《自然》评出2011年最受欢迎十大新闻

 

 

据《自然》杂志网站11月17日报道，波函数是量子力学中一个重要且令人费解的核心概念，物理学家用它来确定量子粒子具备某种特性的概率，而英国科学家11月14日发表在arXiv.org网站的一篇论文则提出了一个新观点：波函数不是统计工具，而是物理真实。

 

由英国帝国理工学院的马修·皮由兹领导的三人科学小组在最新发表的论文中指出，如果波函数纯粹只是统计工具的话，那么，时间和空间中互不连贯的量子状态都将可以相互“交流”，这听起来有点不可思议，很难成立，因此波函数必定是物理真实。

 

研究人员之一、美国南加州克莱姆森大学的理论物理学家安东尼·瓦伦提尼表示：“我们的这篇论文可能具有颠覆效应，在量子力学中，它可能是继贝尔定理之后最重要的结论。”英国牛津大学的物理学家戴维·华莱士表示，这个理论是他15年的职业生涯内看到的量子力学基础领域最重要的结论。他说：“这一理论表明，人们不能将量子状态解释为一种概率。”

 

自上世纪20年代开始，科学界在如何理解波函数方面就存在很大争议。丹麦最著名的科学家、哥本哈根大学的尼尔斯·玻尔开创的“哥本哈根解释”认为，波函数是一个计算工具：当被用来计算粒子拥有不同特性的可能性时，它能给出正确的结论。

 

 

据《自然》杂志网站1月31日报道，相传维京人有“太阳石”的传说，当维京向天空举起太阳石时，即使是在阴天，太阳的位置也会显现出来。然而，现在的科学家通过检测天空中光线的性质，发现可能是维京人利用偏振光在大西洋中辨认方向。

 

维京人在公元750年至1050年间广泛活跃在北欧、英国和北大西洋之间的海域里，他们是优秀的航海家，利用夏天高纬度地区的持久日光来导航，而不是使用星星或指南针来辨方向，因为在如此高纬度的地方，指南针的作用会大打折扣。而他们是“如何做到在北半球常有雨雾覆盖的高纬度地区进行长距离航行的”，此前一直是未解之谜。

 

现在，匈牙利布达佩斯罗兰大学的光学研究者佳博·霍瓦斯和瑞典兰德大学的生物学家试图解决这种关于光线性质的争论。他们在芬兰北部用180度的鱼眼镜拍摄了一些阴天或黄昏的照片，并让测试者在照片中辨认太阳的位置，然而，多数测试者都得出了错误的结论。同时，为了证明用“太阳石”是否确实能得出更精确的结论，他们在北冰洋上测量了各种天气下光线的偏振性。结果显示，在任何天气情况下，光线的偏振性质与晴朗天气下的太阳光性质极其相似，因此，维京人利用“太阳石”辨认方向的方法是可靠的。

 

 

据《自然》杂志网站6月12日报道，美国马萨诸塞州综合医院的研究人员成功地制造出了全世界首个活的“细胞激光器”——他们利用表达了绿色荧光蛋白(GFP)的肾脏细胞制造出了一种纳秒级的激光脉冲，用单个活细胞作为增益介质产生了激光。

 

科学家们最初在水母中发现了GFP蛋白，其可在不添加其他酶的情况下被诱导发光。研究人员给一个直径约20微米宽、1英寸（2.5厘米）长的圆筒两边装上镜子作为光学共振腔，共振腔内装满GFP水溶液，再向其中放入肾脏细胞。结果发现，肾脏细胞不仅能产生激光脉冲，也能像透镜一样将光回聚并诱导激光发射。更重要的是，该激光设备中的细胞在发光过程中仍然存活，能持续产生数百次激光脉冲。尽管单个激光脉冲比较微弱，仅持续几纳秒，但却很明亮，很容易探测到。

 

研究人员认为这项成果有以下几种应用前景。首先，将其植入活的动物体内，将大大提高透视扫描的精确度，医生将也能借助这种体内激光而不是体外扫描来判断癌症病灶的情况；其次，由于不同细胞结构产生的激光在光学性质上有差异，可以通过分析最后得到的光来研究细胞和机体组织；再次，目前医学上有一种光动力疗法，可把对光敏感的药物送到要医治的机体部位，然后用光照来激发药效，最新研制出的这种“细胞激光器”也许可以增进这种疗法的效果。

 

 

据英国《自然》杂志网站2月28日报道，欧洲核子研究中心的科学家们表示，大型强子对撞机（LHC）内以高达700千兆电子伏的能量高速运作的质子加速器未能找到任何“超对称粒子”存在的证据，似乎给超对称性理论判了死刑。

 

上世纪70年代出现的超对称性理论完美解决了标准粒子模型的主要缺点，并且描述了基本粒子的行为。它还可以解释其他一些问题：人们认为暗物质构成了宇宙中83%的质量，但却从来没有发现过暗物质，而超对称性理论中预言的一些轻粒子可能就是构成暗物质的主要成分。

 

不过，近年来，科学家们对超对称性理论的担心与日俱增。尽管这个理论优雅而简洁，但它有可能是错的。现在，科学家们没有在LHC的质子加速器获得的数据中发现丝毫显示该理论所预言的“超级粒子”存在的证据。

 

“我们正在把超对称性逼入困境。”LHC超环面仪器（ATLAS）探测器实验小组的研究人员、英国剑桥大学的粒子物理学家克里斯·莱斯特说。事实上，为配合LHC的紧凑缪子线圈（CMS）实验，ATLAS在过去一整年都在寻找超级粒子。尽管在接下来的几周时间里，LHC以高能态运行时会收集到更多数据，但如果到今年年底探测器还无法找到任何“超级粒子”的话，那么超对称性理论可能会陷入巨大的麻烦中。

 

 

欧洲核子研究中心有关中微子超光速的实验结果一经公布，就引发了轩然大波，到10月5日，就有30多篇论文试图用各种稀奇古怪的模型来对这一结果进行解释，其中不乏质疑之声。

 

英国帝国理工学院的理论物理学家托比·怀斯曼解释道，为了计算中微子的“旅行时间”，需要两个时钟，一个位于欧核中心，一个位于格兰萨索国家实验室，为了使测量结果尽可能精确，这两个时钟必须保持同步（科学家们使用同一颗卫星发出的GPS信号让两个时钟同步），误差必须限制在纳秒级内。也就是说：时钟是否同步是问题的关键所在。

 

而英国帝国理工学院的物理学家卡洛·康特尔蒂则对时钟同步提出了质疑，他说，OPERA团队并没有考虑到爱因斯坦的广义相对论的一个方面：地球上两个不同位置的重力会有细微差别，这会导致这两个位置上的时钟以不同的速率来记录时间。因为两地与地球中心的距离不同，欧核中心的重力要稍大于格兰萨索国家实验室的重力，因此欧核中心的时钟要比格兰萨索国家实验室的时钟走得稍慢。他表示：“这就会减少实验的准确性。”

 

无独有偶，10月2日，法国行星科学和天体物理学研究所的基勒斯·亨瑞认为，中微子束的波动可能改变格兰萨索国家实验室探测到它们的可能性，导致结果不准确。