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美《科学新闻》盘点2012年25大科学故事

时间:2013-02-05 00:04:09  来源:  作者:

2012年过去了,但美国《科学新闻》杂志的编辑们并没有忘记那些曾让他们夜不能寐的科学故事。

在这份年度最佳科学新闻榜单上,前两个故事曾让小编们通宵达旦地加过班:2012年7月4日凌晨,他们在网上收看视频直播,那一边在日内瓦,物理学家们正在举行发布会,宣布发现了科学家们梦寐以求的希格斯玻色子;接下来的一个月中,小编们又熬了个通宵,这次则是美国国家航空航天局(NASA)的“好奇号”探测器于8月6日一早(美国东部时间)登陆火星。

当然,也有一些夺走小编美梦的故事,则是因为它们的可怕影响。2012年6月,研究人员在两份争议性论文中描述道,禽流感病毒非常容易发生突变,以使其能够通过空气传播。如果全球流感大流行还不足以让小编们睁眼到天亮,那么剩下的就只有气候变暖了,气候变暖已从一个遥远未来的理论问题,变成明确和现实的危险。一些最新研究将今年创纪录的热浪和干旱与人类活动造成的气候变暖挂上了钩;2012年9月,北冰洋的海冰覆盖面积已创下史上最小纪录,比此前的纪录减少了近20%。

不只是焦虑和恐惧让小编们辗转反侧。其他故事之所以能够登上榜单,是因为它们让小编们昏昏欲睡的脑袋中充满了令人着迷的问题:我们很快就能去在半人马座阿尔法星系发现的、离我们只有几光年远的星球参观访问吗?是什么导致了人类与尼安德特人相遇并交配,这个奇特亲戚的DNA(脱氧核糖核酸)在现代人的基因中已经终结了吗?

这里只有一个故事似乎不值得小编们为此损失他们的睡眠。尽管考古学已提出相反的证据,但一些现代神秘主义者仍然声称,古老的玛雅预言将在2012年12月21日准时到来。不过,现在可以肯定的是,我们已安然度过这个“世界末日”。

1.希格斯粒子的发现有助于对物质的理解

梦寐以求的玻色子使物理学标准模型功德圆满

为一场物理学讲座召集满满一屋子人已经够难的,更别说通宵排队了。但在2012年7月3日晚上,位于日内瓦附近的欧核中心(CERN)主礼堂外,科学家们却牺牲自己的宝贵睡眠排起了长队。他们的目标只有一个,那就是抢一个席位,准备亲耳聆听美国加州大学粒子物理学家乔·因坎德拉宣布这些年来最重大的一则物理学新闻。

第二天早上9时,主礼堂内水泄不通,因坎德拉以成堆的图形图表开始演说。他解释说,数据中的光点代表质子束在CERN庞大的粒子对撞机中与另一个相撞时会发生什么情形。这个数据中埋藏着的一个光点,代表着科学家们多年来一直在苦苦追寻的亚原子——希格斯玻色子。

因坎德拉没有让人失望,他告诉焦急的观众:“我们已经看到了,它是比较明显的。”他点击到下一张幻灯片,光点变大了。它就是希格斯粒子。房间里爆发出热烈的掌声。

在许多方面,CERN的那一刻达到了数十年科学追问的顶峰。发现希格斯粒子意味着物理学家们终于可以成功地解释为什么宇宙看起来会是现在这幅模样。他们基于亚原子尺度的宇宙框架终于得以圆满。

现在,大多数科学家认为,有了希格斯粒子的存在,他们就能开始描绘未知的领域,从空间和时间的额外维度到数量巨大的伴随着已知粒子的各种神秘粒子。

希格斯粒子是重要的,因为它有助于解释质量。它以及与之密切相关的希格斯场是宇宙在大爆炸后没有保留海量无质量粒子的原因所在。

宇宙诞生后仅仅几纳秒,一个渗透到所有空间的场就开启了,这就是希格斯场。突然之间,周围呼啸而过的某些粒子撞上了希格斯场,如弹珠滚过蜂蜜般放慢了速度。这种减速赋予其质量。一旦它们有了质量,并能适当地结合在一起,这些粒子就能凝聚成原子和分子,从而形成从恒星到人类的一切事物。

但仅有某些粒子能减速,像光子这样的其他粒子,可顺利地通过希格斯场,因此仍然没有质量。

所以,难怪物理学家花了这么长的时间来追寻希格斯粒子。但是,科学家们无法直接指认希格斯场,他们只能通过检测希格斯玻色子来推断它的存在。玻色子是一种与力紧密相关的粒子类型,希格斯玻色子也与希格斯场相伴相生。

在宇宙大爆炸140亿年后的今天,观察希格斯玻色子的唯一途径,就是在粒子加速器中通过高能撞击产生一个这样的粒子。几十年来,没有人能拥有足够强大的机器来生成所需的能量。

美国费米实验室的粒子加速器Tevatron进行过尝试。根据爱因斯坦方程“E=MC2”,能量和质量是可以互换的。以足够高的能量,或者说以接近光速轰击两个粒子,就可能造成更大质量粒子的出现。

Tevatron实验帮助科学家缩小了希格斯粒子可能拥有的质量范围,但它仍没有让CERN的大型强子对撞机松上一口气。每万亿次的质子碰撞,也许只有一次能创建出罕见的、不稳定的希格斯粒子,因为它能迅速衰变为其他类型的粒子。

从500万亿次质子碰撞的碎片烟雾中,两个探测器都曾独立地发现了希格斯粒子衰变的迹象。通过对粒子碎片进行逆向作业,科学家们计算出希格斯粒子大约拥有133个质子的质量。

为了证实自己看到了真正的希格斯粒子衰变,CERN的物理学家们制定了严格的统计标准。他们采用了5西格玛标准差,亦即每350万个机会中仅存一个统计误差。在CERN公布结果的那一刻,两台希格斯粒子探测器均独立地达到了5西格玛水平,此后统计强度得到增加,现在两个探测器均已在6到7西格玛之间。

目前的理论可预测希格斯粒子的一个非常具体的行为,但CERN发现的粒子是否符合这些行为特征尚未明确。新发现的粒子,或许只是希格斯粒子的一个近亲,而不是同卵双胞胎。科学家们几乎每天都在arXiv.org论坛上提交自己的论文,以探求一个非标准模型希格斯粒子可能意味着什么。

来自ATLAS(超环面仪器)项目组的最新结果发现,新粒子在质量以及衰变为双光子的速率等属性上与粒子物理学标准模型的预测有一定偏差——新粒子的质量比以其衰变为Z玻色子来计算要多大约3GeV(1GeV=10亿电子伏特)。这使得新粒子为“上帝粒子”的身份依旧存疑。

如果真是这样,物理学家们需要新的理论来研究这是怎么回事。这可能需要数年时间:他们的最佳工具——大型强子对撞机,预计于2013年年初关闭,升级时间将长达两年。但它重新归来时,其能量也会增加一半。这个能量足以使物理学家们从数种希格斯粒子的可能性中加以识别。也许最终的结果甚至变成不是一种,而是许多种希格斯粒子,每一种都拥有不同的质量。

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