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美国评选出:十大最有野心的科学实验(组图

时间:2017-04-20 11:47  来源:未知  作者:admin

  为了加深人们对复杂而广袤无垠的宇宙的理解,科学家们正在制造越来越庞大的科研工具,开展越来越有野心的科学实验。然而,要做到这些并非易事,因为这些科学实验和工具动辄耗资数亿美元,而且需要来自不同国家、不同专业的科研人员群策群力才能完成。但是,所有这些实验给我们带来了令人惊喜的结果,让我们觉得一切都是值得的。

  美国《大众科学》网站近日为我们列举出了有史以来最有野心的10大科学实验:从全球最大的海底天文台到彻底窥探我们所在星球的“终极显微镜”,再到探测险象环生的木星世界等,所有这些实验的终极目的只有一个,那就是让人类更好地了解宇宙并最终了解自身。

  要想从浩如烟海的科学实验中拣出10个最有野心的科学实验并不容易。《大众科学》网站结合了一些客观因素和主观因素来对其进行排名。客观因素包括实验设备的预算、建造成本、参与人数等;主观因素指的是该实验的相对重要性,主要包括其科学效用、对普罗大众的效用以及其他一些让人拍案叫绝的因素。

  美国酝酿15年的“地球透镜计划”(EarthScope)是一个正在申请并已部分实施的计划,其以发展地震科学、促进地震科学在减轻地震灾害中的应用为目标。

  旨在追踪地质进化历史的“地球透镜计划”是全球最大的科学实验。这个地球科学天文台记录了973万平方公里范围内的数据。从2003年开始,该计划拥有的4000多个实验设备已经收集了676TB(太拉字节或百万兆字节)的数据,相当于美国图书馆数据的四分之一,而且,每6周到8周,它就会多增加1TB字节的数据。

  地球透镜计划的具体目标是地区构造、演化和动力学过程;探测活断层系统行为;研究地震成核和破裂过程;推进对自然灾害的认识;探索火山机制以及导致火山爆发的岩浆进程;了解地幔结构与动力学、地壳构造学之间,构造地质学与地壳中流体之间的关系;通过地球交叉科学广泛而综合的研究来推进整个地学系统的研究。

  目前,有1100个永久性的全球定位系统(GPS)元件遍及和波多黎哥,用于追踪由于地壳构造变化导致的陆地表面的变形。位于活跃的圣安德烈亚斯断层附近的地震传感器会记录该断层最轻微的滑动;一小队科学家计划在未来十年内,使用反铲挖土机让一个由400台地震仪组成的可移动阵列走遍全美各地,明年它将到达美国东海岸,届时,科学家们就将收集到2000个的数据。

  EarthScope获取的数据可能有助于科学家解释诸如地震和火山爆发等地质事件背后的力量,以更好地探测这些现象。到目前为止,从这个科研项目收集到的数据表明,美国圣安德烈亚斯断层的岩石比其外面的岩石更脆弱;而且,黄石超级火山下的岩浆蒸汽比以前认为的更大。

  大型强子对撞机(LHC)位于近郊欧洲核子研究中心(CERN)内,埋藏于和法国交界处的50米至150米的地下深处,它是世界上最大的粒子对撞机。LHC每小时需要消耗7000亿瓦特的能量;每年耗资10亿美元。来自于全球60个国家的超过1万名研究人员、工程师正在为LHC的六个项目而孜孜不倦地工作着,这些科研项目旨在解开宇宙基础物理学的谜团。

  暗物质究竟是什么?空间中还存在着额外的维度吗?被称为“粒子”的希格斯玻色子确实存在吗?粒子是否有相对应的超对称(SUSY)粒子存在?宇宙究竟如何形成的?当重子的质量被更精确地测量时,标准模型是否仍然成立?LHC的六个粒子探测器能够记录并可视化上述问题的亚原子粒子的径、能量和特征,有望给出答案。

  LHC有两项大规模实验。超环面仪器“阿特拉斯(ATLAS,希腊中的擎)”实验的探测器正在搜寻明显存在着动量不平衡的撞击事件,这预示着宇宙中存在着被认为组成暗物质的超对称性。紧凑型μ子螺旋型磁谱仪(CMS)实验与ATLAS相辅相成,其主要目的是搜寻超对称性和发现捉摸不定的“粒子”希格斯玻色子的踪迹。

  ATLAS和CMS均建立在多用途探测器基础之上,用于分析加速器中撞击过程产生的数量庞大的粒子。两项实验的研究规模和研究层面均达到前所未有的程度,使用两个单独设计的探测器是交叉确认任何新发现的关键所在。

  两项中型实验大型离子对撞机实验(ALICE)和LHC底夸克实验(LHCb)则利用特殊的探测器来分析与特殊现象有关的撞击。

  另外两项实验全截面弹性散射侦测器实验(TOTEM)和LHC前行粒子实验(LHCf)的规模就要小得多。它们的焦点集中在“前行粒子”(质子或者重离子)身上。在粒子束发生碰撞时,这些粒子只是擦肩而过,而不是正面相撞。

  尽管LHC不断已经发现了“粒子”的蛛丝马迹,但这个科研项目对我们庸常的日常生活几乎没有什么影响,除非你的家人和朋友想

  美国橡树岭国家实验室拥有世界上两个最先进的中子散射研究装置,即散裂中子源(SNS)和高通量同位素反应堆(HFIR)。散裂中子源是目前世界上研究物质微观结构最重要的科学设施之一。

  每个月,散裂中子源会从国家电网中攫取25到28兆瓦的能量,并使用约850万加仑水来让自身冷却。在运行期间,SNS上的加速器发出的每束脉冲中子束流中包含有2千万亿个中子,将其发射进一个目标室内,这些密集的中子束流会打开物质,以便科学家原子结构随时间如何变化。SNS能给研究人员提供比以前更小的物理和生物材料样品的更详细图像。

  SNS会朝一个样本发送飞驰的中子,中子的速度为光速的97%,但是,与对撞机中的粒子不同的是,与样本相遇时,中子并不会产生大爆炸。中子很小而且能量很少,因此,它们与物质之间的相互作用非常微弱。当中子穿过一个样本时,样本中的原子核会被分散。这种相互作用会改变中子的能量和方向,而且,位于该样本几尺远距离处的14个装置会记录样本内部发生的变化。

  接着,会有软件把所有这些散射数据结合在一起,绘制出样本的原子结构,因为SNS会以每秒60个脉冲的速度发射中子包,软件能记录样本的原子结构随时间发生的变化,就像将电影的单帧画面组合在一起形成一个运动图像一样。

  科学家们正在使用这些原子层面的“电影”来实时电池的充放电过程,以便研制出更好的电池;它也可以被用来研究蛋白质的结构。

  国际空间站是一项由六个太空机构联合推进的国际合作计划。1983年,美国总统里根首先提出国际空间站的设想,经过近十余年的探索和多次重新设计,直到苏联解体、俄罗斯加盟,国际空间站才于1993年完成设计,开始实施。

  每年需要耗资20亿美元和几千名员工的辛勤工作才能让国际空间站正常运转。迄今为止,来自11个国家的201人(其中包括7名富翁)已经拜访了国际空间站。国际空间站也接待了阿尔法磁谱仪迄今前往国际空间站的最大最重的设备,其目的在于探测宇宙中包括暗物质和反物质在内的奇异物质。

  在国际空间站,来自美国国家航空航天局(NASA)的科学家、天文学家以及其他合作者一起测试了能被用于长途太空飞行的宇宙飞船的零件和支撑系统。他们也检查了人体的身体状况,研究失重对人体骨骼密度、红血细胞产生情况的影响以及在长期的太空飞行中人体免疫系统发生的变化。

  在国际空间站工作的科学家们发现,在太空中,沙门氏菌会变得更加致命。这个发现和找出使沙门氏菌变得更致命的基因加速了科学家们研制首个战胜沙门氏菌以及让成千上万住院病人在医院受到感染的耐甲氧西林金葡萄球菌(MRSA)疫苗的步伐。

  先进光源机构(ALS)是一台位于大学伯克利分校的粒子加速器。自从1993年开始,科学家们就开始借用该设备,朝蛋白质、电池电极、超导体和其他材料发送亮度为太阳表面亮度100万倍的质子束,力求这些物质的原子、和电子特性。

  ALS是软X射线(波长较长及穿透能力差的X射线)最亮的来源之一,其波长对附有分光镜的光谱显微镜(主要用于宽度仅为几纳米的样本的结构和化学组成的科学工具)来说刚刚好。2006年,进行ALS项目的科学家参与鉴定了从一颗在太阳系形成之初就已形成的彗星尾巴上的灰尘,实验结果表明,这些源于宇宙角落的宇宙成分比我们此前认为的更早开始混合。

  同一年,美国斯坦福大学的生化学家罗杰·科恩伯格因为使用ALS对RNA(核糖核酸)聚合酶三维结构的研究获得了2006年的诺贝尔化学。所得到的数据让他清晰地描述了在名为的过程中,遗传信息如何从DNA(脱氧核糖核酸)传递到mRNA(RNA),mRNA会携带这些信息离开细胞核,以构建蛋白质。

  使用ALS研究一个同恶性黑色素瘤有关的蛋白质将有助于科学家研发出新奇的疗法来对抗这种疾病。目前,这种药物处于二期和三期临床实验阶段。从ALS获取的其他数据可能帮助科学家制造出大容量的锂电池电极,以增加电池的充电容量。最后,理解石墨烯的物理和电学结构将有助于科学家研制出原子层面的晶体管和运行速度更快的计算机处理器。(未完待续)为了加深人们对复杂而广袤无垠的宇宙的理解,科学家们正在制造越来越庞大的科研工具,开展越来越有野心的科学实验。然而,要做到这些并非易事,因为这些科学实验和工具动辄耗资数亿美元,而且需要来自不同国家、不同专业的科研人员群策群力才能完成。但是,所有这些实验给我们带来了令人惊喜的结果,让我们觉得一切都是值得的。

  美国国家航空航天局(NASA)宣布,美国东部时间8月5日12时25分,“朱诺”号探测器由一枚“宇宙神-5”运载火箭搭载,从卡纳维拉尔角空军升空,前往险象环生的木星进行探测。由太阳能提供动力的“朱诺”号探测器将在太空飞行5年时间,在经过最初的两年飞行之后,它将于2013年10月重返地球,以便借助地球引力进行借力加速飞行,从而将其推向外太阳系。“朱诺”预计于2016年7月抵达绕木星运行轨道,并在木星辐射带中运行一年,任务计划于2017年10月结束。

  届时,“朱诺”的速度将高达21.4万公里/小时,使它成为有史以来运行速度最快的人造设备。一旦进入木星轨道,“朱诺”将环绕木星极地33圈,然后直接俯冲进入木星。探测器将在木星那里遭受强烈的宇宙射线的照射,强度超过太阳系内除太阳以外任何有探测器造访过的地方。这段险象环生的旅程一旦开始,“朱诺”将在木星充满氢气的大气中,然后像流星一样燃烧殆尽。

  “朱诺”由美国洛克希德—马丁公司制造,NASA下属的喷气推进实验室负责整个探测任务的运行,项目总成本为11亿美元。

  当“朱诺”围绕木星旋转时,其上的9个设备将研究木星的方方面面。同太阳类似,木星的主要成分也是氢和氦,其与太阳平均距离超过7.7亿公里,是地球与太阳距离的5倍多。科学家普遍认为,木星是太阳系内形成的首个。因为其体型如此庞大,木星上的引力会让在早期太阳系上发现的一些原初物质(主要是氢气和氦气)得以保存,这种特性使木星成为研究太阳系起源的窗口。

  “朱诺”号探测器提供的数据将研究这一巨型气体的内部构造、大气、极光、以及是否存在水以及固体内核等。对木星的测量将终结木星是否拥有冰岩芯的争论;“朱诺”上的磁强计将测量出在木星内部发现的金属氢海洋的深度和运动情况,这些金属氢海洋产生了太阳系内除太阳周围以外的最强。“朱诺”携带的微波辐射计将测量木星上水的含量,这是我们理解木星最初如何形成以及木星大气中氨的含量的关键。

  美国国家点火装置(NIF)位于劳伦斯利弗莫尔国家实验室,是世界上最大、最高能的激光器,其长度约为3个足球场长,有10层楼高。

  据悉,NIF可以把200万焦耳的紫外线毫米大的冷冻氢气球上,从而产生1亿摄氏度的高温和约为地球大气压1000亿倍的高压,类似恒星和巨大的内核以及核爆炸时产生的温度和压力。在此基础上,科学家可进行此前在地球上无法进行的许多试验。

  科学家们除了利用NIF来模拟、黑洞边界、恒星和巨大内核的,为科学界提供大量之前无法获取的数据外,也可用它来模拟核爆。最后,因为激光射中目标内的与质量巨大的星球内部的一致,科学家们希望能借此洞悉聚变反应如何产生诸如金和铀等一些重金属元素。

  一些NIF的者表示,NIF可制造出类似太阳内部的可控氢核聚变反应,因此,可用来生产可持续的清洁能源。

  甚大阵(VLA)是美国国家射电天文台在新墨西哥州建造的射电望远镜阵,是全球最大的望远镜之一,其共有27个口径为25米的抛物面天线,排列成Y型,每臂长约1公里,观测波长可短至1厘米。

  甚大阵采用一种综合口径技术,其分辨率相当于口径为27公里的一个单抛物面天线,可以收集宇宙中最明亮的物体发出的信号。其姐妹阵列超长基线射电望远镜阵列(VLBA)由十台射电望远镜排成一条直线而形成,VLBA的最大长度为8611公里。

  因为射频信号能穿透让很多物体变得模糊不清的宇宙尘埃,VLA和VLBA能看清光学望远镜无法看到的事物。科学家们已经使用VLA研究了位于心脏的黑洞,也用其搜寻到了伽马暴(来自遥远宇宙的瞬时高能电磁辐射爆发)并于1989年接收到了“旅行者2号”宇宙飞船通过海王星时传回的无线电,让我们首次看到了气体巨星和其卫星的清晰图片。

  VLBA用于测量地球在宇宙中方位的偏移。通过一直聚焦于遥远的固定目标(诸如类星体),科学家们能探测地球在太空中所处方位的明显变化。遇到诸如今年年初让日本遭受重创的大地震时,地球在宇宙中的方位可能会有所偏离。

  从现代天文学教科书中随便挑出一章,人们会发现,很多物体的发现或理论的推演都基于VLA和VLBA这对“姊妹花”收集到的数据。VLBA也收集位于近地小上的数据,这些数据有助于科学家预测是否有小会同地球相撞。

  地球约四分之三的面积被海洋所覆盖,地球上90%的生物以海洋为家。然而,迄今为止,人类对海洋的认识一直非常有限。由维多利亚大学牵头的“海王星”海底观测站将为人类直播海底世界,为我们认识海洋助一臂之力。

  据新闻社报道,2009年12月8日,被称为世界上最大的海底局域网的“海王星”海底观测站在西部太平洋沿岸省份哥伦比亚的埃斯奎莫尔特海军正式启动,有专家预测,海洋学研究有望迎来一个全新时代。

  “海王星”海底观测站是目前全球最大的海底观测站,包括5个13吨重的像太空舱一样的设备、400块传感器,这些设备放置在岛西海岸海底,由约795公里长的海底光缆相连,所有这些设备都通过互联网连接在一起。据报道,该计划耗资1亿加元(约合9000万美元)。

  在未来的25年时间里,这项计划将对海底发生的情况进行长期实时监测,通过这些数据,科学家能对海底生命、海底的地理情况以及化学情况有更深了解;能够了解从地震动力学到气候变化对水柱产生的影响;了解从深海生态系统到鲑鱼迁移等各种各样的信息。

  维多利亚大学校长戴维·特平说,随着人们对海洋了解的不断扩大,“海王星”计划将在帮助人们以前所未有的方式认识海洋方面发挥重要作用。

  位于美国纽约州布鲁克海文国家实验室的重离子对撞机(RHIC)经过10年的建设,于2000年正式运行。该实验旨在通过驱动两束金离子束对撞,创造出一个微型的“宇宙大爆炸”,以便科学家研究宇宙早期的形态;寻找新物质;理解从最小的粒子物理世界到最大的恒星世界的运作方式和原理。

  对撞产生的温度可达7.2万亿华氏度(约4万亿摄氏度),如此高温能将质子和中子熔化。随着质子和中子等粒子分崩离析,组成它们的夸克和胶子(为了说明夸克间相互作用之的无质量粒子)会自在地相互作用,从而形成一种新形态的物质——夸克—胶子等离子体。对撞结束后,夸克—胶子等离子体冷却下来重新形成质子和中子,整个过程能产生4000个亚原子粒子。

  为了更好地理解在我们身处的宇宙中物质如何进化而来,参与RHIC的物理学家们通过几个加速器来发送金原子、剥离它们的电子使其变成带正电荷的离子。这些离子以光速相当的运行速度进入两个循环管中发生对撞。科学家们仔细检查了对撞产生的遗留物,结果发现,出现于宇宙大爆炸后期的这些粒子,其行为更像液体而不是此前认为的气体。

  目前,参与RHIC的科学家们正在研发能给质子加速、更精确地引导质子发光并人体内癌症肿瘤的设备。工程师们也使用重离子束在塑料薄片上穿打细小的孔隙,制造出能在层面将物质筛选出来的筛子。而且,RHIC使用的超导磁技术也有助于科学家在未来研发出更高效的储能设备。

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