基础研究:致广大 尽精微——2019年世界科技发展回顾(二)

2020-01-02 15:52:28 来源: 科技日报 作者: 国际部记者


美国科学家发现新五夸克粒子(pentaquarks)。 图源:《科学美国人》网站


中子星(后方)发出的脉冲在经过白矮星(前方)时被减慢。这种效应使天文学家能够测量系统的质量。图源:美国国家射电天文台

美国

微观粒子研究领域硕果累累

首张黑洞照片问世震惊全球

刘海英(本报驻美国记者)

2019年,美国科学家在包括粒子物理在内的多个基础物理领域取得重大突破,发现新五夸克粒子(pentaquarks)和首张黑洞照片问世是其中的翘楚。

在粒子物理领域,如今要发现一种新粒子越来越困难。欧洲核子研究中心(CERN)大型强子对撞机LHCb实验发现新五夸克粒子成为2019年粒子物理领域的一项突出成就,美国和中国科学家联袂扮演了重要角色。美国科学家还开发出在室温下合成并捕获三粒子的方法,使操纵三粒子并研究其基本性质成为可能。他们还利用改进的电子散射方法精确测量了质子半径,0.831飞米的新值对解决所谓的“质子半径”难题至关重要。美国科学家还首次在光子—质子碰撞中测量了J/ψ介子的产生截面。此外,他们利用暗物质探测器XENON1T观察到氙-124的放射性衰变,高达1.8×1022(上标)年的半衰期为宇宙年龄的1万亿倍,这些研究为人类理解世界增添了新视角。

在天体物理学领域,引力波研究热度未减!美国激光干涉引力波天文台(LIGO)在4月开始了为期一年的新一轮科学探测。同在4月,人类首张黑洞照片问世,成为2015年人类首次直接探测到引力波以来又一项里程碑式的成果,哈佛-史密森天体物理中心谢泼德·杜勒曼领导的事件视界望远镜(EHT)团队,将同LIGO团队一样永载科学史册。

2019年天体物理学领域还有一些值得书写的研究成果:美国科学家根据哈勃太空望远镜数据新测定的宇宙膨胀速度,比根据早期宇宙特征(宇宙微波背景辐射)预测的膨胀速度快约9%,这意味着天文学家需要一些超出当前物理学的新理论来解释宇宙;发现了迄今最重的中子星J0740+6620,直径约19公里,质量却超过太阳质量2倍;“揪出”了第二个没有暗物质的星系,表明暗物质实际上可与星系分离,这颠覆了科学家此前的认知;还通过实验揭示了宇宙大爆炸发生的可能机制,有助于科学家进一步理解宇宙起源模型。

美国和英国科学家还携手发现了一种以前不为人知的光波:季亚科诺夫—福格特波,代表我们在理解光与复杂材料如何相互作用方面向前迈进了一步,也为一系列技术进步奠定了基础。

尽管人类不断追逐星辰大海,但人类对宇宙的探知远未到尽头。



日本科学家在围绕年轻恒星猎户座V883的气体和尘埃圆盘中发现复杂有机分子甲醇、丙酮等。图源:日本国家天文台

日本

行星月球科学探索成绩斐然

桌面实验或可理解黑洞性质

陈超(本报驻日本记者)星科学研究领域,日本科学家发现了旋转轴倾斜度不一致的原始行星系圆盘。理化学研究所与千叶大学的联合研究小组通过阿尔玛望远镜观测成长期的年轻“原始行星圆盘”,发现圆盘旋转轴倾斜从内侧向外侧偏移,还发现圆盘内部的星际尘埃可能正在开始聚结成长。研究人员指出,诞生之初的原始星周围存在大量气体并向原始星降落,降落的气体保持旋转轴方向最终由于离心力和引力平衡形成“原始行星圆盘”。由于原始行星系圆盘中心形成行星,成为行星系,因此最新研究有助理解原始行星系圆盘形成过程和行星形成。

此外,科学家在围绕年轻恒星的圆盘中发现大量有机分子。东京大学的一个联合研究小组利用阿尔玛望远镜观测围绕着年轻恒星猎户座V883的气体和尘埃的圆盘(原始行星系圆盘),发现了复杂有机分子甲醇、丙酮等,其中丙酮是首次在原始行星圆盘中发现。观测还发现,与一般原始行星圆盘相比,猎户座V883的圆盘中这些分子与氢的丰度比大约高1000多倍。

科学家还发现,月球有可能来自地球岩浆海洋。海洋研究开发机构(JAMSTEC)、神户大学及理化学研究所的科学家对大碰撞说进行计算机模拟,发现月球可能由原始地球的岩浆海洋构成。地球和月球被认为由46亿年前两个天体发生大碰撞后形成。大碰撞说能解释地球和月球的各种特征,因此研究人员通过计算机模拟进行了多方验证。研究小组改良了以前标准的大碰撞说模型,首次在假设原始地球上存在岩浆海洋的情况下,实施了大碰撞计算机模拟。结果表明,岩浆海洋可能在月球形成中发挥了巨大作用,由此可以解释地球与月球的同位素比问题。

另外,国立天文台领导的国际小组利用多台天文望远镜,在距地球130亿光年处发现了由12个星系组成的“原始星系团”,是迄今发现的最遥远原始星系团,显示宇宙在8亿岁(宇宙现在138亿岁)就存在有造星运动活跃的原始星系团。

在黑洞研究方面,日本科学家也有斩获!大阪大学、日本大学和中央大学组成的研究小组提出一个新理论框架,通过桌面实验即可理解黑洞的物理性质。该理论有望从极小尺度和超大尺度两方面阐明宇宙运转的基本定律。


英国

系外行星大气首次发现水汽

微观世界气候科学屡有创新

田学科(本报驻英国记者)

2019年,英国在行星科学、微观粒子、物质结构、气候变化研究等基础领域均取得不俗成绩。

在行星科学领域,伦敦大学学院9月12日宣布,该校研究人员首次在一颗太阳系外类地行星大气中发现水汽,水的含量可能介于0.01%至50%之间,且这颗星球与恒星的距离让它处于“宜居带”中,其温度可能符合生命存在所需条件。这是科学家首次在“超级地球”大气层中发现水汽,有助于人类理解潜在宜居行星的大气演化历程。在太阳研究领域,英国科学家借助地面望远镜研究一个特殊的太阳耀斑事件后得出结论称,产生这个太阳耀斑的磁场强度比以前认为的强10倍。这一发现或将改变我们对太阳大气内发生的物理过程的理解,并为太阳日冕研究开辟新途径。

在揭示宇宙奥秘方面,英国科学家的表现同样可圈可点。7月10日,平方公里阵列射电望远镜(SKA)全球总部在英国柴郡举行启用和移交仪式,标志着这个由多国参与建设的全球最大射电望远镜正式投入使用,为探索宇宙奥秘提供了更好的国际合作平台。英国天文学家还通过高性能计算设施,重新处理来自国际低频阵列射电望远镜(LOFAR)获得的所有国际站的数据,比以往更详细地研究星系及其活动的演变,绘制出数千个过去未知星系的图像。英国科学家还借助超级计算机对星系进行的模拟表明,爱因斯坦的广义相对论可能不是解释引力如何作用或星系如何形成的唯一方式,另一种f(R)引力模型(变色龙理论)也可以解释星系的形成。

微观世界研究领域同样捷报频传! 7月中旬,英国物理学家首次拍摄到一种量子纠缠的照片,捕获到这种难以捉摸现象的视觉证据,该研究有望促进量子计算等领域的发展。同月,牛津大学物理学家领导的团队首次研制出一款磁场噪声波谱仪,让人类第一次“听”到了一个磁单极子流产生的磁噪声,这一方法有助于开展磁单极子物理学新研究。8月,英国科学家利用与宇宙结构相关的数据,限定了宇宙间最小、最难研究的组成部分之一——中微子家族中最轻成员的质量,即不超过0.086电子伏特,约为电子质量的600万分之一。

在物质结构领域,中英科学家4月初合作发现了一种新物质形态:链融态,即在极端高温高压条件下,可使金属钾原子同时呈现固态和液态并存的稳定物质形态。

2019年,英国科学家在保护环境、构建更美好社会贡献出自己的智慧。8月,研究人员通过卫星观测发现,在位于热带地区的北非,二氧化碳排放量比之前预计的更多,热带地区“意外”成了地球温室气体的排放源。11月,帝国理工学院的研究人员发现,随着细菌不断适应更高温度,它们会加快呼吸速度,释放出更多碳,从而加速全球气候变化,这一发现将有利于构建更准确的全球气候变化模型。此外,科学家的研究揭示,地球系统正发生不可逆变化,标志着地球进入一种“紧急状态”。而且,证据表明,西南极冰原和亚马逊雨林缩减等临界点出现的可能性,或许比人们之前预期的更大。

南极也是英国科学家2019年关注的重点。为厘清南极洲何时被覆盖于冰川之下,年初,英美两国科学家携手,在拉特福德冰川连续钻探63小时,下探到2152米的深度。10月,英国南极观测局科学家研究一份跨越6千年的冰川记录后发现,由于南半球环状模发生变化等原因,南极半岛东部冰架几百年来一直在加速变薄,这或将导致南极冰架坍塌,使南极半岛东部西风变强、大气变暖以及冰架消融,并可能导致未来冰川面积加速减少。



“通卡实验”(TAIGA)让科学家距了解超高能宇宙射线的性质更近一步。图源:俄罗斯卫星通讯社

俄罗斯

火星金星探测领域成绩亮眼

量子加速器等技术表现不俗

董映壁(本报驻俄罗斯记者)

在火星和金星探测、量子研究领域,2019年,俄罗斯科学家也贡献了不少让人亮眼的成绩。此外,一些大型科学设施的兴建和启动,也为科学发展带来更多机遇。

2019年,科学家在西伯利亚通卡区域启动了大型伽马射线世界级观测台国际科学合作项目“通卡实验”(TAIGA),用于研究伽马射线和超高能宇宙射线。目前,他们正为TAIGA观测台的两个装置:探测站TAIGA-HiSCORE,新天文望远镜TAIGA-IACT做测试准备。

在火星和金星探测方面,俄罗斯晒出的成绩单可谓亮眼。俄罗斯与欧洲联合研发的“ ExoMars-TGO”探测器(火星探测计划微量气体轨道探测器) 绘制了一份火星表面水分布情况的详细地图,发现几处“大量水冰储备”。此外,俄罗斯科学家发现金星存在生命新证据:俄对苏联“金星9号”、“金星10号”、“金星13号”和“金星14号”探测器从1975到1982年间获取的金星表面全景图像做了新处理,从图像中可以看到有稳定结构且缓慢移动的物体,这些物体的轮廓类似茎、蝎子、蘑菇、蜥蜴等共18种生物,且都具有明显尺寸和形态特征,也可以将其与地质构造区分开来。另外,每张图像中它们的位置都有变化。

在包括同步加速器、量子计算机等在内的高精尖领域,俄罗斯也取得重大进展。全俄物理技术和无线电测量科学研究所研制出精度更高的第二代光学原子钟。俄罗斯科学家正在研发一款可用普通水改变太赫兹辐射强度的装置,这种辐射可替代对人体健康有害的X射线。此外,俄罗斯将在新西伯利亚建造同步辐射光源,计划用其研究地球深层过程。托木斯克理工大学研制出供下一代核系统使用的钍基核燃料,结果表明,这一核燃料应对已普遍使用的反应堆应同样有效。在不久的将来,核原料扩展可通过钍实现,且探测表明其全球储量非常大。在量子技术领域,俄罗斯科学家创造了超导量子比特的世界纪录:寿命达50微秒,这一成就使俄接近研制出首台功能型量子计算机。无独有偶,新西伯利亚国立技术大学开发出俄首个量子计算机电源,并对其进行了测试。

此外,国际空间站上的俄罗斯宇航员正在进行浮萍栽培实验,初步结果表明,这种植物在失重状态下的生长情况与在地球上的相同。俄罗斯科学院高温联合研究所还首次成功完成了液碳特性实验,类似实验此前只能用计算机模拟,因为碳只有在极高压和极高温下才呈现液态,而现有设备无法承受这样的高压和高温。


法国

新五夸克粒子有望揭示夸克秘密

发布雄心勃勃超大型对撞机计划

李宏策(本报驻法国记者)

继2012年发现希格斯玻色子后,2019年,位于法国和瑞士边界的CERN的大型强子对撞机(LHC)再接再厉,做出重大发现:LHCb团队在中美科学家的领衔下发现了新五夸克粒子。新结果有望进一步揭示夸克理论的诸多奥秘。此前,五夸克粒子的存在只停留在理论层面,2015年,LHCb宣布发现五夸克粒子。如今,该团队利用更大数据样本仔细检查五夸克粒子时,发现其中一个五夸克粒子实际上是两个质量相近的五夸克粒子叠加而成,大数据样本带来的更高分辨率使其现出原形。此外,LHCb团队还首次在粲粒子中发现电荷宇称破坏现象,有望帮助科学家理解宇宙正反物质不对称的起源。

此外,欧洲核子研究中心(CERN)今年发布了一项雄心勃勃的计划——建造一台新的超大型对撞机,其长度是现在世界上最强大的对撞机LHC(长27公里)的4倍;最高能量将为LHC的6倍以上。CERN希望,这台新设备能发现新粒子并为物理学领域带来颠覆性突破。拟议的新设备名为“未来环形对撞机”(FCC)。根据对撞机的形式不同,耗资约为90亿到210亿欧元。


德国

超导材料最高临界温度创纪录

生命起源和进化研究独树一帜

李山(本报驻德国记者)

2019年,德国科学家在揭示宇宙奥秘,研发新超导体,以及探索生命起源和进化等方面取得较大进展。

在探索宇宙奥秘方面,德国Hazel Hen超级计算机运行一年多生成了迄今最详细的大尺度宇宙模型TNG50,其时间跨度138亿年,物理宽度2.3亿光年,包含数万个正处于演化中的星系。在俄罗斯的帮助下,德国于7月成功发射X射线空间望远镜“eROSITA”,并传回首批图像。未来有望发现大约10万个释放X射线的星系团和数百万个活跃黑洞,有助于更好地理解宇宙中占主导地位的暗物质和暗能量。

马克斯·普朗克学会下属多个研究所有重要发现。如在两个伽马射线暴的观测中发现迄今已知最高能光子,研究解析了高能伽马射线暴形成过程;首次在行星状星云NGC 7027中检测到了宇宙演化的最重要标记之一——氦合氢离子,为一项长达几十年的研究画上了句号。

在生命起源和人类进化过程研究方面,法兰克福大学研究人员发现一种嗜热细菌通过吸入一氧化碳呼出氢气而生长,这被认为是地球上最古老的细胞呼吸形式。图宾根大学科学家在德国发现生活在约1160万年前的猿类化石,证明了一种新型体式行为“延伸型肢体攀爬”,为人们了解猿类在成为两足动物之前的情况提供了新线索。德国科学家还在希腊发现的一块约21万年前的头骨,代表了有关亚欧大陆现代人类的最早证据。

脑科学研究方面,马克斯·普朗克脑研究所科学家重建了小鼠桶状皮层89个神经元的形态特征及其连接。德国和英国研究人员合作发现,阻断特殊钙通道可拯救神经细胞,或能成为针对帕金森病的新神经保护疗法的基础。德国和瑞士科学家开发出首个植入式磁共振探测器,能突破脑扫描方法的电物理极限,以前所未有的分辨率探测大脑的生理机能,为未来针对脑细胞神经元活动和生物能过程的高特异性和定量绘图技术铺平了道路。

在量子技术领域,维尔茨堡大学研究人员设计汞碲量子阱,首次成功构建拓扑量子点接触,使研究边界状态之间的潜在相互作用成为可能。雷根斯堡大学科研人员在原子级半导体(二硒化钨)中发现新的量子干涉现象,为开发新型激光源和量子信息光学处理装置开辟了新途径。

2019年,德国科学家在超导领域也取得突破性成果。德美两国科学家合作发现,在超过100万倍地球大气压下,氢化镧在零下23摄氏度具有超导性,这是迄今超导材料已获证实的最高临界温度。

在未来地球科学研究领域,德国科考船“极地之星”于9月20日开始有史以来最大一次国际北极气候研究多学科漂流观测(MOSAiC)。教研部资助1.5亿欧元,来自19个国家的600人将轮班参与该项目。


以色列

揭示环肽促癌细胞生长奥秘

为新型抗癌症疗法铺平道路

毛黎(本报驻以色列记者)

在基础研究领域,以色列理工学院科学家领导的一个国际小组发现了环肽是如何抑制癌症助长蛋白质分解,从而促进癌细胞生长和繁殖的。研究人员认为,他们开发的策略将为基于环肽的新型抗癌疗法铺平道路。

以色列和美国科学家此前发现,泛素(或泛素蛋白)能给有缺陷的蛋白标上“死亡标记”,使其在蛋白酶作用下分解。泛素系统对于生物体健康不可或缺,中断该系统会引起各种癌症、肌萎缩侧索硬化症、囊性纤维化、帕金森病和其他神经退行性疾病。

有鉴于此,以色列理工学院研究小组制定的策略旨在抵消恶性肿瘤在泛素系统中运作的能力,其基于泛素链化学法生产技术和大型环肽分子库两者间的结合。研究中,他们发现环肽可与泛素链结合,让泛素无法正常标记癌症助长蛋白,从而抑制癌症助长蛋白质的分解。

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责任编辑: 左常睿
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