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這一年,新發(fā)現(xiàn)顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知
2018-12-27 07:44:41 來源: 科技日?qǐng)?bào)
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  科學(xué)家追尋百年的萬有引力常數(shù)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(shù)助力的科學(xué)新發(fā)現(xiàn),不斷顛覆著人類已有的認(rèn)知。

  深空探測開啟新旅程

  12月8日,在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心,我國用長征三號(hào)乙運(yùn)載火箭成功發(fā)射嫦娥四號(hào)探測器,開啟了月球探測的新旅程。

  嫦娥四號(hào)與嫦娥三號(hào)是一對(duì)“雙胞胎”。雖然與“三姐”外貌一樣,但與嫦娥三號(hào)以“測月、巡天、觀地”為科學(xué)目標(biāo)不同,嫦娥四號(hào)將經(jīng)歷地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)、環(huán)月飛行,最終實(shí)現(xiàn)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(yùn)行的“鵲橋”中繼星,實(shí)現(xiàn)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(wǎng)衛(wèi)星從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心順利升空,我國成功完成北斗三號(hào)基本系統(tǒng)星座部署。

  北斗三號(hào)工程于2009年正式啟動(dòng)建設(shè)后,目前正按照最簡系統(tǒng)、基本系統(tǒng)、全球系統(tǒng)三步實(shí)施組網(wǎng):2000年年底建成北斗一號(hào)系統(tǒng),向中國提供服務(wù);2012年年底建成北斗二號(hào)系統(tǒng),向亞太地區(qū)提供服務(wù);2020年前后建成北斗全球系統(tǒng),向全球提供服務(wù)。

  中國散裂中子源開始運(yùn)行

  歷經(jīng)6年半的建設(shè),8月,國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施中國散裂中子源項(xiàng)目在廣東東莞通過國家驗(yàn)收,正式投入運(yùn)行,其綜合性能進(jìn)入國際同類裝置先進(jìn)行列,并將正式對(duì)國內(nèi)外各領(lǐng)域的用戶開放。

  中國散裂中子源由中國科學(xué)院和廣東省共同建造,建設(shè)內(nèi)容包括:1臺(tái)8千萬電子伏特負(fù)氫離子直線加速器、1臺(tái)16億電子伏特快循環(huán)同步加速器、1個(gè)靶站,以及一期3臺(tái)供科學(xué)實(shí)驗(yàn)用的中子散射譜儀。

  “中國散裂中子源就像‘超級(jí)顯微鏡’,是研究物質(zhì)材料微觀結(jié)構(gòu)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(yīng)力,這對(duì)于提高高鐵關(guān)鍵部件和航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(jīng)理陳和生院士說,此外,可燃冰、磁性材料的研究,以及化學(xué)反應(yīng)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(tài)可掬的企鵝是地球重要一極——南極的標(biāo)志性動(dòng)物。

  現(xiàn)代生態(tài)學(xué)研究表明,在南極無冰區(qū)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(xué)技術(shù)大學(xué)極地環(huán)境研究室孫立廣—謝周清教授團(tuán)隊(duì)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(guī)模天氣災(zāi)害聯(lián)系起來,首次揭示了突變性氣候異常引發(fā)企鵝幼鳥大規(guī)模死亡的生態(tài)災(zāi)難事件。

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

  國際千克原器要退休了

  一千克究竟有多重?這個(gè)看似簡單的問題,科學(xué)家卻探索了百年。

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

  國際單位制中的4個(gè)基本單位改由自然常數(shù)來定義,質(zhì)量單位千克采用普朗克常數(shù)定義,電流單位安培采用基本電荷量定義,物質(zhì)的量單位摩爾采用阿佛加德羅常數(shù)定義,溫度單位開爾文采用玻爾茲曼常數(shù)定義,并于2019年國際計(jì)量日(5月20日)起正式生效。而定義質(zhì)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(huì)發(fā)生變化——1千克還將是原來的1千克,但國際計(jì)量局局長馬丁·米爾頓表示,國際單位制的修訂是科學(xué)進(jìn)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(shí)物基準(zhǔn),將所有基本單位的定義推向‘量子化’的關(guān)鍵一步?!?在國際計(jì)量局物理計(jì)量所功率天平組工作的李世松博士在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示。

  基本單位的量子化雖然從表面上人們不會(huì)看到太大的變化,但是它對(duì)高精尖科技的發(fā)展卻至關(guān)重要。1967年,時(shí)間單位秒用基于原子躍遷的“原子秒”取代“天文秒”,標(biāo)志著國際單位體系從實(shí)物時(shí)代開始邁向量子時(shí)代。原子時(shí)誕生50年來,時(shí)間頻率的測量準(zhǔn)確度躍升1000萬倍,成為目前測得最準(zhǔn)的物理量。正是基于時(shí)間定義的量子化變革,實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星導(dǎo)航定位,其精度更是達(dá)到了厘米級(jí)別,成就了數(shù)萬億美元的衛(wèi)星導(dǎo)航定位產(chǎn)品與服務(wù)市場。

  測出最精確萬有引力常數(shù)G值

  2018年,科學(xué)家追尋百年的科學(xué)問題有了新的答案,比如萬有引力常數(shù)G值。

  常數(shù)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(guān)的天體物理學(xué)、地球物理學(xué)、計(jì)量學(xué)等研究問題很難解決。1687年,牛頓在其著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中系統(tǒng)地介紹了萬有引力定律。但當(dāng)年牛頓不知道G值到底是多少。

  為了讓這個(gè)數(shù)值更精確,幾百年來,實(shí)驗(yàn)物理學(xué)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(zhì)量的物體都對(duì)其他物體有引力作用,并且無法屏蔽,換句話說,甚至實(shí)驗(yàn)室外偶然路過的一只飛鳥,都可能在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)里留下“痕跡”。

  2018年8月30日,《自然》雜志刊發(fā)了我國科學(xué)家羅俊與其團(tuán)隊(duì)測量引力常數(shù)G的最新結(jié)果,該團(tuán)隊(duì)采用兩種不同測量方法,將G值的精度達(dá)到國際最好水平,這一結(jié)果為確定高精度引力常數(shù)推薦值作出了實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn),將有利于提升我國在基礎(chǔ)物理學(xué)領(lǐng)域的話語權(quán),也為我國開展空間引力波探測計(jì)劃提供了更好的基礎(chǔ)支撐。

  萬米深海探索百舸爭流

  上九天攬?jiān)?,下五洋捉鱉。今年深海領(lǐng)域同樣動(dòng)作頻頻。

  在南印度洋上,中國科學(xué)院深??茖W(xué)與工程研究所的4500級(jí)載人潛水器“深海勇士號(hào)”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(xiàng)任務(wù),從馬里亞納海溝海域返回三亞。本次科考充分驗(yàn)證了多個(gè)國產(chǎn)深海裝備的穩(wěn)定性和可靠性,取得多項(xiàng)國內(nèi)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(tuán)隊(duì),乘“沈括”號(hào)科學(xué)調(diào)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(zhàn)萬米深淵”項(xiàng)目的一部分。該航次中,將在馬里亞納海溝最深處“挑戰(zhàn)者深淵”附近海域,開展“彩虹魚”萬米級(jí)載人潛水器超短基線系統(tǒng)海上試驗(yàn)、2臺(tái)第二代“彩虹魚”著陸器萬米級(jí)海上試驗(yàn)、1臺(tái)4500米級(jí)大深度浮標(biāo)海上試驗(yàn)等工作,同時(shí)完成科學(xué)樣本采集和海底拍攝任務(wù)。

  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(xiàng)——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(yè)。

  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(yīng)用,標(biāo)志著我國在深海重大裝備的設(shè)計(jì)、制造方面已具備產(chǎn)品化開發(fā)制造能力。

  清華大學(xué)提出波函數(shù)全新觀點(diǎn)

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

  波函數(shù)理論已經(jīng)衍生出諸如激光、半導(dǎo)體和核能等高新技術(shù),深刻變革了人類生活方式。多年來,物理學(xué)家們提出各種關(guān)于波函數(shù)的假設(shè)和詮釋,并設(shè)計(jì)出各種實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,卻始終沒有達(dá)成共識(shí)。其中最主流聲音認(rèn)為,波函數(shù)僅是一種數(shù)學(xué)描述,用來計(jì)算微觀物體在某處出現(xiàn)的概率。

  2018年,清華大學(xué)龍桂魯教授以第一和通訊作者身份,在《中國科學(xué):物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)(英文版)》上發(fā)表的一項(xiàng)研究,提出完全不同的全新觀點(diǎn),認(rèn)為波函數(shù)是微觀物體的真實(shí)存在,不再是簡單的數(shù)學(xué)描述, 打破了人們對(duì)波函數(shù)的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí), 有利于幫助人們深刻理解量子規(guī)律, 進(jìn)一步探索微觀世界。

  中國“人造太陽”實(shí)現(xiàn)1億度

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

  EAST又稱東方超環(huán),是中國研制的世界第一個(gè)非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克,也是我國第四代核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。它的科學(xué)目標(biāo)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(fā)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(gè)甜甜圈,它使用超導(dǎo)體,以最小的能耗獲取最強(qiáng)的磁場。

  11月,中科院等離子體所發(fā)布消息,我國大科學(xué)裝置“人造太陽”——EAST取得重大突破,實(shí)現(xiàn)加熱功率超過10兆瓦,等離子體儲(chǔ)能增加到300千焦,等離子體中心電子溫度首次達(dá)到1億度,獲得的多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)接近未來聚變堆穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式所需要的物理?xiàng)l件,朝著未來聚變堆實(shí)驗(yàn)運(yùn)行邁出了關(guān)鍵一步。

  第二次青藏科考公布首期成果

  2017年,我國啟動(dòng)了第二次青藏科考,有別于“地理大發(fā)現(xiàn)”式的第一次青藏科考,這次,科學(xué)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(tǒng)變化及其影響這一關(guān)鍵科學(xué)問題,揭示機(jī)理,同時(shí)為優(yōu)化青藏高原生態(tài)安全屏障體系提出科學(xué)方案。

  2018年9月,第二次青藏高原綜合科考舉行首期成果報(bào)告會(huì),科考隊(duì)總隊(duì)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(jīng)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(qū)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(yù)為生物演化的“天然實(shí)驗(yàn)室”。從植物到動(dòng)物,從驍勇善戰(zhàn)的大型肉食動(dòng)物到茍且營生的小型鼠類,在青藏舞臺(tái)上陸續(xù)登場之后,或就地適應(yīng),或遷徙他處。在中科院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所所長鄧濤研究員看來,青藏地區(qū)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(yīng)堆的核心,是影響核電安全性和經(jīng)濟(jì)性的最重要因素。

  鋯合金材料是核反應(yīng)堆堆芯的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料,作為構(gòu)成燃料組件的“骨骼”和“皮膚”,鋯合金被稱為核反應(yīng)堆的“第一道安全屏障”,長期以來,國內(nèi)核電站燃料組件所用的鋯合金材料基本依賴進(jìn)口。11月,中核集團(tuán)宣布,我國首個(gè)自主研發(fā)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(chǎn)品成功下線通過驗(yàn)收。

  與通過研發(fā)新的包殼/芯塊材料以提高燃料性能的技術(shù)路徑不同,11月26日,我國在國際上首次完成環(huán)形燃料零功率物理實(shí)驗(yàn),環(huán)形燃料主要通過改變?cè)Y(jié)構(gòu)提升整體性能。這種結(jié)構(gòu)完全革新的先進(jìn)燃料元件芯塊被制成環(huán)狀,內(nèi)外表面被加裝包殼管,有內(nèi)外兩個(gè)冷卻劑通道,以增加傳熱面積、提高換熱效率。與現(xiàn)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(xiàn)有安全裕度不變,通過計(jì)算模擬證明,堆芯輸出功率可提升20%—50%,大幅提高核電經(jīng)濟(jì)性。(記者 陳 瑜)

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