示,处于波粒叠加态上的光子,既不象普通的粒子态那样没有干涉条纹,也不象普通的波动态那样表现出标准的正弦形干涉条纹,而是展现出锯齿形条纹这样一种“非波非粒,亦波亦粒”的表现形式。

  《波-粒叠加》一文高度评价这项工作:“量子惠勒延迟选择实验的实现挑战互补原理设定的传统界限,在一个实验装置中展示光子可以在波动和粒子两种行为之间相干地振荡”。《选择的问题》一文则评价该成果“重新定义了波粒二象性的概念”。

  量子实验装置的引入,使得人们可以从一个全新的视角来观察世界,就好像给我们安上了一双“量子的眼睛”,能够看到经典探测装置观察不到的物理现象。此项研究工作拓展和加深了人们对玻尔互补原理的理解,揭示了互补原理和叠加原理间的深层次关系,也使得人们对“光是什么”这个萦绕千年的问题有了更进一步的理解。

  该项研究受到科技部和国家自然科学基金委的资助。


重新认识玻尔互补原理示意图

转自:http://physics.ustc.edu.cn/bencandy.php?fid=23&id=1201

2012 / . 09 / . 06

OLAY Nature Science

OLAY Nature Science
问:送老板什么礼物好? 答:老板最想要的是一篇SCI 苦思,这个送不了啊。 转问师兄,拿出一款神物。 顿时天崩地裂,就是它了,OLAY Nature Science系列!
  转自 物理
2012 / . 07 / . 07

德国科学家称首次探测到暗物质

据英国《新科学家》周刊网站7月4日报道,在宇宙中支撑宇宙网的基本架构暗物质首次被清楚地探测到。

 

众所周知,宇宙中的物质组成了一张网,宇宙网的丝状物将众多星系和星云串联起来在空旷的宇宙中扩展。这种丝状物由正常物质和暗物质构成。暗物质是人的肉眼无法直接看到的,约占宇宙质量的85%。

 

德国慕尼黑大学天文台的约尔格·迪特里希及其研究团队已探测到一个超星系团的丝状物中的暗物质成分。这个超星系团名为“阿伯尔222/223”,距地球约27亿光年。

 

巨大的丝状物产生的引力使得从地球发射至遥远星系的光束发生弯曲。迪特里希的研究团队利用这种光束,计算出“阿伯尔222/223”超星系团丝状物的质量并绘制出它的形状。附近正常物质的炽热气体发出的X射线表明,正常物质是该超星系团丝状物的组成部分,但仅占其质量的10%。其余部分一定是暗物质。迪特里希说,这表明这些丝状物是“将宇宙中的星系团连接在一起的暗物质网络的一部分”。

 

转自科学网,本文链接:http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2012/7/266624.shtm

2012 / . 07 / . 07

室温量子比特数据存储再创纪录

据物理学家组织网7月3日报道,美国哈佛大学的一个科学家团队在室温下创建出量子比特,存储信息可近两秒钟,较早期的系统寿命增加了几乎6个数量级,再创新纪录。此项工作潜在的应用包括量子计算机最终的功能建设。该研究结果发表在最新一期《科学》杂志上。

 

如何在室温下的固态系统中创建出量子位或量子比特的关键基础,是长久以来量子计算的挑战之一。相比之下,目前大多数系统依靠复杂和昂贵的设备在真空中捕获单个原子或电子,然后整个系统要冷却到接近绝对零度。该团队由哈佛大学物理学教授米哈伊尔·卢金率领,包括研究生格奥尔格和彼得·毛雷尔和博士后研究员克里斯汀·拉塔。他们表示已经突破了这个问题,在操作中转向采用地球上最纯净的原料之一——钻石。

 

卢金说:“我们已然能够实现控制这种前所未有的量子比特。在室温下可以对其进行很高效率和保真度的测量。可以在其中编码数据,并可以在一个相对长的时间内存储。相信这项工作只限于是技术问题,所以看起来将其寿命提高到小时范围是可行的。在这一点上,它在现实中产生很多应用将成为可能。”

 

对于量子计算机的实际应用,在研究人员的设想中包括“量子现金”,即银行交易和信用卡支付系统依赖于对量子比特的编码来阻挠货币造假;量子网络,即使用量子比特传输数据的高度安全的系统通信方式。

 

这次突破性研究的基础,是几年前研究人员在氮空穴(NV)中心发现实验室生长钻石在原子尺度的杂质以单个原子相同的方式表现。像单个原子一样,每个中心拥有自旋,这类似一个条形磁铁,可以被极化。使用激光,研究人员不仅能够控制自旋,还能够在它随着时间变化时,探测其方向。

 

研究人员采用实验室培养的钻石中的杂质创造量子比特,使信息存储接近两秒钟。具体地说,晶体中的碳13原子包含一个原子核的自旋,尽管很弱,但NV中心受到这些自旋的相互作用导致其生命周期很短。解决的办法是首先削减NV中心和晶体中的碳13原子之间的连接。使用大量的激光,以能够有效地保持NV中心主导,防止其与碳原子相互作用。然后,用一组特定的无线电频率脉冲轰击金刚石晶体,抑制碳13原子和附近的原子之间相互作用。如此便可以扩展量子比特的寿命,并保持较长时间的数据储存。最终的结果是,研究人员能够把相干时间从毫秒推进到近两秒。(来源:科技日报 华凌)

 

转自科学网,链接:http://paper.sciencenet.cn/htmlpaper/20127614103377425128.shtm

2012 / . 07 / . 05

上帝粒子确认还需至少一年 中国贡献超百分之一

欧洲核子研究中心(CERN)北京时间7月4日下午宣布,CERN的Atlas(超环面仪器)实验和CMS(紧凑缪子线圈)实验都观测到新粒子,该粒子与科学界寻求已久的被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子一致。

 

中国科学院高能物理研究所4日下午视频连线直播了公布实验结果的CERN学术讲座。该所参与CERN两个实验的科学家对媒体表示,CERN实验观测到新粒子并与希格斯粒子一致的这一初步结果,具有里程碑式的科学意义,是探索微观世界的一大进步。在全球合作的CERN实验中,中国提供经费和参与科研人员所占比例在百分之一左右,但中国的贡献“远远超过百分之一”。

 

参与CMS实验的中科院高能所研究员陈国明说,CMS实验1/3的端盖缪子探测器和端盖电磁能量器的所有晶体,均由中国研制提供。特别是实验中用多变量分析方法区分信号与本底、提高希格斯粒子寻找的灵敏度方面,这次采用了CMS中国组的方法,比去年采用美国组方法的灵敏度要高3%。

 

中科院高能所娄辛丑研究员参加Atlas实验。他介绍说,Atlas中国组对实验探测器建造方面的主要贡献,包括研制提供液氩光子电子量能器、精密缪子漂移室探测器和400台Atlas端盖缪子触发探测器以及网络计算系统等,中国组还积极参与实验数据的物理分析,包括光子触发效率研究、改进双光子希格斯波色子重建质量分辨约30%、测量双光子希格斯波色子重建本底噪音等。

 

“CERN今天公布的只是一个初步结果,目前还不能最终确认观测到的新粒子就是希格斯波色子。”中科院高能所这两位科学家都表示,虽然科学家们心中都认为新粒子很可能是“上帝粒子”,但科学的严谨性将让结果确认至少需要1年以上甚至更长时间,有可能还需要新建一个直线正负电子对撞机来开展进一步的仔细研究。同时,也不能完全排除观测到的新粒子是一种其他粒子的可能性。

 

以英国理论物理学家彼德 希格斯命名的玻色子是物理学基本粒子“标准模型”理论中最后一种未被发现的基本粒子,科学界一直致力于证明它的存在。由于它难以寻觅又极为重要,因此被称为“上帝粒子”,它自旋为零,其他粒子将在它的作用下产生质量,为宇宙的形成奠定基础。这种基本粒子对完善粒子物理学理论的“大厦”有重要意义。一旦它被证伪,“标准模型”理论“大厦将倾”,但科学界一直相信它的存在并认为发现它只是时间问题。

 

■新闻链接

 

霍金曾打赌:“上帝粒子”无法找到

 

2008年,理论物理学家斯蒂芬·霍金押下100美元的赌注,打赌人类永远也不可能发现“上帝粒子”。

 

不过,霍金的话未必靠谱。他曾经跟物理学家基普·索恩“豪赌”过3回——第一回,赌天鹅座 X-1 双星是否包含黑洞;第二回,赌宇宙中有没有裸奇点;第三回,赌的则是黑洞会不会彻底抹杀信息。霍金的最终战绩是3回皆负。

 

转载科学网

2012 / . 06 / . 30

杨振宁,不只是宇称不守恒,杨-米尔斯理论,近代物理的基石,足以获得第二次诺贝尔奖!

 

人们熟知的是, 1957年杨振宁因弱相互作用下宇称不守恒!的发现而与李政道一起获得诺贝尔物理学奖, 这为他赢得了世界性的声誉。其实, 杨振宁的科学成就远不止此, 现在科学界公认其具有世界性影响的成果至少有三项: 1954年的杨-米尔斯规范场理论、1957年的弱相互作用下宇称不守恒理论、1967年的杨-巴克斯特方程。在这三项成就中科学界的普遍评价又是-米尔斯规范场理论是其最高学术成就, 是其迄今为止最重要的研究成果。因此自然而然地会产生如下问题: 杨振宁是否会因其规范场理论成就而再获一次诺贝尔奖呢?

 

最初作出上述提议的是杨振宁的博士论文导师、美国著名物理学家、氢弹之父泰勒( Edward Teller)1982年杨振宁60岁生日时泰勒致贺词第一次提议给杨振宁第二次诺贝尔奖。泰勒在贺词中说: 如果不提及杨振宁和米尔斯关于把规范不变性推广到同位旋及不可对易变量的那篇著名论文, 我们就无法谈论杨振宁的研究工作。归根结蒂, 他们的这篇文章已经成为几乎所有进一步讨论的基础。我愿意提议, 扬振宁应该再次获得诺贝尔奖!从此以后杨振宁应该再获诺贝尔奖的提议从不同的渠道传出。

 

规范不变性的思想起源可以追溯到1918 年。当时的物理学家韦尔受爱因斯坦统一场论的影响在研究与电荷守恒相关的局域对称时提出了一种新的不变性即“定域标度变换不变性”。这一术语后来被译成英文时成为Gauge Invariance即规范不变性。韦尔试图证明引力理论与电磁理论都具有这种规范不变性规范不变性导致了动量、能量守恒以及电荷守恒这样便把对称性与场联系起来从而奠定了引力理论与电磁理论相统一的基础。不过韦尔最终没有成功原因是他没有引入量子论没有认识到与电荷相联系的对称性不是尺度不变性而是相( 因子) 的不变性, 即“量子论在波函数的复相的任意变下的不变性在其中从时空一点到另一点相因子能任意变动。”

 

杨振宁在西南联大求学时对于电荷守恒与规范不变性之间的关系就有了比较深入的认识。在芝加哥大学读研究生时杨振宁曾试图把这一理论推广出去即把规范不变性推广到同位旋相互作用上去但是多次努力均没有成功。在随后的几年里上述目标仍不时地吸引着着他成为他挥之难去的一个牵挂。终于在1954 当他在布鲁克海汶实验室做访问学者时研究有了突破。当时那里有世界上最大的粒子加速器加速器所产生的大量的新粒子使他更迫切地感到需要找到“一个各种粒子相互作用的基本原则”。通过与米尔斯卓有成效的合作, 在原先局域变换中引入新的矢量场——非阿贝尔规范场( nonabelian gaugef ield) 而完成了现在所谓的“非阿贝尔规范场理论”,其成果形式是两篇论文——《同位旋守恒和一种推广的规范不变性同位旋守恒和同位旋规范不变性分别发表在物理学界最权威的杂志物理评论1954 9596 卷上。由于非阿贝尔规范场理论仅涉及关于对称性的一般论据, 并没有针对任何特殊的研究对象,因而是一个关于基本粒子和场的相互作用的基本原理。

 

-米尔斯规范场方程具有简洁、和谐的结构形式, 具有爱因斯坦所推崇的数学美但是由于其中存在着当时无法解决的问题如规范粒子零静止质量问题),而且当时实验物理的发展还未达到相应的水平所以发表后的几年里并没有引起物理学界足够的重视物理学家认为其可能只是一个对物理学有用的数学结构而已。进入20 世纪60 年代情况有了转机。先是物理学家希格斯( P.W.Higgs) 在研究区域对称自发破缺时发现杨-米尔斯规范粒子可以在自发对称破缺时获得质量从而解决了杨-米尔斯理论中规范粒子零静止质量问题。紧接着实验物理的新进展使人们对弱相互作用的认识越来越多于是构建一个完整的弱相互作用理论的工作便成为可能。先是格拉肖( S. L. Glashow) 后来又有温伯( S.Weinberg) 和萨拉姆各自独立地应用杨- 米尔斯非阿贝尔规范场理论的数学结构建立了一个弱相互作用的理论。这个理论不仅重现了量子电动力学而且将电磁相互作用与弱相互作用统一在一个模型里并给出了它们之间的内在关联。这就是我们现在所说的弱电统一理论。该理论预言了传递弱作用的三种规范粒子W+W-109Z0这三种粒子分别在1973年和1983年被间接和直接证实存在而且它们的质量在误差范围内与理论预言惊人相符。由此证明了格拉肖、温伯格和萨拉姆弱电统一理论( GWS) 的成功。同时也证明了杨- 米尔斯规范场理论的成功。               由于各自的贡献格拉肖、温伯格和萨拉姆三人分享了1979年的诺贝尔物理学奖。鲁比亚( C. Rubbia)和范德米尔( S. vander Meer) 由于对W+ W-Z0粒子的实验验证工作而分享了1984年的诺贝尔物理学奖。杨-米尔斯规范场理论的意义不仅限于物理学其对纯数学也产生了重要推动作用影响涉及微分几何、偏微分方程、低维拓朴等领域。1986年和1990年的国际数学界最高奖——菲尔兹奖获得者唐纳森、德林菲尔德和琼斯等人的获奖成果均与杨-米尔斯方程有关。由此可见-米尔斯规范场理论在当代物理学、数学发展中起到了承前启后的作用。尤其是它把爱因斯坦、泡利等科学大师的研究推进了一大步对于实现理论物理学的宏伟目标统一场论起到了极其重要的作用。关于规范场论的重要性, 还可以从近几十年来的学科发展显示出来。上世纪70年代以来规范场理论一直是理论物理学的热门前沿有数千人从事这方面的研究1970 年代末期每年发表的相关论文不下1000 而权威统计资料显示杨振宁的规范场论文被引证的次数早已超过了1200 次。杨振宁本人曾把这种蓬勃发展的局面比喻为“遍地开花”,“1919年中国的新文学运动”,可见其影响的广泛与深远。近年来随着研究的深入建立在规范场理论之上的“量子色动力学(QCD)又取得了重大进展它表明作为自然界四种基本力之一的“强作用很可能也符合杨-米尔斯规范场数学结构从而使理论物理学界引以为豪的“大统一理论”(Grand Unified Theory充满希望。甚至有科学家预言“如果最终的大统一理论能被真正确认的话那么一定会证明它是一个规范理论”。这一点现在看来几乎是无可怀疑的了。因此杨振宁认为其规范场理论是百年的重要!而不是通常诺贝尔奖成果所具有的10年的重要是有充分理由的。

 

对于规范场理论的重要性与科学史地位许多物理学家和学术团体给予了极高的评价。美国康乃尔大学著名理论物理学家颜东茂在文章中写到,“在物理科学的历史中-米尔斯规范场论的重要性无疑的只有牛顿的重力理论麦克斯韦的电磁理论和爱因斯坦的广义相对论可以与之相提并论。一向态度

 

严谨、评价客观的著名实验物理大师丁肇中教授在他写的杨振宁小传中有这样一段话: 1954 年他与米尔斯发表的规范场理论是一个划时代的创作不但成为今天粒子理论的基石并且在相对论及纯数学上也有重大意义如果说科学家个人的评价难免具有主观性的话, 那么学术团体的评价应该说代表了大多数科学家的共识1994 年,美国富兰克林学会将北美地区奖额最高的科学奖25 万美元——鲍尔奖颁发给杨振宁。作为美国最具权威的学术研究机构之一这是它经过国内外科学界同行层层严格评审后首次将奖金授予物理学家。颁奖的正式文告指出授奖给杨振宁是因为他提出了一个广义的场论这个理论综合了有关自然界的物理规律为我们对宇宙中基本的力提供了一种理解。作为20世纪观念上的杰作它解释了原子内部粒子的相互作用他的理论很大程度上重构了近40年来的物理学和现代几何学。这个理论模型已经排列在牛顿、麦克斯韦和爱因斯坦的工作之列并必将对未来几代产生类似的影响。由此可见杨振宁的规范场理论的意义远比其宇称不守恒理论要重要的多其影响更为深远、更具根本性、奠基性。

 

因此杨-米尔斯理论足以可以让杨振宁先生获得第二次诺贝尔奖。但是可能由于杨先生获得过一次诺贝尔奖,所以获得第二次不大可能了。

 

可是,爱因斯坦的相对论也一样没有获得诺贝尔奖,对于杨-米尔斯理论也许只有像相对论那样通过不获诺奖来表明其伟大,因为那些获得诺奖的理论实验与其相比是多么的渺小,不具有可比性。

 

 

资料来源:《关于杨振宁再获诺贝尔奖问题的一种异众观点》,吴致远,梁国钊,自然辩证法通讯,No.1,2010

 

 

 

 

2012 / . 06 / . 30

中微子新振荡:中国物理学界能否摘诺奖

 
 

 

 

诺贝尔物理学奖得主李政道给大亚湾中微子实验组负责人发来的贺信。

这是在没有灌装闪烁液之前的圆柱形反中微子探测器内部照片。该探测器用于捕捉反中微子产生的微弱闪光。高灵敏的光电倍增管排列在探测器的壁上。

 

由于粒子物理学在破解宇宙之谜中具有特殊重要地位,所以该研究领域的每一项重大进展都天然地具有爆炸性,而近期相关“重磅”消息更是接连传出:先是欧洲大型强子对撞机“撞”出“中微子超光速”,挑战爱因斯坦“相对论”。接着欧洲核子研究中心宣布,所谓“中微子超光速”可能是由于实验光缆松动导致的“乌龙”。再接着,美国费米实验室宣布,相关实验数据分析获进展,接近证实物质“质量之源”、“上帝粒子”希格斯波色子的存在。最后就是日前广东大亚湾发现新的中微子振荡。

 

与“中微子运动能否超光速”和“希格斯波色子是否存在”依然悬而未决相比,我国科研人员主导的大亚湾中微子实验发现的新的中微子振荡模式已经获得世界物理学界的广泛认可和高度评价。这无疑是令国人振奋的好消息,甚至有评价指出,中国物理学界有望凭此贡献问鼎诺贝尔奖。

 

测得梦寐以求的sin22θ13

 

“我在此宣布大亚湾中微子实验的最新实验结果:发现了电子反中微子消失现象,该现象与中微子振荡的预期符合,其能谱畸变也与中微子振荡的预期符合,这就意味着发现了一种新的中微子振荡模式,其信号显著性为5.2倍标准偏差,并测得其振幅sin22θ13为0.092。”向媒体发布上述消息时,大亚湾中微子实验国际合作组发言人、中国科学院高能物理研究所所长王贻芳带着科学家特有的严谨,为了说明测量数据的和计算结果的准确性,他现场的PPT演示文稿中不时列出“复杂”的运算公式。

 

一直以来,全世界高能物理学家都梦想精确测量sin22θ13数值,因为其存在与否、数值大小决定着中微子物理学的未来走向。然而在上述大亚湾中微子实验结果没有出来之前,研究实验没有取得实质性突破。尽管2011年6月,日本中微子实验测得sin22θ13大约为0.11,置信度只有2.5个标准差,而在粒子物理实验中,置信度必须达到5个标准差才算“发现”。

 

为什么大亚湾中微子实验能够做到精确测量呢?王贻芳将此次突破归结为选址优势和独特的实验设计。他解释说,作为中微子实验地,大亚湾核电基地的优势体现在两个方面,一是功率名列世界第二,能提供大量反中微子;二是核电站靠近山,适于建造地下实验大厅,以屏蔽宇宙本底。在实验设计方面,通过远近点之间的相对测量提高精度,通过同一点的多模块中微子测量以降低系统误差并相互校验,通过多重宇宙线反符合探测器提高效率,降低了误差。

 

直指“反物质消失之谜”

 

“祝贺你们准确测算θ13值……”

 

“热烈祝贺你们在θ13值上的新发现……”

 

王贻芳团队的成果赢得了国际物理学界的广泛关注和普遍赞誉,世界顶尖物理学家和著名物理研究机构纷纷发来贺电,这是中国近现代物理学发展史少有的景象。正如贺电所说的那样,王贻芳团队完成了困扰国际物理学界多年的sin22θ13值精确测算,证实了中微子第3种振荡模式的存在,并为揭开宇宙反物质消失之谜开辟了道路。

 

然而要科学认识王贻芳团队实验成果的意义,必须从中微子振荡和中微子混合角θ13谈起。中微子共有3种类型,并可以在飞行中从一种类型转变成另一种类型,即中微子振荡。原则上应有3种振荡模式,之前已有两种被证实,相应的混合角θ12和θ23已经准确测得。大亚湾中微子实验旨在通过不同距离探测到的中微子个数来准确测算混合角θ13值,进而证实中微子第3种振荡模式的存在。在此基础上,可以通过θ13值(如果足够大)进一步测量中微子振荡中的宇称和电荷反演(CP相位角)破坏,以理解宇宙中物质-反物质不对称现象,即宇宙中“反物质消失之谜”。

 

“这种振荡的振幅比预期要大得多,使我们能够很好地准备下一代物理实验,解决中微子振荡中另外两个问题:中微子质量顺序和中微子振荡中是否有宇称和电荷反演破坏。”王贻芳说。

 

冲击诺贝尔物理学奖

 

鉴于θ13在揭示中微子振荡CP相位角破坏的特殊重要性,美国物理学会曾在2004年在报告中将用反应堆实验测量sin22θ13作为未来试验的“第一优先”。国际上在2003年以来,先后有7个国家提出了8个实验方案,最终进入建设阶段的有3个,包括中国的大亚湾实验、法国的Double Chooz实验和韩国的RENO实验。在激烈的国际竞争中,王贻芳领导的大亚湾实验团队克服了重重困难,完成了探测器的建造与安装、实验数据的获取、刻度、修正和数据分析等,率先取得重大成果。此举“使中微子物理学研究坚定地驶上了快车道”,同时也把中国粒子物理学研究水平推向世界最前沿。甚至有观点认为王贻芳团队有望摘得诺贝尔物理学奖。

 

上述观点当然有其根据,实际上诺贝尔物理学奖分外青睐中微子研究领域,已经产生3个诺贝尔物理学奖。但中科院高能所实验物理中心曹俊研究员清醒地指出,诺贝尔物理学奖一般是给意想不到的发现的,前两次获得诺奖是因为发现新的中微子,第三次获诺奖是因为首次发现中微子振荡。与它们相比,这个实验分量要轻,能被美国《科学》杂志评为今年的10大科技突破,但可能够不上诺奖。当然,曹俊也表示,大亚湾实验还在继续,如果运气够好,能发现什么反常现象,得出出人意料的成果,也可能获诺奖。

 

θ13藏宇宙奥秘

 

中微子振荡的原因是三种中微子的质量本征态与弱作用本征态之间存在混合。混合规律由六个参数决定(另外还有两个与振荡无关的相位角),分别为三个混合角θ12、θ23、θ13,两个质量平方差△m221和△m232以及一个电荷宇称相位角θcp。截至目前,θ23与△m232已通过大气中微子振荡测得,θ12与△m221亦通过太阳中微子振荡测得。大亚湾中微子试验测得θ13值,因此,在混合矩阵中,只剩下1个参数还未被确定:破缺的相位角δcp。

 

θ13的数值大小决定了未来中微子物理的发展方向。在轻子部分,所有电荷宇称(CP)破缺的物理效应都含有因子θ13,故θ13的大小调控着CP对称性的破坏程度。如果它是如人们所预计的sin22θ13等于1%~3%的话,则中微子的CP相角可以通过长基线中微子实验来测量,宇宙中物质与反物质的不对称现象可能得以解释。如果它太小,则中微子的CP相角无法测量,目前用中微子来解释物质与反物质不对称的理论便无法证实。令人欣喜的是sin22θ13值达到9.2%,这意味着“反物质消失之谜”可能破解。

  转自 物理小世界
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