基礎研究:致廣大 盡精微——2019年世界科技發展回顧(二)

2020-01-02 15:52:28 來源: 科技日報 作者: 國際部記者


美國科學家發現新五夸克粒子(pentaquarks)。 圖源:《科學美國人》網站


中子星(后方)發出的脈沖在經過白矮星(前方)時被減慢。這種效應使天文學家能夠測量系統的質量。圖源:美國國家射電天文臺

美國

微觀粒子研究領域碩果累累

首張黑洞照片問世震驚全球

劉海英(本報駐美國記者)

2019年,美國科學家在包括粒子物理在內的多個基礎物理領域取得重大突破,發現新五夸克粒子(pentaquarks)和首張黑洞照片問世是其中的翹楚。

在粒子物理領域,如今要發現一種新粒子越來越困難。歐洲核子研究中心(CERN)大型強子對撞機LHCb實驗發現新五夸克粒子成為2019年粒子物理領域的一項突出成就,美國和中國科學家聯袂扮演了重要角色。美國科學家還開發出在室溫下合成并捕獲三粒子的方法,使操縱三粒子并研究其基本性質成為可能。他們還利用改進的電子散射方法精確測量了質子半徑,0.831飛米的新值對解決所謂的“質子半徑”難題至關重要。美國科學家還首次在光子—質子碰撞中測量了J/ψ介子的產生截面。此外,他們利用暗物質探測器XENON1T觀察到氙-124的放射性衰變,高達1.8×1022(上標)年的半衰期為宇宙年齡的1萬億倍,這些研究為人類理解世界增添了新視角。

在天體物理學領域,引力波研究熱度未減!美國激光干涉引力波天文臺(LIGO)在4月開始了為期一年的新一輪科學探測。同在4月,人類首張黑洞照片問世,成為2015年人類首次直接探測到引力波以來又一項里程碑式的成果,哈佛-史密森天體物理中心謝潑德·杜勒曼領導的事件視界望遠鏡(EHT)團隊,將同LIGO團隊一樣永載科學史冊。

2019年天體物理學領域還有一些值得書寫的研究成果:美國科學家根據哈勃太空望遠鏡數據新測定的宇宙膨脹速度,比根據早期宇宙特征(宇宙微波背景輻射)預測的膨脹速度快約9%,這意味著天文學家需要一些超出當前物理學的新理論來解釋宇宙;發現了迄今最重的中子星J0740+6620,直徑約19公里,質量卻超過太陽質量2倍;“揪出”了第二個沒有暗物質的星系,表明暗物質實際上可與星系分離,這顛覆了科學家此前的認知;還通過實驗揭示了宇宙大爆炸發生的可能機制,有助于科學家進一步理解宇宙起源模型。

美國和英國科學家還攜手發現了一種以前不為人知的光波:季亞科諾夫—福格特波,代表我們在理解光與復雜材料如何相互作用方面向前邁進了一步,也為一系列技術進步奠定了基礎。

盡管人類不斷追逐星辰大海,但人類對宇宙的探知遠未到盡頭。



日本科學家在圍繞年輕恒星獵戶座V883的氣體和塵埃圓盤中發現復雜有機分子甲醇、丙酮等。圖源:日本國家天文臺

日本

行星月球科學探索成績斐然

桌面實驗或可理解黑洞性質

陳超(本報駐日本記者)星科學研究領域,日本科學家發現了旋轉軸傾斜度不一致的原始行星系圓盤。理化學研究所與千葉大學的聯合研究小組通過阿爾瑪望遠鏡觀測成長期的年輕“原始行星圓盤”,發現圓盤旋轉軸傾斜從內側向外側偏移,還發現圓盤內部的星際塵??赡苷陂_始聚結成長。研究人員指出,誕生之初的原始星周圍存在大量氣體并向原始星降落,降落的氣體保持旋轉軸方向最終由于離心力和引力平衡形成“原始行星圓盤”。由于原始行星系圓盤中心形成行星,成為行星系,因此最新研究有助理解原始行星系圓盤形成過程和行星形成。

此外,科學家在圍繞年輕恒星的圓盤中發現大量有機分子。東京大學的一個聯合研究小組利用阿爾瑪望遠鏡觀測圍繞著年輕恒星獵戶座V883的氣體和塵埃的圓盤(原始行星系圓盤),發現了復雜有機分子甲醇、丙酮等,其中丙酮是首次在原始行星圓盤中發現。觀測還發現,與一般原始行星圓盤相比,獵戶座V883的圓盤中這些分子與氫的豐度比大約高1000多倍。

科學家還發現,月球有可能來自地球巖漿海洋。海洋研究開發機構(JAMSTEC)、神戶大學及理化學研究所的科學家對大碰撞說進行計算機模擬,發現月球可能由原始地球的巖漿海洋構成。地球和月球被認為由46億年前兩個天體發生大碰撞后形成。大碰撞說能解釋地球和月球的各種特征,因此研究人員通過計算機模擬進行了多方驗證。研究小組改良了以前標準的大碰撞說模型,首次在假設原始地球上存在巖漿海洋的情況下,實施了大碰撞計算機模擬。結果表明,巖漿海洋可能在月球形成中發揮了巨大作用,由此可以解釋地球與月球的同位素比問題。

另外,國立天文臺領導的國際小組利用多臺天文望遠鏡,在距地球130億光年處發現了由12個星系組成的“原始星系團”,是迄今發現的最遙遠原始星系團,顯示宇宙在8億歲(宇宙現在138億歲)就存在有造星運動活躍的原始星系團。

在黑洞研究方面,日本科學家也有斬獲!大阪大學、日本大學和中央大學組成的研究小組提出一個新理論框架,通過桌面實驗即可理解黑洞的物理性質。該理論有望從極小尺度和超大尺度兩方面闡明宇宙運轉的基本定律。


英國

系外行星大氣首次發現水汽

微觀世界氣候科學屢有創新

田學科(本報駐英國記者)

2019年,英國在行星科學、微觀粒子、物質結構、氣候變化研究等基礎領域均取得不俗成績。

在行星科學領域,倫敦大學學院9月12日宣布,該校研究人員首次在一顆太陽系外類地行星大氣中發現水汽,水的含量可能介于0.01%至50%之間,且這顆星球與恒星的距離讓它處于“宜居帶”中,其溫度可能符合生命存在所需條件。這是科學家首次在“超級地球”大氣層中發現水汽,有助于人類理解潛在宜居行星的大氣演化歷程。在太陽研究領域,英國科學家借助地面望遠鏡研究一個特殊的太陽耀斑事件后得出結論稱,產生這個太陽耀斑的磁場強度比以前認為的強10倍。這一發現或將改變我們對太陽大氣內發生的物理過程的理解,并為太陽日冕研究開辟新途徑。

在揭示宇宙奧秘方面,英國科學家的表現同樣可圈可點。7月10日,平方公里陣列射電望遠鏡(SKA)全球總部在英國柴郡舉行啟用和移交儀式,標志著這個由多國參與建設的全球最大射電望遠鏡正式投入使用,為探索宇宙奧秘提供了更好的國際合作平臺。英國天文學家還通過高性能計算設施,重新處理來自國際低頻陣列射電望遠鏡(LOFAR)獲得的所有國際站的數據,比以往更詳細地研究星系及其活動的演變,繪制出數千個過去未知星系的圖像。英國科學家還借助超級計算機對星系進行的模擬表明,愛因斯坦的廣義相對論可能不是解釋引力如何作用或星系如何形成的唯一方式,另一種f(R)引力模型(變色龍理論)也可以解釋星系的形成。

微觀世界研究領域同樣捷報頻傳! 7月中旬,英國物理學家首次拍攝到一種量子糾纏的照片,捕獲到這種難以捉摸現象的視覺證據,該研究有望促進量子計算等領域的發展。同月,牛津大學物理學家領導的團隊首次研制出一款磁場噪聲波譜儀,讓人類第一次“聽”到了一個磁單極子流產生的磁噪聲,這一方法有助于開展磁單極子物理學新研究。8月,英國科學家利用與宇宙結構相關的數據,限定了宇宙間最小、最難研究的組成部分之一——中微子家族中最輕成員的質量,即不超過0.086電子伏特,約為電子質量的600萬分之一。

在物質結構領域,中英科學家4月初合作發現了一種新物質形態:鏈融態,即在極端高溫高壓條件下,可使金屬鉀原子同時呈現固態和液態并存的穩定物質形態。

2019年,英國科學家在保護環境、構建更美好社會貢獻出自己的智慧。8月,研究人員通過衛星觀測發現,在位于熱帶地區的北非,二氧化碳排放量比之前預計的更多,熱帶地區“意外”成了地球溫室氣體的排放源。11月,帝國理工學院的研究人員發現,隨著細菌不斷適應更高溫度,它們會加快呼吸速度,釋放出更多碳,從而加速全球氣候變化,這一發現將有利于構建更準確的全球氣候變化模型。此外,科學家的研究揭示,地球系統正發生不可逆變化,標志著地球進入一種“緊急狀態”。而且,證據表明,西南極冰原和亞馬遜雨林縮減等臨界點出現的可能性,或許比人們之前預期的更大。

南極也是英國科學家2019年關注的重點。為厘清南極洲何時被覆蓋于冰川之下,年初,英美兩國科學家攜手,在拉特福德冰川連續鉆探63小時,下探到2152米的深度。10月,英國南極觀測局科學家研究一份跨越6千年的冰川記錄后發現,由于南半球環狀模發生變化等原因,南極半島東部冰架幾百年來一直在加速變薄,這或將導致南極冰架坍塌,使南極半島東部西風變強、大氣變暖以及冰架消融,并可能導致未來冰川面積加速減少。



“通卡實驗”(TAIGA)讓科學家距了解超高能宇宙射線的性質更近一步。圖源:俄羅斯衛星通訊社

俄羅斯

火星金星探測領域成績亮眼

量子加速器等技術表現不俗

董映壁(本報駐俄羅斯記者)

在火星和金星探測、量子研究領域,2019年,俄羅斯科學家也貢獻了不少讓人亮眼的成績。此外,一些大型科學設施的興建和啟動,也為科學發展帶來更多機遇。

2019年,科學家在西伯利亞通卡區域啟動了大型伽馬射線世界級觀測臺國際科學合作項目“通卡實驗”(TAIGA),用于研究伽馬射線和超高能宇宙射線。目前,他們正為TAIGA觀測臺的兩個裝置:探測站TAIGA-HiSCORE,新天文望遠鏡TAIGA-IACT做測試準備。

在火星和金星探測方面,俄羅斯曬出的成績單可謂亮眼。俄羅斯與歐洲聯合研發的“ ExoMars-TGO”探測器(火星探測計劃微量氣體軌道探測器) 繪制了一份火星表面水分布情況的詳細地圖,發現幾處“大量水冰儲備”。此外,俄羅斯科學家發現金星存在生命新證據:俄對蘇聯“金星9號”、“金星10號”、“金星13號”和“金星14號”探測器從1975到1982年間獲取的金星表面全景圖像做了新處理,從圖像中可以看到有穩定結構且緩慢移動的物體,這些物體的輪廓類似莖、蝎子、蘑菇、蜥蜴等共18種生物,且都具有明顯尺寸和形態特征,也可以將其與地質構造區分開來。另外,每張圖像中它們的位置都有變化。

在包括同步加速器、量子計算機等在內的高精尖領域,俄羅斯也取得重大進展。全俄物理技術和無線電測量科學研究所研制出精度更高的第二代光學原子鐘。俄羅斯科學家正在研發一款可用普通水改變太赫茲輻射強度的裝置,這種輻射可替代對人體健康有害的X射線。此外,俄羅斯將在新西伯利亞建造同步輻射光源,計劃用其研究地球深層過程。托木斯克理工大學研制出供下一代核系統使用的釷基核燃料,結果表明,這一核燃料應對已普遍使用的反應堆應同樣有效。在不久的將來,核原料擴展可通過釷實現,且探測表明其全球儲量非常大。在量子技術領域,俄羅斯科學家創造了超導量子比特的世界紀錄:壽命達50微秒,這一成就使俄接近研制出首臺功能型量子計算機。無獨有偶,新西伯利亞國立技術大學開發出俄首個量子計算機電源,并對其進行了測試。

此外,國際空間站上的俄羅斯宇航員正在進行浮萍栽培實驗,初步結果表明,這種植物在失重狀態下的生長情況與在地球上的相同。俄羅斯科學院高溫聯合研究所還首次成功完成了液碳特性實驗,類似實驗此前只能用計算機模擬,因為碳只有在極高壓和極高溫下才呈現液態,而現有設備無法承受這樣的高壓和高溫。


法國

新五夸克粒子有望揭示夸克秘密

發布雄心勃勃超大型對撞機計劃

李宏策(本報駐法國記者)

繼2012年發現希格斯玻色子后,2019年,位于法國和瑞士邊界的CERN的大型強子對撞機(LHC)再接再厲,做出重大發現:LHCb團隊在中美科學家的領銜下發現了新五夸克粒子。新結果有望進一步揭示夸克理論的諸多奧秘。此前,五夸克粒子的存在只停留在理論層面,2015年,LHCb宣布發現五夸克粒子。如今,該團隊利用更大數據樣本仔細檢查五夸克粒子時,發現其中一個五夸克粒子實際上是兩個質量相近的五夸克粒子疊加而成,大數據樣本帶來的更高分辨率使其現出原形。此外,LHCb團隊還首次在粲粒子中發現電荷宇稱破壞現象,有望幫助科學家理解宇宙正反物質不對稱的起源。

此外,歐洲核子研究中心(CERN)今年發布了一項雄心勃勃的計劃——建造一臺新的超大型對撞機,其長度是現在世界上最強大的對撞機LHC(長27公里)的4倍;最高能量將為LHC的6倍以上。CERN希望,這臺新設備能發現新粒子并為物理學領域帶來顛覆性突破。擬議的新設備名為“未來環形對撞機”(FCC)。根據對撞機的形式不同,耗資約為90億到210億歐元。


德國

超導材料最高臨界溫度創紀錄

生命起源和進化研究獨樹一幟

李山(本報駐德國記者)

2019年,德國科學家在揭示宇宙奧秘,研發新超導體,以及探索生命起源和進化等方面取得較大進展。

在探索宇宙奧秘方面,德國Hazel Hen超級計算機運行一年多生成了迄今最詳細的大尺度宇宙模型TNG50,其時間跨度138億年,物理寬度2.3億光年,包含數萬個正處于演化中的星系。在俄羅斯的幫助下,德國于7月成功發射X射線空間望遠鏡“eROSITA”,并傳回首批圖像。未來有望發現大約10萬個釋放X射線的星系團和數百萬個活躍黑洞,有助于更好地理解宇宙中占主導地位的暗物質和暗能量。

馬克斯·普朗克學會下屬多個研究所有重要發現。如在兩個伽馬射線暴的觀測中發現迄今已知最高能光子,研究解析了高能伽馬射線暴形成過程;首次在行星狀星云NGC 7027中檢測到了宇宙演化的最重要標記之一——氦合氫離子,為一項長達幾十年的研究畫上了句號。

在生命起源和人類進化過程研究方面,法蘭克福大學研究人員發現一種嗜熱細菌通過吸入一氧化碳呼出氫氣而生長,這被認為是地球上最古老的細胞呼吸形式。圖賓根大學科學家在德國發現生活在約1160萬年前的猿類化石,證明了一種新型體式行為“延伸型肢體攀爬”,為人們了解猿類在成為兩足動物之前的情況提供了新線索。德國科學家還在希臘發現的一塊約21萬年前的頭骨,代表了有關亞歐大陸現代人類的最早證據。

腦科學研究方面,馬克斯·普朗克腦研究所科學家重建了小鼠桶狀皮層89個神經元的形態特征及其連接。德國和英國研究人員合作發現,阻斷特殊鈣通道可拯救神經細胞,或能成為針對帕金森病的新神經保護療法的基礎。德國和瑞士科學家開發出首個植入式磁共振探測器,能突破腦掃描方法的電物理極限,以前所未有的分辨率探測大腦的生理機能,為未來針對腦細胞神經元活動和生物能過程的高特異性和定量繪圖技術鋪平了道路。

在量子技術領域,維爾茨堡大學研究人員設計汞碲量子阱,首次成功構建拓撲量子點接觸,使研究邊界狀態之間的潛在相互作用成為可能。雷根斯堡大學科研人員在原子級半導體(二硒化鎢)中發現新的量子干涉現象,為開發新型激光源和量子信息光學處理裝置開辟了新途徑。

2019年,德國科學家在超導領域也取得突破性成果。德美兩國科學家合作發現,在超過100萬倍地球大氣壓下,氫化鑭在零下23攝氏度具有超導性,這是迄今超導材料已獲證實的最高臨界溫度。

在未來地球科學研究領域,德國科考船“極地之星”于9月20日開始有史以來最大一次國際北極氣候研究多學科漂流觀測(MOSAiC)。教研部資助1.5億歐元,來自19個國家的600人將輪班參與該項目。


以色列

揭示環肽促癌細胞生長奧秘

為新型抗癌癥療法鋪平道路

毛黎(本報駐以色列記者)

在基礎研究領域,以色列理工學院科學家領導的一個國際小組發現了環肽是如何抑制癌癥助長蛋白質分解,從而促進癌細胞生長和繁殖的。研究人員認為,他們開發的策略將為基于環肽的新型抗癌療法鋪平道路。

以色列和美國科學家此前發現,泛素(或泛素蛋白)能給有缺陷的蛋白標上“死亡標記”,使其在蛋白酶作用下分解。泛素系統對于生物體健康不可或缺,中斷該系統會引起各種癌癥、肌萎縮側索硬化癥、囊性纖維化、帕金森病和其他神經退行性疾病。

有鑒于此,以色列理工學院研究小組制定的策略旨在抵消惡性腫瘤在泛素系統中運作的能力,其基于泛素鏈化學法生產技術和大型環肽分子庫兩者間的結合。研究中,他們發現環肽可與泛素鏈結合,讓泛素無法正常標記癌癥助長蛋白,從而抑制癌癥助長蛋白質的分解。

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責任編輯: 左常睿
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