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這一年,新發現顛覆傳統認知
2018-12-27 15:38  科技日報

科學家追尋百年的萬有引力常數G值有了新的答案,為科技界服役130年的國際千克原器面臨退休,從航天到地球四極,2018年,新技術助力的科學新發現,不斷顛覆著人類已有的認知。

深空探測開啟新旅程

12月8日,在西昌衛星發射中心,我國用長征三號乙運載火箭成功發射嫦娥四號探測器,開啟了月球探測的新旅程。

嫦娥四號與嫦娥三號是一對“雙胞胎”。雖然與“三姐”外貌一樣,但與嫦娥三號以“測月、巡天、觀地”為科學目標不同,嫦娥四號將經歷地月轉移、近月制動、環月飛行,最終實現人類首次月球背面軟著陸,開展月球背面就位探測及巡視探測,并通過已在使命軌道運行的“鵲橋”中繼星,實現月球背面與地球之間的中繼通信。

作為我國改革開放40年來取得的重要成就之一,11月19日,隨著兩顆全球組網衛星從西昌衛星發射中心順利升空,我國成功完成北斗三號基本系統星座部署。

北斗三號工程于2009年正式啟動建設后,目前正按照最簡系統、基本系統、全球系統三步實施組網:2000年年底建成北斗一號系統,向中國提供服務;2012年年底建成北斗二號系統,向亞太地區提供服務;2020年前后建成北斗全球系統,向全球提供服務。

中國散裂中子源開始運行

歷經6年半的建設,8月,國家重大科技基礎設施中國散裂中子源項目在廣東東莞通過國家驗收,正式投入運行,其綜合性能進入國際同類裝置先進行列,并將正式對國內外各領域的用戶開放。

中國散裂中子源由中國科學院和廣東省共同建造,建設內容包括:1臺8千萬電子伏特負氫離子直線加速器、1臺16億電子伏特快循環同步加速器、1個靶站,以及一期3臺供科學實驗用的中子散射譜儀。

“中國散裂中子源就像‘超級顯微鏡’,是研究物質材料微觀結構的理想探針。我們可以利用散裂中子源來研究大型金屬部件的殘余應力,這對于提高高鐵關鍵部件和航空發動機部件的性能,以及核電站部件的服役性能十分重要?!敝袊⒘阎凶釉垂こ炭傊笓]、工程經理陳和生院士說,此外,可燃冰、磁性材料的研究,以及化學反應催化劑的原位研究等,都可以使用散裂中子源。

企鵝木乃伊“痛述”百年前慘劇

憨態可掬的企鵝是地球重要一極——南極的標志性動物。

現代生態學研究表明,在南極無冰區繁殖的阿德雷企鵝面臨諸多困難,夏季的暴雪、冰山的阻隔都可能造成企鵝幼鳥大量死亡的慘劇。

此類事件在歷史上是否存在?造成了怎樣的后果?中國科學技術大學極地環境研究室孫立廣—謝周清教授團隊今年9月公布的研究,卻將南極企鵝幼鳥的木乃伊“墓園”與兩場百年前的大規模天氣災害聯系起來,首次揭示了突變性氣候異常引發企鵝幼鳥大規模死亡的生態災難事件。

孫立廣表示,該研究提出了短時間尺度的災難性氣候事件可能影響企鵝生態變化,也為未來企鵝古生態的研究指明了一個新的方向:對比研究全球氣候變化背景下的極端氣候與生態事件。該研究也警醒,在全球氣候變暖背景下,企鵝可能面對新的生存挑戰。

國際千克原器要退休了

一千克究竟有多重?這個看似簡單的問題,科學家卻探索了百年。

11月在法國凡爾賽召開的第26屆國際計量大會,通過了修訂國際單位制(SI)的決議。

國際單位制中的4個基本單位改由自然常數來定義,質量單位千克采用普朗克常數定義,電流單位安培采用基本電荷量定義,物質的量單位摩爾采用阿佛加德羅常數定義,溫度單位開爾文采用玻爾茲曼常數定義,并于2019年國際計量日(5月20日)起正式生效。而定義質量單位的國際千克原器也將在2019年5月20日起正式退休。

盡管這些單位的大小不會發生變化——1千克還將是原來的1千克,但國際計量局局長馬丁·米爾頓表示,國際單位制的修訂是科學進步的一座里程碑。

“這是人類在基本單位體系中首次徹底擺脫了實物基準,將所有基本單位的定義推向‘量子化’的關鍵一步?!?在國際計量局物理計量所功率天平組工作的李世松博士在接受科技日報記者采訪時表示。

基本單位的量子化雖然從表面上人們不會看到太大的變化,但是它對高精尖科技的發展卻至關重要。1967年,時間單位秒用基于原子躍遷的“原子秒”取代“天文秒”,標志著國際單位體系從實物時代開始邁向量子時代。原子時誕生50年來,時間頻率的測量準確度躍升1000萬倍,成為目前測得最準的物理量。正是基于時間定義的量子化變革,實現了衛星導航定位,其精度更是達到了厘米級別,成就了數萬億美元的衛星導航定位產品與服務市場。

測出最精確萬有引力常數G值

2018年,科學家追尋百年的科學問題有了新的答案,比如萬有引力常數G值。

常數G有著重要意義。沒有G,萬有引力定律不算完美,一些與之相關的天體物理學、地球物理學、計量學等研究問題很難解決。1687年,牛頓在其著作《自然哲學的數學原理》中系統地介紹了萬有引力定律。但當年牛頓不知道G值到底是多少。

為了讓這個數值更精確,幾百年來,實驗物理學家為此付出了極大努力,但G值測量精度的提高卻異常緩慢。

究其原因,一是萬有引力非常微弱,二是任何有質量的物體都對其他物體有引力作用,并且無法屏蔽,換句話說,甚至實驗室外偶然路過的一只飛鳥,都可能在實驗數據里留下“痕跡”。

2018年8月30日,《自然》雜志刊發了我國科學家羅俊與其團隊測量引力常數G的最新結果,該團隊采用兩種不同測量方法,將G值的精度達到國際最好水平,這一結果為確定高精度引力常數推薦值作出了實質性貢獻,將有利于提升我國在基礎物理學領域的話語權,也為我國開展空間引力波探測計劃提供了更好的基礎支撐。

萬米深海探索百舸爭流

上九天攬月,下五洋捉鱉。今年深海領域同樣動作頻頻。

在南印度洋上,中國科學院深??茖W與工程研究所的4500級載人潛水器“深海勇士號”載人深潛器,12月11日完成了第100次下潛航次。

世界上海底最深的地方,深度超過萬米,人稱地球第四極。10月16日,我國第三次萬米深淵綜合科考成功完成各項任務,從馬里亞納海溝海域返回三亞。本次科考充分驗證了多個國產深海裝備的穩定性和可靠性,取得多項國內首次和國際首次的科考成果。

11月25日,“彩虹魚”2018馬里亞納海溝海試與科考團隊,乘“沈括”號科學調查船啟航,奔赴全球最深海溝——馬里亞納海溝。此次海試與科考航次是“彩虹魚挑戰萬米深淵”項目的一部分。該航次中,將在馬里亞納海溝最深處“挑戰者深淵”附近海域,開展“彩虹魚”萬米級載人潛水器超短基線系統海上試驗、2臺第二代“彩虹魚”著陸器萬米級海上試驗、1臺4500米級大深度浮標海上試驗等工作,同時完成科學樣本采集和海底拍攝任務。

載人球艙是萬米載人潛水器的核心部件。12月15日,我國深海重大專項——萬米載人潛水器載人艙球殼完成焊接。該潛水器建成后,可在覆蓋世界最大深度的海洋開展載人下潛和科考作業。

在即將過去的一年,無人潛水器“海龍”“潛龍”深海裝備成功海試并被應用,標志著我國在深海重大裝備的設計、制造方面已具備產品化開發制造能力。

清華大學提出波函數全新觀點

有那么一個世界:嶗山道士的穿墻術成為可能,你腳下的大地也不再堅實,甚至世界的客觀實在性也消失了,一切都要用概率來解釋。這就是量子力學的世界,其理論核心之一就是利用波函數來描述微觀物體的量子狀態。

波函數理論已經衍生出諸如激光、半導體和核能等高新技術,深刻變革了人類生活方式。多年來,物理學家們提出各種關于波函數的假設和詮釋,并設計出各種實驗進行驗證,卻始終沒有達成共識。其中最主流聲音認為,波函數僅是一種數學描述,用來計算微觀物體在某處出現的概率。

2018年,清華大學龍桂魯教授以第一和通訊作者身份,在《中國科學:物理學 力學 天文學(英文版)》上發表的一項研究,提出完全不同的全新觀點,認為波函數是微觀物體的真實存在,不再是簡單的數學描述, 打破了人們對波函數的傳統認識, 有利于幫助人們深刻理解量子規律, 進一步探索微觀世界。

中國“人造太陽”實現1億度

核聚變就像氫彈爆炸或太陽內部反應,溫度超高,一般容器沒法盛放。被寄予最大希望的核聚變實驗方案叫“托卡馬克”——用超強的磁場約束高溫的核燃料。

EAST又稱東方超環,是中國研制的世界第一個非圓截面全超導托卡馬克,也是我國第四代核聚變實驗裝置。它的科學目標是讓海水中大量存在的氘和氚在高溫條件下,像太陽一樣發生核聚變,為人類提供源源不斷的清潔能源,所以也被稱為“人造太陽”。它的外形像一個甜甜圈,它使用超導體,以最小的能耗獲取最強的磁場。

11月,中科院等離子體所發布消息,我國大科學裝置“人造太陽”——EAST取得重大突破,實現加熱功率超過10兆瓦,等離子體儲能增加到300千焦,等離子體中心電子溫度首次達到1億度,獲得的多項實驗參數接近未來聚變堆穩態運行模式所需要的物理條件,朝著未來聚變堆實驗運行邁出了關鍵一步。

第二次青藏科考公布首期成果

2017年,我國啟動了第二次青藏科考,有別于“地理大發現”式的第一次青藏科考,這次,科學家們聚焦世界第三極的青藏高原的“變化”,圍繞青藏高原地球系統變化及其影響這一關鍵科學問題,揭示機理,同時為優化青藏高原生態安全屏障體系提出科學方案。

2018年9月,第二次青藏高原綜合科考舉行首期成果報告會,科考隊總隊長、中科院青藏高原研究所姚檀棟院士說:“過去60年來,我們經歷了人類歷史上前所未有的氣候變暖,青藏高原作為世界第三極,是全球氣候變化最敏感地區之一,其升溫率超過全球同期平均升溫率的兩倍?!?/p>

青藏高原被譽為生物演化的“天然實驗室”。從植物到動物,從驍勇善戰的大型肉食動物到茍且營生的小型鼠類,在青藏舞臺上陸續登場之后,或就地適應,或遷徙他處。在中科院古脊椎動物與古人類研究所所長鄧濤研究員看來,青藏地區的生物演化歷程撐起了今天世界生物多樣性的主體。

核燃料有了新選擇

燃料組件是核反應堆的核心,是影響核電安全性和經濟性的最重要因素。

鋯合金材料是核反應堆堆芯的關鍵結構材料,作為構成燃料組件的“骨骼”和“皮膚”,鋯合金被稱為核反應堆的“第一道安全屏障”,長期以來,國內核電站燃料組件所用的鋯合金材料基本依賴進口。11月,中核集團宣布,我國首個自主研發的滿足三代核電要求的鋯合金材料——CF3核燃料組件N36鋯合金材料批量化首批產品成功下線通過驗收。

與通過研發新的包殼/芯塊材料以提高燃料性能的技術路徑不同,11月26日,我國在國際上首次完成環形燃料零功率物理實驗,環形燃料主要通過改變元件結構提升整體性能。這種結構完全革新的先進燃料元件芯塊被制成環狀,內外表面被加裝包殼管,有內外兩個冷卻劑通道,以增加傳熱面積、提高換熱效率。與現有壓水堆相比,若保持堆芯輸出功率不變,燃料芯塊和包殼的峰值溫度更低,將顯著提升堆芯安全性;若維持現有安全裕度不變,通過計算模擬證明,堆芯輸出功率可提升20%—50%,大幅提高核電經濟性。(記者 陳 瑜)

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