女生下体长了一个痘痘:2011诺贝尔奖?物理学-意料之外的宇宙

【2011诺贝尔奖?物理学】意料之外的宇宙
作者: 南方周末记者 黄永明
2011-10-13 14:47:06
 来源:南方周末
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诺贝尔 物理学  评论5条 打印 | 字体:大 中 小 观测结果给出了相反的结论：宇宙膨胀并没有减速，而是在加速。
宇宙学家们早就知道索尔·保穆特（Saul Perlmutter）要获诺贝尔奖，至于是哪一年的10月，只是个时间问题。在他做出那项重要发现10周年之际的2008年，《科学美国人》杂志曾问他是否每到十月份就会激动起来，他回答说：“人们可以把一辈子的时间都用来期待诺奖，这不是一个很健康的心理状态。”
事实证明，保穆特并不需要期待一辈子，他的诺贝尔奖来得还算比较快。2011年10月，瑞典皇家科学院决定将今年的诺贝尔物理奖授予保穆特，以及他的竞争对手布里安·施密特（Brian P. Schmidt）和亚当·里斯（Adam G. Riess）。他们的获奖工作是“通过观测遥远的超新星，发现宇宙正在加速膨胀”。
1998年，保穆特的团队和施密特的团队分别独立宣称发现宇宙加速膨胀。据同行讲，他们之间的竞争“很激烈”，为究竟是谁率先做出了这项发现而争执不下。2008年，在一次暗物质研究的国际会议上，先是保穆特团队的一位老先生上台说，保穆特早就在自己大学的讲座里提到了这项发现。而施密特团队的人则上台反驳，称保穆特那番讲座只不过是举了一个例子，并不是在说明实际的观测结果。甚至，阵营之中还有人在自己撰写的科普书中暗暗嘲讽对方。
“现在同时获得了诺贝尔奖，他们的争执大概也就了结了。”中科院国家天文台宇宙暗物质暗能量组首席科学家陈学雷对南方周末记者说。

美国科学家保穆特 （CFP/图）
【南方周末】本文网址：http://www.infzm.com/content/63872
从“不靠谱”的研究出发
索尔·保穆特，1959年出生于美国伊利诺伊州，天体物理学家。他一开始所从事的研究在许多天文学家看来都相当“不靠谱”。那是在1990年代，保穆特所在的劳伦斯伯克利实验室（LBL）从美国一名军工科学家那里获得启发，研制了一套自动搜寻天体的系统。实验室当时想用这套系统来寻找所谓的“复仇之星”（Nemesis），也就是在一些人的假想之中，那颗太阳的伴星，它造成了地球历史上的生物大灭绝。
实际上，劳伦斯伯克利实验室从建立之初就散发出特异的气息，因为它的创始人是路易斯·阿尔瓦雷茨（Luis Alvarez）。用保穆特的话来讲，此人的风格就是“寻找有趣的科学——不管它在哪，然后找到工具去研究它们”。美国在广岛投下原子弹时，阿尔瓦雷茨是在轰炸机上测量爆炸效果的科学家。他曾钻到金字塔内部，记录宇宙线打穿金字塔之后的状况，以期揭示金字塔的内部结构。他首先提出了恐龙灭绝是由小行星撞击导致的。他还因为发明高能物理实验中用到的气泡室而获得了1968年的诺贝尔奖。
就是在阿尔瓦雷茨建立的这种由着兴趣来的研究风气中，劳伦斯伯克利实验室开始寻找那颗“复仇之星”。他们理所当然地没有找到“复仇之星”。但这也并不是说他们一无所获。他们在这个过程中意识到，运用相同的技术，能够去寻找超新星。
超新星是一些质量较大的恒星演化到晚期发生爆炸所产生的天体。它们在短时间内很明亮，一颗超新星的亮度可以相当于整个星系。超新星中有一类被称作Ia型超新星，天文学家认为它的亮度是固定的，可以当作“标准烛光”来使用。也就是说，它离我们越远，我们看到它就越暗，由此在天文学中可以用它们来测量距离。
劳伦斯伯克利实验室后来将研究方向由“复仇之星”转向了寻找宇宙中的“标准烛光”。但是搜寻超新星也不是一件容易的事情。尽管它们本身很明亮，但由于距离遥远，在地球上看来，超新星还是相当的暗弱。另一个困难在于，超新星爆发之前并不会做出预告，而天文学家的望远镜使用时间是提前至少几个月就申请好的，所以当超新星出现时，你并不一定能有可用的望远镜。保穆特曾经给世界各地的天文学家打电话请求他们协助观测，但这些人当然都会认为自己手头在做的事情更重要，所以并不是每次都配合。
由于种种障碍，劳伦斯伯克利实验室搜寻超新星的项目一开始是两手空空，一些研究人员对此感到悲观，有人转行去做科普了，也有人去研究更为现实的气候变化问题。保穆特是少数坚持了下来的人。他后来接掌这个项目的时候，正是它最让人黯然的时期，当时他们一颗超新星都没有发现。但是美国的资助机构却继续给了他们经费，支持这项看上去毫无成果可言的研究。
“2011年诺贝尔物理奖带给我们的一个启示就是，你根据什么标准来判断是否资助一项研究。”陈学雷感慨道，“要通过真正懂行的专家来评估它，考虑其具体的方案，看它在科学和技术上是否具有前景。如果仅仅看有没有发表论文，或者是否完成了计划，那么这种评估就是任何人，甚至是一个管理者就能做的了。”

美国科学家里斯 （CFP/图）

澳大利亚科学家施密特 （CFP/图）
并不存在的错误
与保穆特相比，澳大利亚国立大学的施密特和美国约翰·霍普金斯大学的里斯，都是更为“正统”的天体物理学家。施密特1967年出生于美国，他在哈佛大学读博期间的工作便是与著名天文学家罗伯特·科什那（Robert Kirshner）一起用超新星测距。里斯1969年出生于华盛顿，同样师从科什那，同样做的是用超新星测距的工作。
也正因为他们从一开始就是从事这项工作，所以当他们试图用超新星去测量宇宙膨胀的时候，他们会很清楚弥漫在天文学家之中的悲观情绪。不仅仅是搜寻超新星非常困难，而且在它们是否能被当作标准烛光这个基本问题上，天文学家也有诸多怀疑。
但是他们仍然决定从事自己的老本行。1995年，施密特来到澳大利亚，开始调用地球上最大的望远镜搜寻超新星。他们倒是比较幸运，第一年便发现了一颗超新星。他们所使用的观测方法不同于保穆特的团队，不过二者心中的预期是相同的：发现宇宙膨胀正在减速。
大约在137亿年前，我们的宇宙在一次大爆炸中诞生，然后一直膨胀到今天。对于宇宙的未来，科学家们认为有三种可能性。一是膨胀会慢慢停止，然后整个宇宙再缩回去；一是宇宙会加速膨胀下去，变得越来越大，越来越冷，越来越空。最多的人认为，膨胀会减速，但介于以上二者之间。施密特、里斯和保穆特当时也是这样认为的。
但是，他们的观测结果却分明给出了相反的结论：宇宙膨胀并没有减速，而是在加速。里斯把所有数据处理完得到这个结论时，第一反应是：“啊，我犯了个可怕的错误，我得把这个错误找出来。”然后，他花了几个星期的时间寻找那个并不存在的错误，这个过程让他开始想到，这个结果会不会是正确的？
而在保穆特那边，他们也并不是一下子就发现了重大突破。他们也是在对数据的处理过程中慢慢意识到事情的不同寻常。他们没有像阿基米德那样在泡澡的时候突然喊出“Euraka！”（找到了），而是在持续九个月的时间里逐个拼出以上六个字母。
竞争的一个好处就是，它让里斯看到，原来其他人也得到了与他们相同的结论。于是，他的想法从“我犯了个可怕的错误”转变为，“我的天哪，这可能是正确答案！”
随着两个团队分别发表自己独立的研究结果，“宇宙在加速膨胀”成了为1998年最大的科学突破。天文学家为了解释这一现象，提出了“暗能量”的概念。正是在暗能量的驱动下，宇宙出现了加速膨胀。
暗能量和暗物质成为了或许是21世纪初最令天体物理学家们迷惑的课题，它们的实质至今尚未清楚。现在知道的是，我们的宇宙由大约70%的暗能量、26%的暗物质和4%的普通物质组成。我们的身体、我们所用到的一切，我们看到的天上所有的星星，都只属于那4%的宇宙。
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【诺贝尔2009】从霞飞路到斯德哥尔摩——光纤之父高锟的人生路
作者: 南方周末记者 潘晓凌 特约撰稿 刘丹
2009-10-14 19:12:02
 来源:南方周末
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诺贝尔物理学奖 光纤 高锟  评论21条 打印 | 字体:大 中 小 ■透视2009诺贝尔物理学奖
“光纤”，本报记者念一遍。
“光—纤”，高锟又把它重复了一遍。
这已不再是他感兴趣的话题。但提起硅谷老人健康中心的餐食，他兴奋得像个孩子：“好吃！”
直至记者来访，健康中心的工作人员才知道，这位患有老年痴呆症、只能用短句表达意思的76岁老人，竟然是非凡的光纤之父与新晋诺贝尔物理学奖得主。
离健康中心不远的家里，高锟的太太黄美芸忙得不可开交。自瑞典时间10月6日瑞典皇家学院宣布高锟获2009年诺贝尔物理学奖之后，这位75岁老太太的电子邮箱里，一下子涌入了来自全球的几百封亲友祝贺与媒体约访的邮件。楼下电话的电池已被打尽，在与南方周末记者聊天的35分钟里，黄美芸不停上楼接了七八个电话。
现在看来，如此便捷的沟通方式已是再寻常不过的现象，这正是高锟的获奖理由。1966年，高锟的一篇划时代论文为光纤的发展奠定了基础。其时，固定电话已经面世，但打通国际电话，奢侈且带朝圣感——你需要先向电话公司预约通话时间，时限三分钟。全球即时联络，彼时犹如童话。
43年前的“前卫”与43年后迟到的荣耀固然让人感慨，而43年间高锟始终得以心无旁骛地做研究，其超前设想也一直获得大量的财力与人力的支持，这或许更值得国人思量。
童年霞飞路
1933年，高锟出生于上海一户典型的高知家庭。父亲高君湘是留美返沪的大律师，祖父高吹万是清末民初时期南社著名文人，堂叔父高君平为知名天文学家。
高锟的家坐落于霞飞路，这条现更名为淮海路上的民居，如今已成老上海的缩影与家世不凡的标志。到了上小学的年龄，高锟被送进霞飞路上的世界学校。这所由蔡元培、陶玄等创办的西式学堂，时为上海顶级贵族学校。课堂上，高锟们要学英语、法语，放学后，衣着整洁光鲜的孩子们纷纷钻进各家的高级轿车。只有圈内人才能辨认出，这些小家伙中，有孙中山的孙女、杜月笙的小儿子、荣氏家族的后代……
回家后，还有父亲请来的私塾老师在等着高锟，一字一句地教他诵记四书五经。高锟的堂兄、上海文史馆馆员姚昆田回忆，高锟随父母移民后，再回上海叙旧时，还颇有兴致地与他和诗。
1948年高家举家迁往香港，是高锟人生首个转折点。这次应该被龙应台录入新作《大江大海——一九四九》的迁居，使高锟得以心无旁骛地继续接受优质高等教育，为他今后的非凡成就奠定了基础。
在香港圣约瑟书院念书期间，这个打小就喜欢自制灭火筒、烟花、相纸甚至泥炸弹的小男孩，就立志报读电机工程。
从书院毕业后，高锟赴英国留学，1957年，取得伦敦大学电子工程理学学士学位，加盟国际电话电报公司（ITT）。同年，中国大陆正开始推行反右运动，继而是三年人为饥荒与十年“文革”，所幸高锟这颗“小粒子”的布朗运动已经脱离了那片水域，闯入亟待突破的电讯业领域的精英行列。
这个当年无论是追女孩还是被女孩倒追，都会面红耳赤的小个子男生，实在称不上是一位游刃有余的天才。由于迷恋打网球，高锟以二级荣誉从伦敦大学毕业。
在香港三联书局现任总编辑陈翠玲女士眼中，高锟不善言辞，甚至有些木讷，但在2005年香港书展高锟自传首发式上，他罕见地在台上兴致勃勃地说了一大通话。其时，台下的听众寥寥，尽管此前发了一大叠邀请函，公众与媒体对这位低调的前中文大学校长知之甚少。“你会觉得他当时真的好开心，却让我更内疚。”陈说。
在这本叫《潮平岸阔》的自传中，高锟写道：我在电讯事业冒起之际投身这个行业，社会上对传送大量讯息，甚至活动影像的需求日渐迫切，这可就是推动我向前发展的波浪？
会当凌绝顶
1960年，高锟进入ITT设于英国的欧洲中央研究机构——标准通讯实验室，其时，各研究机构已经开始重视公众对改善通讯设施的强烈需求。高锟的主要职责，正是提高现有通讯设备的功能，重点研究和发展一套利用毫米波长的微波传送通讯系统。
现在看来，当时年仅27岁的高锟的确生逢其时地站在了全球通讯科技的制高点。
1966年7月，33岁的高锟登上了人生的第一座高峰，其论文《光频率介质纤维表面波导》发表于英国电机工程师学会学报，这个日子后来被定为光纤通讯诞生日。
其时，这个新鲜的名词被全球媒体纷纷报道转引，读者来信也纷至沓来。其中一封的作者指责高锟“给充满罪恶的社会增添一种邪恶的发明”，并宣称要给他点颜色看看；另一封信来自一位农民：“我整天都要在田里工作，我的家离田很远，肚子饿了只能等老婆把饭送过来，大叫她也听不到，你发明的新玩意到底哪里可以买到？”
高锟在自传中答：他还需要等足20年，才可以买到一部移动电话。
漫长等待的主要原因在于，光纤材料的研制进展实在太慢。其时，制造玻璃的低温熔炉产生的杂质难以控制，高温石英的处理也只是略有进展，光在光纤中总会有所损耗。惟一值得雀跃的是，利用改良化学气相沉积法在石英管中做出了纤心。那时，高锟也开始转战美国罗安那克（Roanoke），开展新的研究。
在上世纪六七十年代的英美，华人仍然处处遭受歧视与排斥，高锟在华盛顿移民局办理材料时，房间里没有足够的椅子，一些同胞只能蹲在地上填表，还有人在抽烟，充满烟味、乱糟糟的狭小空间十足像轮船的三等舱。
太太黄美芸出生于英国本土，却往往在她操着纯正伦敦口音与对方理论时，才会赢得对方带着诧异的尊重；女儿想加入学校的木工班，也曾一度被无理拒绝……
所幸这两个一老一新的国家均以制度保证了高端人才不因肤色而被埋没，更别说遭受打击迫害。在ITT的头十年，高锟从普通员工晋升到了研究经理。
ITT对高锟的前沿研究曾出现短暂动摇，其时，电光学产品部日渐成为国防太空集团的生财工具，总部定下持续营业增长率须达10%以上。赢利成为惟一目标，这让高锟一度感到困惑。
1983年，ITT高层的一个电话成为高锟的第三个转折点，他被公司任命为首席科学行政总裁。时任副总裁弗拉申博士对高锟的要求是，“做任何你认为对ITT有重要意义的事”。
那年，ITT还给这位履新首席科学家制作了一张公关宣传海报，海报的背景是一片树林，高锟坐靠在一棵树下悠闲地看书，海报下方有一行字，“我们给他资金和时间，让他缔造更好的未来”。
如今，ITT一定在为自己当年为未来支付的巨额资金感到物超所值，高投入高回报、高风险高利润，这一规律在顶尖科技界中同样适用。迄今为止，ITT所属的标准通讯实验室的竞争对手贝尔实验室，已经走出13名诺奖得主。
其时，高锟的年薪在ITT已经达到非美裔人员所能达到的最高上限。具体数目我们不得而知，只知道二十多年前的ITT，给一名普通工程师提供的年薪就有20万美元。
变得“很有很有钱”的高锟没让自己变得很时髦，他只是喜欢到郊区、湖边等幽静处买块地，和夫人亲自设计房子，再找工人盖，他喜欢自己动手做木工，房子前坑坑洼洼的木搭露台，就是他刨的。如今，在他们的硅谷家中，还摆着一张做木工活的桌子。
他有越来越多的机会在全球飞行，筛选各国最优秀的科研合作伙伴，与某个国家的国王或政要会见，他坐头等舱的机会不多，因为大多时候，ITT会派专机以最快的速度载他飞往要去的城市。
这位不必承诺任何具体目标的首席科学行政总裁，彼时却比任何时候都忙碌。黄美芸回忆说，“有时给他秘书打电话，让他下班路上从超市带点东西回家，秘书回答，‘高太太，您不知道高博士今早去了纽约吗？’”
迟到的荣誉
1987年，高锟出任香港中文大学第三任校长，持英、美双重国籍的他每年有一段回家的长假，这些“探亲”时间，高锟充分用于与贝尔实验室合作交流，此外就是到全球各国领奖。
10月7日香港中文大学庆祝会上，香港中文大学第五任校长金耀基教授半开玩笑地说，那段时间，他常常不得不代高博士做校长，因为他忙着到处去领奖。
在获诺奖之前，高锟陆续获得过15项国际大奖，其中包括颁奖规格与诺奖齐平的瑞典爱立信国际奖及目标做第二个诺奖的日本奖。如今，高锟将绝大多数奖章捐给了香港中文大学。
老两口在硅谷家中仍然留着一些，可都摆在让人倒吸一口气的位置上。1996年中国科学院紫金山天文台将一颗新发现的小行星命名为“高锟星”的纪念证书，贴在车库墙上，证书正下方，是供人换鞋进出的小凳子；书柜上一只满满盛着贝壳的水晶碗，是高锟获得的第一个奖，1976年美国莫里奖，这已升了级，以前可是用来盛火柴盒的。“那怎么办？我们没地方放了呀。”黄美芸笑说。“我不认为拿到诺贝尔奖才标志着高锟达到了事业顶峰。”1997年，上海交通大学前应用物理系主任陈益新教授收到诺贝尔评审委员会的邮件，邀请他推荐1998年物理学奖候选人，空格有三个，陈只填了高锟的名字，“他发明的光纤，是一项世界性、革命性的贡献”，“诺奖评委会每年都会邀请全球各领域的专家推荐候选人，这本身就有很大的偶然性，高博士今年才获奖，太迟了”。
在香港，高锟4年前出的自传存货在几日内被抢购一空，香港三联书店不得不紧急加印3000册。这让总编辑陈翠玲很感慨，2005年出版这本书时，三联印了3000册，高锟获诺奖前的4年间，卖出不到1000册。
不过，无论是新晋诺奖得主，还是一夜成名的畅销书作者，这两个新身份对现在的高锟来说全都没有意义了。从老人健康中心回到家，高锟顺从地听着太太的指挥，换鞋、喝牛奶、吃蛋糕、加多件马夹。他的眼睛总不愿离开黄美芸，他喜欢冲着她笑，她是他自传中第一章“邂逅”的主人公，也是他眼下惟一叫得出名字的人。
【南方周末】本文网址：http://www.infzm.com/content/35878【诺贝尔2009】驾驭光的努力
作者: 南方周末记者 黄永明
2009-10-14 17:10:32
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诺贝尔物理学奖 高锟 光驱 CCD 博伊尔  评论2条 打印 | 字体:大 中 小 ◆透视2009诺贝尔物理学奖
10月6日，一年一度的诺贝尔物理学奖又一次揭晓，而恰恰是有赖于获奖者改变世界的贡献，消息在瞬间传遍世界。
瑞典皇家科学院宣布，2009年的诺贝尔物理奖授予英国华裔科学家高锟（Charles K. Kao）以及美国科学家威拉德·博伊尔（Willard S. Boyle）和乔治·史密斯（George E. Smith）。高锟因“在光学通信领域光在光纤中传输方面所取得的开创性成就”而获得一半的奖金，博伊尔和史密斯因“发明了一种成像半导体电路——CCD传感器”而分享另一半奖金。
通讯的革命
高锟1933年生于上海，1940年代迁往香港，于1954年赴英国伦敦大学攻读电机工程，1965年获得博士学位。
1930年代，医学上已经开始使用简单的光纤去窥视病人的胃或在做牙科手术时照亮牙齿。这些技术随后的几十年里在医学领域中有所改进，但用光纤进行远距离的通信却仍然是另一个问题。而且，当时的世界上，人们热衷于研究发展电子学和无线电技术，几乎没有人对用光纤传输信息感兴趣。
然后出现了激光，它使得光纤通信出现了曙光。所有的信息都可以被编码为以极快速度闪动的光，也就代表了数字0和1。光纤由玻璃制成，它本身的折射率高于周围的空气，因而在角度合适的情况下，光能够在光纤内部折射前进。
但是这个时候，人们仍然不知道光纤通信能够走多远，因为仅仅过了20米，信号就只剩下一开始的百分之一了。如何减少光在传输过程中的衰减，成为一个巨大的挑战。高锟从这里进入光纤通信研究，致力于解决这个问题。
那时，高锟是英国标准电信实验室（STL）一名研究光通信的年轻工程师，他一开始在别人的领导下工作，后来成了一个小组的头。这个小组一开始其实只有两个人，除了他，还有乔治·霍克汉姆（George A. Hockham），也是一名年轻人。
当时，他和霍克汉姆的目标是，让光在光纤中传输1千米后至少还剩下百分之一。他们俩着手研究了光纤在光通信中的基本性质。他们不是像其他研究者那样只将注意力集中在波导管上，而是同时研究了材料的性质。他们发现了一个最重要的问题：造成信号衰减的最大因素是吸收和散射。高锟和霍克汉姆在1966年发表了《光频率介质纤维表面波导》的论文，报告了他们的研究结果。这篇论文成为了他获得“光纤之父”称谓的标志性文章。
他们认为，制造光纤的玻璃需要提纯，才能降低衰减率。高锟具体指出了光纤生产工艺上应该实现的技术，在当时来说，这实现起来有相当大的困难。高锟后来在回忆这段历史的时候说，当时人人都觉得他是痴人说梦。
四年之后，美国一家有一百多年玻璃制造历史的工厂首先制造出了1千米长的光纤。到了1988年，6000公里长的光缆被铺设在了美国和欧洲之间的大西洋海底。现在，全世界的光纤总长度已经超过了10亿公里，足以绕地球25000圈，并仍在以每小时数千公里的速度增长。这些光纤织成的网构成了互联网。
与高锟当年想要达到的传输1千米后剩下百分之一的光相比，今天的光纤在传输1千米后95%的光都还在。威拉德·博伊尔和乔治·史密斯1969年在美国贝尔实验室发明了CCD1960年代高锟在英国标准电信实验室
照相的革命
与高锟分享诺贝尔奖的美国科学家博伊尔1924年出生于加拿大阿默斯特，高中以前都是在母亲的指导下自学，加入过海军，他的获奖发明是在1950年代进入美国贝尔实验室后作出的。他的合作者史密斯1930年出生于美国纽约，1950年代在芝加哥大学获得博士学位后进入贝尔实验室。
最开始，他们是在上司的鼓励下参与一项竞赛，想要开发出一种新的磁泡存储器。结果他们真的研制出了一种存储器，这种存储器叫作“电荷耦合器件”，简称CCD。但CCD并没有作为一种存储设备被人们熟知，而是成为了一种感光器件，存在于今天各式各样的数码相机中。
CCD的理论基础其实是爱因斯坦提出的光电效应，他在1921年曾因此获得诺贝尔奖。CCD是一种半导体器件，它将光线转换成电信号，电信号接着又被转换为数码0和1。这些信号又可以被还原为图像，每一个影像点叫作一个像素。
博伊尔和史密斯1969年发明出CCD，一年后就首次在他们的摄像机上进行了应用。1972年，美国飞兆公司生产出了100×100像素的传感器。1975年，博伊尔和史密斯自己制造的数码摄像机的画质已经可以达到电视广播的水平了。
1995年，世界上首部数码照相机出现了，相机厂商们纷纷跟进。今天的市场上，消费型数码相机已经琳琅满目，越来越廉价和轻便，取代了1839年由路易斯·达盖尔发明的胶片相机。
诺贝尔奖评选委员会说：“数码影像传感器在科学领域已经在海底和太空中都得到了广泛的应用。它可以捕捉到遥远天体和极小物体的影像。如此一来，技术突破与科学突破便相互缠绕在一起。”
CCD在天文学领域的应用是革命性的。对于天体发出的光芒，每一百个光子，传统的胶片和人眼只能捕捉到1个，而CCD能够捕捉到90个。天文学家也无需再辛苦地守在望远镜旁等待胶片曝光，第二天再人工对比一张张的胶片找出星空的变化，他们现在只需要在电脑上轻点鼠标便能做到这些。数字化技术使得天文学家处理照片的效率大大提高。
1980年代设计哈勃太空望远镜的时候，256万像素的传感器在当时是一件叹为观止的事情。今天，美国的开普勒号望远镜正在用9500万像素的CCD寻找与地球类似的行星。
与CCD同期被发明出的还有一种叫做CMOS（互补金属氧化物半导体）的感光器件，它现在被认为是CCD的竞争对手。它用电更省，价格更低，被应用于许多手机的摄像头中。有人认为未来是属于CMOS的，而另一些人则认为CMOS和CCD都将继续发展并共存相当长的一段时间。
【南方周末】本文网址：http://www.infzm.com/content/35853发现磁单极子：这一回是真的吗？
作者: 南方周末记者 黄永明
2009-09-16 17:27:24
 来源:南方周末
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一代宗师，魂归量子世界
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磁单极子 物理学  评论0条 打印 | 字体:大 中 小 德国和法国的两个科学家小组在9月4日出版的《科学》杂志上报告他们在一种特殊的晶体中观察到了 “磁单极子”的存在。互联网上传言这是可以改写教科书的发现
9月初，许多理工科学生注意到一条新闻：“科学家首次在实物中发现磁单极子。”“学电子专业的朋友们，你们可以回家了！”有人以此为噱头在网上发了一个帖子。假如真的发现磁单极子，那么英国物理学家麦克斯韦在19世纪建立的描述磁场与电场的基本方程就要面临重大修改，电子专业的课本也要重写了。
“发现磁单极子”的两篇论文发表在9月4日出版的美国《科学》杂志上，然而，当物理学专业人士在论文摘要中看到“凝聚态物理”这个短语时，就立即预感到，这不是真正地发现磁单极子。
在两篇论文中，德国亥姆霍兹材料与能源中心的乔纳森·莫里斯（Jonathan Morris）领导的团队和法国 Laue-Langevin研究所汤姆·芬内尔（Tom Fennell）领导的团队分别报告在自旋冰晶体中观察到了类似磁单极子的“准粒子”。
之前的一些研究中已经有迹象显示这种准粒子可能存在，此次两个团队的发现首次确凿地证实了这一点。但他们的“磁单极子”与物理学中著名的由狄拉克预言的磁单极子仍有天壤之别。
磁单极子的魅影
一条磁铁总是同时拥有南极和北极，即便你将它摔成两半，新形成的两块磁铁又会立刻分别出现南极和北极。这种现象一直持续到亚原子水平。看上去，南极和北极似乎永远不分家。是这样吗？很多物理学家对这一点相当怀疑。
英国物理学家狄拉克是首先预言存在磁单极子的物理学家。他在创立著名的狄拉克方程后，于1930年首先预言了正电子的存在，两年之后正电子就被C.D.安德森在实验中发现。基于他的方程，狄拉克还预言了另外两种基本粒子——只有南极或只有北极的磁单极子。
这是两种虚无缥缈的粒子，因为它们完全来自于纸上计算，而正电子在被预言之前至少人们已经知道了电子的存在。但是，既然电荷能够被分为独立的正负，那么磁似乎也应该能被独立出南极和北极。对于物理学家来说，这才是“对称”的。
后来，在1980年代，物理学家在试图将弱电相互作用和强相互作用统一在一起，以便最终能完成所谓“大统一理论”时，某些理论也预言了磁单极子的存在。
物理学家们在研究磁单极子的过程中发生过许多出人意表的故事。德国亥姆霍兹材料与能源中心的乔纳森·莫里斯（中）科学家用中子散射观测到了“狄拉克弦”的存在
1970年代，美国物理学家阿兰·古斯（Alan Guth）在康奈尔大学做博士后期间，与合作者研究宇宙早期磁单极子的产生。这个研究没有让他在磁单极子方面做出突破，却让他对宇宙学做出了一个重要贡献。
1979年12月7日，已经到了斯坦福线性加速器中心工作的古斯在他的草稿纸上写下了“惊人的领悟”。前一天晚上的计算让他相信，从当时的粒子物理和宇宙学假设推导出去，早期宇宙中会产生过量的磁单极子。解决这个矛盾的办法是，宇宙早期经历了“暴涨”阶段。古斯成为暴涨理论的创始人。
其实，物理学家在现实中“探测”到过磁单极子，只不过仅有一次。那同样是在1970年代，美国斯坦福大学的物理学家布拉斯·卡布雷拉（Blas Cabrera）用电线建造了一个仪器，来探测宇宙射线中的磁单极子。假如有磁单极子从仪器中通过，仪器就会得到一个8磁子（磁子是一个常数）的信号。他确实得到了一些信号，但都是一两磁子而已，从来没有超过3磁子。
1982年的情人节，卡布雷拉没有到实验室工作。而当他再次回到办公室的时候，惊讶地发现仪器恰恰在情人节这天记录到了一个8磁子的信号。此后，卡布雷拉建造了更为大型的探测器，想要寻找更多这样的信号，却再也没有找到。著名物理学家史蒂芬·温伯格在1983年的情人节还专门写了一首诗送给卡布雷拉：“玫瑰是红色的，紫罗兰是蓝色的，是时候找到单极子了，第二个！”
可是直到今天，并没有人再次找到过磁单极子，卡布雷拉当年的发现也因此令人生疑。物理学家们尝试过在月面物质样本中寻找，也尝试过在粒子加速器的碰撞实验中寻找，但都一无所获。
自旋冰里的发现
去年1月，美国普林斯顿大学的物理学家希瓦吉·颂提（Shivaji Sondhi）等人在英国《自然》杂志上发表文章指出，“自旋冰”里可能包含磁单极子。自旋冰是一种奇特的物质，它的组成物磁性离子的排列方式与水冰中氢离子的排列方式相近，因而得名。
自旋冰的结构是一个一个四面体顶点相接，每个顶点上有一个磁性离子。在接近绝对零度的时候，这些磁性离子的排列遵循“冰法则”：在每个四面体里，必定有两个离子将北极指向内部，另外两个指向外部。
如果四面体里的某个磁性离子因为某种原因发生了转向，那么情况可能就变成，这个四面体里有三个离子指向内部，与它相邻的四面体里则只有一个离子指向内部。这样一来，这两个失去平衡的四面体就像是磁铁的南极和北极了。接下来，如果邻近的四面体中的离子也发生转向，那么这种不平衡性就会传递下去，这样的话，就相当于南极和北极只由一条离子构成的弦连接，弦中的离子一个指着一个。这样就形成了类似磁单极子的人造物。
芬内尔等人为了观察这种磁单极子，利用中子去测量自旋冰晶体内离子的散射模式。结果发现，散射的变化与假设磁单极子存在的计算机模型预测的一致。
莫里斯和同事则用磁场将自旋冰里的弦进行扩展，然后用中子散射来证明这些弦真的存在，进而证明弦的两端分别有北极和南极。狄拉克曾经预言过“狄拉克弦”，那是一条假想的连接两个磁单极子的一维曲线。莫里斯等人的确探测到了弦的存在，但狄拉克弦理论上是无法观测到的，所以二者仍有区别。莫里斯等人获得的磁单极子也非真正的粒子。
“学习如何移动磁单极子将带来技术上的进步，比如电路的磁模拟和原子尺度下的磁记录。”去年颂提等人提出自旋冰中包含磁单极子可能性时，美国约翰-霍普金斯大学的Oleg Tchernyshyov曾在《自然》杂志上这样评论。
“这是一场漂亮的观测。”法国物理学家皮特·霍兹沃斯（Peter Holdsworth）评价《科学》发表的最新文章。而颂提则说，我希望看到实验中观察到单一的单极子，未来某一天某个人可能会做到的。
对于科学家来说，莫里斯和芬内尔所做出的工作，技术意义大于科学意义。狄拉克所预言的磁单极子仍然杳无踪影。对于这次的实验，“我可能会反对研究人员说‘真正的磁单极子’，因为当你说真正的，那对我来说就意味着点粒子，但这个不是。它在某个尺度上看着像单极子，但从根本上说它并不真的是单极子。”美国俄克拉荷马大学的物理学家金保·弥尔顿（Kimball Milton）在《科学美国人》的报道中说。
在高能物理中，有一批粒子都只是在理论上存在，而从未被观测到的，比如任意子（anyon）和轴子（axion）。它们中最著名的可能要数希格斯玻色子。
几十年来，在大量搜寻未果的情况下，物理学家的注意力开始转向在凝聚态系统中寻找磁单极子的类似物。除了《科学》杂志发表的两篇论文外，一组日本的物理学家在今年5月召开的国际中子散射大会上也曾报告在自旋冰中观测到了磁单极子类似物存在的证据。科学家什么时候能找到真正的磁单极子，乃至真正的磁单极子是否存在，仍然都是问号。
【南方周末】本文网址：http://www.infzm.com/content/34736大型强子对撞机的事实和神话
作者: 李 淼（中科院理论物理所）
2008-09-17 17:42:59
 来源:南方周末
 
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LHC 物理学 上帝粒子  评论2条 打印 | 字体:大 中 小 
 
位于日内瓦的欧洲核子中心一直是高能物理（或粒子物理）的实验中心之一，有时在某种意义上甚至是惟一的。着手建造于1997年的大型强子对撞机（LHC）终于在本月10日当地时间上午9点半注入第一束粒子，标志着以LHC为中心的新的粒子物理纪元的开始。在此之前，美国费米国立加速器实验室在1995年发现了顶夸克，一种最重的夸克。从1995年到现在，粒子物理的最前沿几乎没有什么重大发现（中微子的质量实验是例外），悲观的人认为粒子物理已经成为黄昏科学，前景黯淡。费米实验室发现顶夸克的前一年，欧洲核子中心决定建造LHC，粒子物理领域工作的科学家们对此产生了极大的期待。为什么我们这么重视这项复杂的实验呢？一个原因是，目前物质结构的最完美的理论，叫做标准粒子模型，还剩下最后一个粒子没有被发现。这个粒子学术上叫做希格斯粒子，在西方有时被称为上帝粒子，原因是很多基本粒子的质量来源于这个粒子。例如，如果没有这种粒子，我们就无法解释电子的质量是哪里来的。粒子物理学家们根据理论推测，上帝粒子应该出现在LHC上的质子（就是氢元素的原子核）和质子对撞瞬间的过程中。上帝粒子是不稳定的，也就是说，它们不会像电子和质子那样一直存在下去。发现希格斯粒子本身也许并不重要，因为理论家口袋里的标准模型已经有了这个粒子，但随之而来的物理细节很重要，这些细节可能会揭示我们迄今还没有弄清楚的问题，例如真空的结构，例如所谓高度对称的破缺到底是怎么发生的。这里提到的高度对称是物理学家们用来解释为什么电磁力和弱作用力其实是一种力。另外，有理由相信，LHC有一定机会发现那些充斥宇宙间的暗物质粒子。除了标准模型，物理学家们还为未来的实验准备了很多五花八门的设想。例如有一种设想认为，世界比我们想象的还要对称，自然界中每一个基本粒子都有一个隐形的伙伴，叫做超对称伙伴。例如，电子应该有一个叫做超电子的伙伴，这些伙伴的某些性质和原来的粒子一样，有些性质完全不一样。例如超电子应该带有和电子一样大的电荷，但自己不像电子那样不停地自转，它的质量也远远大于电子——这是我们到现在还没有看到它们的原因。超对称理论还不是最神奇的理论，更加神奇的理论包括大额外维：在三度空间之外还存在更多的空间维，还有超弦理论：粒子不是粒子，其实是一根振动的弦。如果我们足够运气，LHC也许会发现额外维，甚至很多振动的弦。虽然物理学家们不乏想象力，但大自然的想象力超出任何物理学家，也许，LHC会给我们带来完全意料不到的东西。
 
欧洲大型强子对撞机产生第一批图片。被加速的第一批质子以近光速的速度撞进一个被称为瞄准仪的吸纳装置，产生了粒子碎片雨这项耗资数十亿欧元的人类历史上最大的实验几经周折终于启动，启动之前引发了媒体报道热潮和所谓民科们的强烈反对。反对的原因之一是LHC会产生微型黑洞，黑洞一旦产生会吸积附近的物质，越长越大，最终吞噬地球。各种莫名其妙的担心都有，有人认为世界末日在LHC启动的时候立刻来临，还有人经过“计算”告诉我们黑洞会在四年之内蚕食尽地球。在普通的电话骚扰甚至死亡威胁之外，灾难说支持者们甚至将欧洲核子中心告上法庭。10日进行的预热并没有带来任何灾难，原因是只有一束粒子束，还没有用来碰撞的运行方向相反的粒子束。那么，一旦LHC以预计的方式全力进行实验，灾难会降临吗？当然不会。一来，只有在大额外维理论中黑洞才会产生。二来，即使黑洞真的产生了，它们也不会做什么坏事，否则，在过去的数十亿年的地球史上，不断轰击地球的高能宇宙射线早就产生黑洞从而毁灭地球了。同样，天文学家观测到的很多天体上也进行着高能碰撞，那些天体并没有发生黑洞带来的异常。另一些人认为高能碰撞可能会改变真空，触发某种不稳定从而导致灾难。我们经常会说LHC上的质子的动能大约是一只蚊子飞行的动能，两个质子相撞就像两只蚊子相撞。两只蚊子相撞带来的后果在蚊子看来是灾难性的：死亡，对人类却没有什么影响。当然，两个质子相撞发生的空间尺度要小得多，所以有人担心产生的奇异物质或不稳定真空可能是灾难性的。LHC上有一台叫ALICE的探测器会产生类似的物质形态，但产生的规模远远不及宇宙大爆炸。何况，ALICE的前身美国布鲁克海文实验室早就做了8年的类似实验，什么灾难也没有发生。
 
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