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2010年物理学回顾:向探索迈进

作者:水利工程
出处:www.lunrr.com
时间:2019-12-31
作者:潘Xi资料来源:科学时报发布时间:2011年

商品名选择:萧中

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科学时报] 2010物理评论:走向探索

2010年12月12日,作为中国第一个超深地下实验室,中国锦屏地下实验室在四川雅砻江锦屏水电站正式投入运行。世界上岩石覆盖最深的实验室的开放表明,中国已经拥有一个自主的地下实验平台,可以进行重大的基础和前沿物理科学研究。

据报道,该实验室由清华大学与二滩水电开发有限公司合作,利用二滩公司修建的锦屏山隧道建设水电站。它的垂直岩石覆盖层为2400米,是目前世界上岩石覆盖层最深的地下实验室。新华社图片

两位物理学家安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫用铅笔和磁带进行了实验,他们获得了2010年诺贝尔物理学奖。他们用小学生可以掌握的方法获得了石墨烯,这是世界上最薄的材料。

诺贝尔奖获得者李政道曾经说过,科学家看不到其他人站在波浪上追逐波浪。当他们赶上时,波浪就会过去。分析什么是新浪头,创建新浪头。

如果2009年物理学的关键词是“应用”,那么回顾2010年,用“探索和发现”来描述物理学,尤其是中国物理学的发展,会更合适。

凝聚态物理:铁基高温超导体、拓扑绝缘体和冷原子都是不可或缺的”“自2008年铁基高温超导体被发现以来,在过去两年或更长时间里进展相当迅速,也是凝聚态物理研究的焦点。”中国科学院物理研究所研究员、北京凝聚态实验室首席科学家丁洪在接受《科学时报》记者采访时表示,凝聚态物理作为技术发展的主要载体,在当今物理世界拥有最大的研究份额。

2010年,中国科学家的工作得到了国际同行的肯定。

“我们最近做的一项非常重要的工作,发表于2011年1月《自然—物理》,主要是研究超导配对的对称性,这与超导体的机制有关。2010年,美国杂志《科学》也发表了一篇相关论文。”丁洪说。

2010年,铁基高温超导体的温度没有升高,电流最大值为55K~56K。然而,铁基材料引起了轰动,因为它们可能有助于解开氧化铜如何超导的长期谜团。关键问题是这两种超导体的工作原理是否相同。

丁洪说,虽然温度没有升高,但科学家们对铁基高温超导体的物理性质、超导配对和超导机制有了更深入的了解。事实上,研究铁基高温超导体的机理非常困难,这与25年前发现的氧化铜超导体有些相似,物理上也很难理解。

“最近有了很大的突破。中国科学院物理研究所研究员陈小龙的研究小组制造了一种新的铁基超导体,它含有硒,但不再含有剧毒的砷。温度可以达到30K,从而解除了将来超导应用的一些限制。”在丁洪看来,新材料的发现是一个重要的突破,因为这种新的铁基高温超导体看起来不同于所有以前的铁基高温超导体,其机制正在研究中。

拓扑绝缘体是一种新的物质量子态,完全不同于传统意义上的“金属”和“绝缘体”。这种材料状态的体电子态是具有能隙的绝缘体,而其表面是没有能隙的金属状态。拓扑绝缘体的研究也是凝聚态物理中最热门的方向。

中国科学院物理研究所的钟芳、戴Xi等人发现,量子反常霍尔效应可以通过在拓扑绝缘体材料薄膜中掺杂过渡金属元素来实现。这里最关键的问题是磁拓扑绝缘体可以通过磁掺杂和范弗莱克顺磁性实现,磁居里温度可以达到70K。该论文于2010年7月发表在美国杂志《科学》上。

通过第一性原理计算和理论分析,他们发现这种磁性原子掺杂系统明显不同于普通的稀磁半导体,不需要载流子,系统仍然保持绝缘体状态,可以实现铁磁的长程有序状态。此外,由于薄膜中掺杂原子的自旋极化和强自旋轨道耦合,该系统不需要外部磁场和相应的朗道能级,在适当的杂质掺杂浓度和温度下可以观察到量子化的反常霍尔效应。这一发现为低功耗新型电子器件的设计指明了新的发展方向。这项工作主要是前期研究,有可能在拓扑绝缘体上实现新的量子态。其最大特点是无需外加强化磁场就能实现量子霍尔效应。我们的理论是利用材料固有的自旋轨道耦合来实现材料内部磁场的作用。”黛西向记者《科学时报》解释道。

钟芳认为拓扑绝缘体在某种程度上结合了物理和数学。然而,在过去,实现量子霍尔的条件极其苛刻,需要强大的外部磁场和极低的温度。这使得在实践中几乎不可能实现。

“当时,我们有一个非常直接的想法,那就是,我们能否找到一些具有适当结构的材料,在室温下实现量子霍尔效应。”钟芳告诉记者,他们在2010年的所有工作都是朝着这个方向进行的。

然而,黛西也承认这仍是一项初步研究,一些实验小组正在这方面努力工作。如果这个实验能够实现,那将是科学上的一个很大的突破,因为这个实验将很难做。

他们说拓扑量子计算是实现量子计算最有希望的方向之一。然而,如果量子霍尔效应可以应用于当前的器件制造,它很可能改变当前的半导体工业。

在冷原子研究中,自从它第一次被发现以来,它的发展一直令人惊讶。丁洪认为,过去很难制备冷原子,基本上将温度降至绝对零度。然而,经过十多年的发展,科学家们现在有了制备冷原子的方法。冷原子的研究进展具有重要的理论和应用价值。中国科技大学教授潘建伟在中国做得更好。”丁洪说冷原子可以用作原子钟,对国防、量子通信和其他领域非常重要。

天文学和天体物理学:什么时候“吹走”两个乌云

暗物质和暗能量的存在几乎颠覆了人们以前对宇宙的理解,可以称之为新世纪物理学的“两个乌云”。对这两个问题的研究必将带来新的理解突破。

中国科学院理论物理研究所的研究人员吴月亮和周玉峰告诉记者《科学时报》,目前所有暗物质存在的证据都来自天文观测,其存在是通过引力效应间接推断出来的。暗物质的相互作用可以表现为暗物质湮灭成常规物质或碰撞和散射。这激励人们在高能宇宙射线和地下极低背景探测仪器中寻找暗物质的踪迹。目前,世界各地正在积极开展许多暗物质卫星探测实验和数十个暗物质地下探测实验。

近年来,暗物质空间和地下探索实验取得了重大进展。中国科学院紫金山天文台参与的ATIC空气球探测器的结果表明,高能区正电子和正电子的总能谱明显超出背景。随后美国费米LAT卫星实验以前所未有的高精度再次测量了正电子和正电子的总能谱,结果也显示出过剩现象,但能谱相对平坦,与ATIC的测量结果不完全一致。

在暗物质地下探测方面,实验的灵敏度大大提高,一些流行的暗物质理论模型受到了一定的限制,如最小超对称性模型(minimum supersymmetry model)。2009年底,CDMS实验小组宣布发现两个暗物质与原子核碰撞的可能案例。它已经引起了广泛的关注。然而,目前不能排除它是由统计错误造成的。最近也是在明尼苏达州进行的CoGeNT实验也声称观察到了亮暗物质粒子的可能迹象。

吴岳亮和周玉峰认为,2010年,实验进展极大地推动了暗物质的理论研究。

暗物质的理论模型和最近实验结果的现象学分析处于极其活跃的状态。目前,世界上所有国家都在集中精力研究暗物质和暗能量。许多用于精确宇宙学研究和探测暗物质和暗能量的国际地面和空间实验正在规划和准备之中。

中国也在积极推动暗物质的研究。在积极参与暗物质和暗能量探测国际合作小组和取得重要成果的基础上,科技部“973”计划“暗物质和暗能量的理论研究和实验前期研究”于2010年正式启动。充分利用理论研究与实验检测设计相结合、跨学科整合的优势,积极发挥理论先行的作用,突破检测器关键技术,优化实验方案设计,为我国重大科学目标建设做出贡献。

2010年12月,中国锦屏山暗物质探测实验室正式投入运行。该实验室具有独特的优势,是迄今为止世界上最深的地下勘探实验室。许多研究机构将在这里启动新一轮暗物质探测实验,这将有助于最终解决暗物质之谜。

生物物理学:中国科学家与世界同步

光学显微镜可以观察生物分子的动态特性,但不能获得原子结构信息。电子显微镜可以捕捉生物分子的静态结构,但不能获得动态信息。为了突破这一技术局限,日本金泽大学生物物理实验室安藤忠雄教授领导的实验小组极大地改进了高速原子力显微镜技术,直接观察肌球蛋白五号在轨道上行走的完整过程。肌球蛋白是一种分子马达,有两条“腿”负责细胞内的运输,每一步的长度约为36纳米中国科学院理论物理研究所研究员王燕夫(Wang Yanf)在《科学时报》告诉记者,实验组的原子力显微镜以每张图片146.7毫秒的速度直接捕捉到肌球蛋白V“行走”的具体过程,为验证先前提出的肌球蛋白V运动的微观机制提供了直接的实验证据。这项技术有望应用于直接观察其他类型生物分子的运动。

计算机分子动力学模拟越来越成为生物分子理论研究的重要工具,但分子动力学方法可以模拟的时间尺度通常难以超过1微秒,许多生物过程需要在微秒到毫秒级内完成。

2010年,美国国防部肖氏研究小组设计并实现了一台专门用于分子动力学模拟的计算机,并使用它模拟了一个长达1毫秒的特定蛋白质折叠过程。仿真结果与现有实验数据吻合良好。

王燕夫说:“这一成果不仅突出了分子动力学模拟在生物研究中的重要性,也为现有经验力场在生物分子长期模拟中的适用性提供了直接证据。”

短链核酸在一些生物过程中起着非常重要的作用,例如,它们可以影响细胞中内源基因的功能。因为短链核酸容易降解,所以它们的保护和储存非常重要。在脂质复合物(脂质和短链核酸的混合物)中,短链核酸被挤压在一起以避免降解。

李明,中国科学院物理研究所研究员,带领实验组通过低角度x光散射实验,研究了固体支持物上含有单个寡脱氧核苷酸的脂质体的结构性质。研究表明,当单个寡脱氧核苷酸的浓度小于0.16时,脂多糖呈现均匀的结构。在较高的浓度下,脂复合物被分成具有更多寡脱氧核苷酸和更少寡脱氧核苷酸的两相。该研究结果为短链核酸的更有效储存和利用提供了重要信息。

许多生物分子自发组装成二十面体结构,例如艾滋病毒组装成二十面体病毒外壳。对于为什么生物分子倾向于二十面体而不是其他多面体结构,缺乏合理的解释。

在中国科学院理论物理研究所博士生欧阳中灿院士的指导下,周莉利用雷诺斯基格模型估算了自然界中可以稳定存在的五个正凸多面体的弹性能。计算表明二十面体具有最小的表面弹性能,这可能是生物分子选择组装成二十面体的主要原因。这种能量分析方法有望推广到其他不规则多面体结构。

粒子物理学:大型强子对撞机将带来“黄金时代”

欧洲粒子物理研究所的大型强子对撞机(LHC)自2009年11月开始运行,自2010年3月30日起与质量能量中心7TeV发生碰撞。大量的理论研究表明,在LHC探测到的能量区,可能会发现超越标准模型的新物理学。

中国科学院理论物理研究所研究员李天军告诉记者《科学时报》,一旦LHC证实了新的物理现象,粒子物理学将进入黄金时代。

粒子物理学是一门研究自然界中基本粒子及其相互作用的学科。粒子物理标准模型的建立是20世纪物理学最伟大的成就之一。这几乎与目前进行的所有实验一致。为了将弱规范对称性破缺转化为电磁相互作用并给出第三代费米子质量,科学家们引入了标量希格斯粒子。但到目前为止,希格斯粒子还没有被发现。

根据介绍,LHC将寻找希格斯粒子并解释质量的起源。同时,它将检查超对称性标准模型是否正确。特别是,超对称标准模型中的暗物质可以在一些参数空间中测试,规范玻色子的超对称伙伴的质量可以测量。

此外,LHC还将研究以下基本问题:第一,自然主要由重子等物质组成。根据量子场论,反物质通常存在于物质中。根据膨胀理论,物质和反物质可以在早期宇宙中产生。物质和反物质成对湮灭成能量,如光子。问题是自然界主要是由宇宙进化后的物质组成的。LHC的底部夸克探测器(LHCb)将研究物质和反物质之间的差异,这有助于我们理解物质和反物质之间的不对称性。

第二,根据膨胀理论,非常早期的宇宙由非常热和非常致密的基本粒子组成,包括夸克和胶子(规范玻色子),它们形成夸克和胶子等离子体。LHC的大型离子对撞机(ALICE)将重现类似的夸克和胶子等离子体,并研究相应的性质。这有助于我们理解非常早期的宇宙。

第三,超弦理论预测了额外的空间维度。如果额外空间维数很大,我们可以自动解释规范等级问题,并在大型强子对撞机中探索大的额外空间维数。

新粒子物理模型的构建主要围绕标准等级问题。关于新物理学有三种主要的推测:1。超对称性;2.希格斯粒子是复合粒子;3.额外的空间维度。除了上述三种可能性之外,还有一些上述想法的混合。超对称性是玻色子和费米子之间的对称性,所以在超对称性标准模型中,每个标准模型粒子都有其对应的超对称性伙伴。由于自旋统计,它可以最自然地解释标准品位的问题。超对称标准模型是目前最好的新粒子物理模型。

重力相互作用:基础的还是诱导的?

黑洞热力学深刻揭示了热力学和引力理论之间的某种联系。时空动力学(重力)和热力学定律之间有本质的关系吗?

2005年,中国科学院理论物理研究所研究员蔡荣根和他的合作者成功推导出描述时空动力学的复合埃德尔曼方程。研究结果被2006年诺贝尔物理学奖获得者斯穆特和着名的重力学家、加拿大滑铁卢大学的曼教授等所考虑。他们为引力理论和热力学之间的本质联系提供了新的证据,并促进了相关的研究。蔡荣根等人进一步系统地研究了宇宙动力学和热力学之间的关系,并建立了宇宙学表观视界的热力学。特别是,霍金辐射被证明存在于宇宙学的表观视界中,就像黑洞的事件视界一样。该论文被英国杂志《科学时报》编辑委员会推荐为该杂志2009-2010年的亮点之一。

"这些研究结果无疑意味着引力理论和热力学理论之间有着深刻的内在联系."蔡荣根告诉记者《经典和量子引力》。

在以前工作的基础上,2010年初,世界着名的荷兰理论物理学家埃里克弗林德斯(Eric Flinders)提出重力不是一种基本的相互作用,而是一种熵力。弗雷德的论文在理论物理界引起了巨大反响。一群世界着名的理论物理学家,包括诺贝尔物理学奖得主,如托马斯、格罗斯、斯穆特等。对弗洛伊德的工作表现出极大的兴趣,并给予了高度评价,认为这是对重力本质的深刻理解。同时,也有一些物理学家认为弗里德里希的工作有一个逻辑循环,并没有给出新的想法。

弗里德里希的工作也引起了中国物理学家的极大兴趣。他研究了弗里德里希在宇宙学、黑洞物理学、引力理论本身和许多其他方面的思想。他在国际高水平学术期刊上发表了许多有意义的研究着作。

《科学时报》 (2011-2-11 A1亮点)

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