德國一家科研機(jī)構(gòu)打造的“完美硅球”，表面瑕疵不超過0.3納米，科學(xué)家正嘗試重新定義“千克”。

　　圖為包含脈沖星的密近雙星系統(tǒng)的藝術(shù)概念圖，圖中的線條表示空間的彎曲程度。

　　這些研究者通常默默無聞，卻愿意用數(shù)年甚至數(shù)十年時(shí)間來操作精密儀器，使之順利運(yùn)轉(zhuǎn)；在實(shí)驗(yàn)過程中，他們要控制每一處細(xì)節(jié)，對于可能擾亂探測信號的背景噪聲，與之進(jìn)行鍥而不舍的斗爭。他們很享受這種充滿不確定因素與挑戰(zhàn)的過程，因?yàn)樗麄冇X得這就像登山：“過程越艱難，登頂?shù)母杏X就越美妙?！?/p>

　　近日，位于日內(nèi)瓦的大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)和它搜尋“上帝粒子”的任務(wù)，無疑是科學(xué)界最受關(guān)注的焦點(diǎn)之一。

　　其實(shí)，還有一些科學(xué)家也在致力于同樣充滿挑戰(zhàn)的實(shí)驗(yàn)，與LHC項(xiàng)目一樣，這些實(shí)驗(yàn)可能會(huì)改變未來的面貌。在這里，讓我們認(rèn)識5項(xiàng)這類實(shí)驗(yàn)，一起期待科技帶來的改變和驚喜。

　　探測地外生命：追蹤百萬分之一的信號

　　1999年，當(dāng)時(shí)還是哈佛大學(xué)研究生的戴維·夏邦諾(David Charbonneau)對另一個(gè)行星系中，因行星掠過母恒星表面時(shí)，恒星亮度發(fā)生的微弱變化進(jìn)行了測量，這是人類首次探測到此類現(xiàn)象。時(shí)至今日，追蹤這種“凌日”現(xiàn)象，已成為天文學(xué)家尋找地外行星的常用方法，而新的挑戰(zhàn)在于，弄清這些行星及其大氣的組成成分。比如，如果發(fā)現(xiàn)某顆行星的大氣中含有氧，就可能成為有生命存在的間接證據(jù)。但探測這些元素的唯一方法就是，利用恒星星光穿過行星大氣形成的光譜，這可是極為微弱的信號。

　　夏邦諾認(rèn)為，最大的困難在于，“行星僅能遮擋恒星很小一部分”，一顆木星大小的行星掠過太陽大小的恒星時(shí)，能遮擋恒星約1%的光芒，而一顆更小的、如地球大小的行星只能遮擋掉0.01%的光芒。

　　“接下來，你要找到這顆行星洋蔥般的‘外皮’，也就是它的大氣層”，夏邦諾說，只有穿過這層“外皮”的星光光譜，才包含有天文學(xué)家想要的信息——這樣一來，如果地球大小的行星掠過太陽大小的恒星，可為科學(xué)家利用的恒星星光不足百萬分之一。

　　盡管在今天，還沒有任何一臺望遠(yuǎn)鏡的分辨能力，能從恒星星光中追蹤到那百萬分之一的可用信號，但事情尚有轉(zhuǎn)機(jī)。從2005年至今，哈勃、斯皮策望遠(yuǎn)鏡等空間天文臺已經(jīng)捕捉到約40個(gè)氣態(tài)巨行星的大氣光譜?！皩鈶B(tài)巨行星大氣的探測雖不能說是習(xí)以為常，但也不再飽受爭議。現(xiàn)在的問題是，如何探測地球大小的行星的大氣，目前還沒人能做到這一點(diǎn)”。

　　對于地球這樣繞著太陽樣恒星旋轉(zhuǎn)的行星，如果要確定它的大氣成分，為地外生命的存在提供最佳證據(jù)，就得升級觀測設(shè)備，提高靈敏度。夏邦諾對“哈勃繼任者”韋伯太空望遠(yuǎn)鏡充滿憧憬：“到時(shí)候會(huì)是見證奇跡的時(shí)刻，它將給地外生命的搜尋添上最濃墨重彩的一筆?！?/p>

　　看穿分子魔鏡：制造純粹的左手或右手分子

　　生物學(xué)中，存在著一種奇特的不對稱性。很多分子具有“手性”(chiral)，即分子中的原子存在兩種互為鏡像的排列方式。當(dāng)化學(xué)家合成此類分子時(shí)，往往得到的是包含兩種手性的混合物，為簡單起見，分別稱它們“左手分子”和“右手分子”。奇怪的是，生物細(xì)胞通常只由“左手分子”構(gòu)成，但沒人知道其中緣故。

　　有一種解釋認(rèn)為，這是自然界中4種基本力中的弱力(weak force)決定的。粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言了4種基本力，其中弱力是核子和電子間相互作用的傳遞者，它對左手和右手分子有著不同的作用，而包括引力在內(nèi)的其他3種基本力，對兩種手征分子的作用都是相同的。

　　法國巴黎第13大學(xué)的貝努瓦·達(dá)爾基耶說，測量兩種手征分子間的微小差異，將有助于解釋，為何生物偏好左手結(jié)構(gòu)，而他的研究小組也正在為此努力。

　　據(jù)達(dá)爾基耶所知，他和同事是目前全球唯一進(jìn)行此項(xiàng)嘗試的團(tuán)隊(duì)。他們現(xiàn)在需要攻克兩個(gè)難題：首先是建造極高分辨率的光譜儀，用于測量手性分子的能態(tài)。目前，達(dá)爾基耶小組擁有的最好設(shè)備能探察5/1014的能量差別，比普通光譜儀的分辨能力大概要好100萬倍，眼下他們正在建造一臺精度更高的儀器——要達(dá)到如此高的精度，必須隔絕所有外部振動(dòng)，保證溫度波動(dòng)不超過0.1℃。不僅如此，為了在所需精度上測量分子振動(dòng)的頻率，達(dá)爾基耶的實(shí)驗(yàn)室還使用了一臺分子鐘，并通過光纖與巴黎的世界時(shí)標(biāo)準(zhǔn)原子鐘保持同步。

　　他們面臨的第二個(gè)挑戰(zhàn)是，合成出一種手征結(jié)構(gòu)不對稱現(xiàn)象足夠明顯的測試分子。這種分子需要有一個(gè)較大的中心原子，因?yàn)樵永碚摳嬖V我們，如果中心原子較大，能將手征結(jié)構(gòu)造成的能量差異最大化。同時(shí)，這種分子被加熱到氣態(tài)用于拍攝光譜時(shí)，還不容易斷裂。盡管達(dá)爾基耶在努力嘗試，制造出純粹的左手或右手分子，但他們認(rèn)為，最佳的選擇可能是以甲基三氧化錸為原型，然后用一個(gè)硫原子和一個(gè)硒原子置換該分子中的兩個(gè)氧原子。即便最后找到了完美的測試分子，他們還需要一年時(shí)間來積累足夠數(shù)據(jù)，以便獲得可信的結(jié)果。

　　尋找額外維度：排除干擾向微觀尺度進(jìn)發(fā)

　　對于現(xiàn)實(shí)世界，我們有一個(gè)非?；镜恼J(rèn)識，幾乎沒人對此有所懷疑，那就是我們的世界恰好有三個(gè)空間維度：左右、前后，還有上下。但超弦理論及其他一些構(gòu)造“萬物理論”的嘗試，已經(jīng)讓很多物理學(xué)家相信，空間的維度遠(yuǎn)不止于此。他們認(rèn)為，這些額外的維度是高度卷曲的，

　　所以我們根本感覺不到，但它們會(huì)在很小的尺度上影響引力，使得兩個(gè)物理間的作用力，稍稍偏離牛頓引力理論的經(jīng)典結(jié)果。因此，如果能在實(shí)驗(yàn)中探測到微小尺度上的引力變化，也許就能證實(shí)這些額外維度的存在。

　　美國華盛頓大學(xué)實(shí)驗(yàn)核子物理與天體物理中心的埃里克·阿德爾貝格(Eric Adelberger)的“武器”是扭秤，其實(shí)就是18世紀(jì)90年代末，英國物理學(xué)家亨利·卡文迪許(Henry Cavendish)首次測量萬有引力常數(shù)所用裝置的“升級版”。在這個(gè)“現(xiàn)代版”的扭秤中，一根金屬桿用絲線懸掛起來，可以自由扭動(dòng)，金屬桿的底端安放著一個(gè)探測圓盤，圓盤上鉆有一系列小孔。在探測圓盤下方幾微米處，還有一個(gè)鉆有類似小孔的圓盤——這是吸引盤。當(dāng)吸引盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，小孔之間的盤體會(huì)對探測盤的盤體施加一個(gè)微弱引力，使探測盤和金屬桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而扭轉(zhuǎn)懸絲，使之轉(zhuǎn)動(dòng)大約十億分之一度的微小角度。

　　為了確保探測盤不受地球和吸引盤引力之外其他作用力的影響，整個(gè)裝置的所有部件都必須用非磁性物質(zhì)制成，而且所有部件的表面都要鍍上一層金，好讓儀器所帶電荷均勻分布。除此之外，整個(gè)裝置的制作務(wù)求完美，要完全隔絕外部振動(dòng)，包括停車場的車輛引起的振動(dòng)?！拔覀冏詈玫臄?shù)據(jù)是在周末午夜到凌晨4點(diǎn)之間取得的，”阿德爾貝格感嘆說，“這一點(diǎn)很討厭，因?yàn)槟闶斋@最佳數(shù)據(jù)的時(shí)間很有限，弄得我們現(xiàn)在都成夜貓子了?！?/p>

　　精益求精的設(shè)計(jì)讓研究人員可以排除其他影響因素，如果這樣仍能觀察到探測盤的扭轉(zhuǎn)，他們知道肯定有好戲上演。到目前為止，阿德爾貝格的研究小組可以斷定，在44微米及以上尺度肯定沒有額外維度存在。他的兩個(gè)研究生，以及全球其他10多個(gè)小組，都正在想方設(shè)法繼續(xù)向微觀尺度進(jìn)發(fā)。不過，究竟要多久才能有所發(fā)現(xiàn)，取決于這些額外維度的大小。阿德爾貝格認(rèn)為，如果額外維度卷曲得太厲害，“那答案可能是永遠(yuǎn)也發(fā)現(xiàn)不了。如果在30微米上有可見的卷曲，那只需一年就能發(fā)現(xiàn)”。

　　捕捉引力波：十年才能初見端倪

　　斯科特·雷森(Scott Ransom)是美國國家射電天文臺的天文學(xué)家，在談到星系中最精準(zhǔn)的天然鐘表脈沖星(pulstar)時(shí)，他嘴里蹦出了一連串的“太棒了”、“酷斃了”這樣的詞來，并認(rèn)為脈沖星能讓他和其他科學(xué)家驗(yàn)證愛因斯坦廣義相對論中一個(gè)最基本的預(yù)言——引力波?！八鼘槲覀兇蜷_一扇觀測宇宙的全新窗口，”他嚷嚷著，“除了‘光之眼’，我們還有‘質(zhì)量之眼’?！?/p>

　　雷森解釋說，按照愛因斯坦廣義相對論，引力波是由質(zhì)量運(yùn)動(dòng)引起的時(shí)空結(jié)構(gòu)的漣漪，比如說一對互相繞轉(zhuǎn)的中子星(neutron star)就能產(chǎn)生引力波。雷森說，這就像抖動(dòng)一個(gè)電子，會(huì)讓電子周圍的電場和磁場以光及其他形式的輻射向周圍傳播一樣，“當(dāng)你抖動(dòng)某個(gè)有質(zhì)量的物體，你就制造出了引力波”。

　　不過令人沮喪的是，就算一系列非常強(qiáng)的引力波掃過地球，也只會(huì)讓地球直徑收縮或擴(kuò)張不到10納米，因此那些建在地面上的引力波探測設(shè)備，永遠(yuǎn)無法擺脫背景噪聲的干擾，路過的卡車、雷暴甚至千里之外的海灘上起伏的海浪，都會(huì)淹沒引力波信號。

　　因此，雷森和他的狂熱追隨者決定獨(dú)辟蹊徑，采取一種成本更低的方式來探測引力波：觀測脈沖星。脈沖星是密度極大的天體，有些脈沖星每秒能自轉(zhuǎn)數(shù)千次，每次轉(zhuǎn)動(dòng)都向外輻射出一道脈沖閃光——天文學(xué)家對脈沖發(fā)出時(shí)間的測量能精確到100納秒之內(nèi)。由于甚低頻(very-low-frequency)引力波會(huì)擾動(dòng)脈沖星和地球之間的時(shí)空，導(dǎo)致脈沖時(shí)間發(fā)生偏移，因此雷森小組打算，監(jiān)測分布在全天的20個(gè)脈沖星，看能否探測到這種時(shí)間偏移。他們希望，通過這種方式，能探測到宇宙深處大質(zhì)量黑洞數(shù)年一周的轉(zhuǎn)動(dòng)、星系相互碰撞等最強(qiáng)引力波源所產(chǎn)生的引力波。

　　借助波多黎各的阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡，這項(xiàng)研究大概要持續(xù)觀測十年，才能捕捉到由轉(zhuǎn)動(dòng)黑洞發(fā)出的引力波。目前他們只對6顆脈沖星進(jìn)行了連續(xù)5年的準(zhǔn)確計(jì)時(shí)測量。不過，雷森仍舊充滿信心：“我們成功的機(jī)會(huì)與日俱增，只要耐心等待，引力波終將會(huì)出現(xiàn)?！?/p>

　　重塑千克標(biāo)準(zhǔn)：精確，精確，再精確

　　1千克，這本應(yīng)是一個(gè)不變的常數(shù)。但實(shí)際上它會(huì)變化，這是因?yàn)榕f有質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，1千克等于巴黎郊外的一間庫房中，那個(gè)有120年高齡的鉑銥合金圓柱的質(zhì)量。誰也不知道這個(gè)“千克原器”究竟是由于原子落在表面變重了，還是由于原子從表面脫落變輕了，唯一能肯定的是，它的質(zhì)量肯定在變化——證據(jù)是，它的那些重量曾完全一致的復(fù)制品，現(xiàn)在已經(jīng)有了可測量的質(zhì)量差別。

　　“我們需要弄清楚這件事”，美國標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)中心(NIST)的工程師、致力于重新定義質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)量學(xué)家瓊·普拉特(Jon Pratt)說，千克是唯一一個(gè)目前還用實(shí)物來定義的基本單位。

　　重新定義千克的基本思路是，將千克與某個(gè)精確測量的基本物理常數(shù)聯(lián)系起來，就如同今天用真空中的光速來定義米一樣：1米是光在真空中1/299792458秒內(nèi)通過的距離。這意味著，要定義千克，就必須確定普朗克常數(shù)h，它乘上光的頻率ν就得到能量，即著名的光電效應(yīng)方程E=hν；接著，再用更著名的質(zhì)能方程E=mc2，就可以得出千克質(zhì)量的定義了。

　　不過，確定普朗克常數(shù)的準(zhǔn)確數(shù)值是個(gè)精細(xì)活兒，而且目前常用的兩種測量方法得到的結(jié)果還存在差異，這讓上述方法止步不前。

　　在這兩種方法中，一種是使用瓦特秤。這種裝置其實(shí)是一架簡單的天平：一端承載著1千克質(zhì)量的物體，該物體質(zhì)量用巴黎的千克原器精心校準(zhǔn)過；另一端是一個(gè)放在磁場中的通電線圈。調(diào)整磁場，直到1千克質(zhì)量與線圈所受的電磁力精確平衡，接下來就可以通過一連串方程，把1千克質(zhì)量和普朗克常數(shù)聯(lián)系起來。

　　目前由普拉特負(fù)責(zé)的這臺瓦特秤，曾在2007年給出了普朗克常數(shù)最準(zhǔn)確的測量結(jié)果之一：6.62606891×10-34J·s，相對誤差僅為36×10-9。不過，英國國家物理實(shí)驗(yàn)室(NPL)的瓦特秤給出了與NIST稍有差異的結(jié)果。

　　另一種常用方法是，計(jì)量一塊同位素純樣品中的原子數(shù)目，由此確定阿伏伽德羅常數(shù)(12克碳12原子所含的原子數(shù)目)的數(shù)值，而這個(gè)數(shù)值可通過另一套方程換算成普朗克常數(shù)。2008年，德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究所的科學(xué)家用兩個(gè)近乎完美的1千克球體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。這兩個(gè)球體由99.995%純硅28制成，他們用高精度激光干涉儀確定球的體積，再用X射線衍射確定球體的晶體結(jié)構(gòu)，以便能在更高精度上對原子進(jìn)行計(jì)數(shù)。目前，他們換算得到的普朗克常數(shù)與NPL瓦特秤的結(jié)果相吻合，但與NIST的結(jié)果不一致。

　　2010年，普朗克常數(shù)的推薦值是6.62606957×10-34J·s，相對誤差44×10-9。有人認(rèn)為，這已經(jīng)足以用于千克的重新定義了，但也有更挑剔的人堅(jiān)持要等各種測量結(jié)果吻合得更好一些、測量誤差范圍縮小到20×10-9以下，才可以重新定義。