Physics 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标  题: 二○○二年物理学进展评述
发信站: 哈工大紫丁香 (Mon Jan 13 09:16:31 2003) , 转信



二○○二年物理学进展评述



英国《物理世界》杂志12月号发社论认为，2002年是国际物理学界相当长一段时间来所
经历的“最古怪、最骚动”的一个年头。在这一年中，美国贝尔实验室查出科研不正当
行为的新闻压倒了其他的一切。曾在该实验室工作的舍恩由于在16篇论文中造假而被开
除。但是，今年的物理学领域主要不是造假，物理学研究取得了一系列新进展。本文将
按时间顺序评述2002年国际物理学界取得的比较重要的研究成果。

　　日美中联合研究发现新型中微子―――反电子中微子

　　12月6日，中国与日、美科学家同时宣布了有关中微子实验的最新结果―――发现了
核反应堆中产生的反电子中微子消失的现象，这意味着反应堆中产生的反电子中微子发
生了振荡，变成另一种没有被探测到的中微子。

　　由日、美、中3国近百位科学家组成的 K amLAND实验组，从今年2月开始，运用位于
日本西北神冈1000米深的矿井下的 K amLAND探测器，探测了来自日本等国的20多个核电
站反应堆产生的中微子，这些核反应堆的总功率占全世界核电站总功率的20％。通过探
标  题: 二○○二年物理学进展评述
发信站: 瀚海星云 (2003年01月04日07:39:53 星期六), 站内信件

二○○二年物理学进展评述



英国《物理世界》杂志12月号发社论认为，2002年是国际物理学界相当长一段时间来所
经历的“最古怪、最骚动”的一个年头。在这一年中，美国贝尔实验室查出科研不正当
行为的新闻压倒了其他的一切。曾在该实验室工作的舍恩由于在16篇论文中造假而被开
除。但是，今年的物理学领域主要不是造假，物理学研究取得了一系列新进展。本文将
按时间顺序评述2002年国际物理学界取得的比较重要的研究成果。

　　日美中联合研究发现新型中微子―――反电子中微子

　　12月6日，中国与日、美科学家同时宣布了有关中微子实验的最新结果―――发现了
核反应堆中产生的反电子中微子消失的现象，这意味着反应堆中产生的反电子中微子发
生了振荡，变成另一种没有被探测到的中微子。

　　由日、美、中3国近百位科学家组成的 K amLAND实验组，从今年2月开始，运用位于
日本西北神冈1000米深的矿井下的 K amLAND探测器，探测了来自日本等国的20多个核电
站反应堆产生的中微子，这些核反应堆的总功率占全世界核电站总功率的20％。通过探
测发现了核反应堆中微子消失的现象。

　　这项实验的重大意义在于：它是国际上首次用人工中微子源证实太阳中微子确实发
生了振荡，同时排除了对太阳和大气中微子消失的所有其他可能的解释。突破了粒子物
理标准模型认为的中微子质量为零，而得出中微子质量不为零的结论。

　　首次证实负热容量的存在

　　法国与奥地利的科学家合作，首次证实了负热容量的存在：一个由15个左右氢分子
组成的原子团，在从液态向气态转化的过程中，尽管通过外部对其持续加热，它却出现
了冷却现象。

　　在宏观世界中，如果向一个系统提供能量，它便会提高温度，直到出现熔化或蒸发
等状态变化；如果熔化或蒸发没有完全完成，即使外界继续加热，系统温度也总是保持
不变。在这种情况下使系统温度提升开氏一度所需要的能量就是热容量，这时，该系统
的热容量是正的。那么，是否存在负热容量呢？20世纪70年代，物理学家假设出现这种
现象的可能性有两种：一是辐射失去能量，而核心温度却越来越高的太空星星；二是汽
化时温度降低的原子核。

　　法奥科学家从氢分子团与一个氦原子的高速撞击实验中发现，与宏观系统不同，由
少数粒子组成的系统在气态和液态之间没有明显的界限。当系统处于不稳定的中间状态
时，系统会寻求快速处于气态的条件，而代价是系统出现“冷却”现象。该实验的成功
测发现了核反应堆中微子消失的现象。

　　这项实验的重大意义在于：它是国际上首次用人工中微子源证实太阳中微子确实发
生了振荡，同时排除了对太阳和大气中微子消失的所有其他可能的解释。突破了粒子物
理标准模型认为的中微子质量为零，而得出中微子质量不为零的结论。

　　首次证实负热容量的存在

　　法国与奥地利的科学家合作，首次证实了负热容量的存在：一个由15个左右氢分子
组成的原子团，在从液态向气态转化的过程中，尽管通过外部对其持续加热，它却出现
了冷却现象。

　　在宏观世界中，如果向一个系统提供能量，它便会提高温度，直到出现熔化或蒸发
等状态变化；如果熔化或蒸发没有完全完成，即使外界继续加热，系统温度也总是保持
不变。在这种情况下使系统温度提升开氏一度所需要的能量就是热容量，这时，该系统
的热容量是正的。那么，是否存在负热容量呢？20世纪70年代，物理学家假设出现这种
现象的可能性有两种：一是辐射失去能量，而核心温度却越来越高的太空星星；二是汽
化时温度降低的原子核。

　　法奥科学家从氢分子团与一个氦原子的高速撞击实验中发现，与宏观系统不同，由
少数粒子组成的系统在气态和液态之间没有明显的界限。当系统处于不稳定的中间状态
时，系统会寻求快速处于气态的条件，而代价是系统出现“冷却”现象。该实验的成功
测发现了核反应堆中微子消失的现象。

　　这项实验的重大意义在于：它是国际上首次用人工中微子源证实太阳中微子确实发
生了振荡，同时排除了对太阳和大气中微子消失的所有其他可能的解释。突破了粒子物
理标准模型认为的中微子质量为零，而得出中微子质量不为零的结论。

　　首次证实负热容量的存在

　　法国与奥地利的科学家合作，首次证实了负热容量的存在：一个由15个左右氢分子
组成的原子团，在从液态向气态转化的过程中，尽管通过外部对其持续加热，它却出现
了冷却现象。

　　在宏观世界中，如果向一个系统提供能量，它便会提高温度，直到出现熔化或蒸发
等状态变化；如果熔化或蒸发没有完全完成，即使外界继续加热，系统温度也总是保持
不变。在这种情况下使系统温度提升开氏一度所需要的能量就是热容量，这时，该系统
的热容量是正的。那么，是否存在负热容量呢？20世纪70年代，物理学家假设出现这种
现象的可能性有两种：一是辐射失去能量，而核心温度却越来越高的太空星星；二是汽
化时温度降低的原子核。

　　法奥科学家从氢分子团与一个氦原子的高速撞击实验中发现，与宏观系统不同，由
少数粒子组成的系统在气态和液态之间没有明显的界限。当系统处于不稳定的中间状态
时，系统会寻求快速处于气态的条件，而代价是系统出现“冷却”现象。该实验的成功
再一次提出了宏观与微观的界限在哪里、如何决定一个微观系统的温度等问题。

　　首次利用飞秒激光成功观测电子运动状况

　　德国和奥地利的科学家利用飞秒（1飞秒为千万亿分之一秒）激光技术成功地观测到
原子内部电子的运动状况。

　　首先使用短脉冲的 X射线轰击氪原子外壳，使之产生一个很小的孔隙，使得一个电
子可以从早先“壁垒森严”的原子内部逃逸出来。科学家借助0.9飞秒的超短激光脉冲成
功地观测到了其它电子是如何将这一孔隙重新“修补”填满的。这如同使用快门时间仅
为若干飞秒的超高速摄影设备来捕捉电子的运动过程。

　　飞秒激光是人类目前在实验条件下所能获得的最短脉冲，具有瞬间功率极高、聚焦
能力极强的特点。此前，科学家们只能在比0.9飞秒长数千倍的时间范围内对微观粒子的
运动状况进行观测。

　　首次解释水在摄氏4度时密度最大

　　300多年前，人类就已经知道水在摄氏4度时密度最大。虽然这一现象仅仅是由于水
分子结构造成的，但对于水的这种特性，人们至今仍不能做出科学的解释。

　　日本科学家通过实验证实，在低温条件下两种非晶态冰之间存在不连续相变。在低
再一次提出了宏观与微观的界限在哪里、如何决定一个微观系统的温度等问题。

　　首次利用飞秒激光成功观测电子运动状况

　　德国和奥地利的科学家利用飞秒（1飞秒为千万亿分之一秒）激光技术成功地观测到
原子内部电子的运动状况。

　　首先使用短脉冲的 X射线轰击氪原子外壳，使之产生一个很小的孔隙，使得一个电
子可以从早先“壁垒森严”的原子内部逃逸出来。科学家借助0.9飞秒的超短激光脉冲成
功地观测到了其它电子是如何将这一孔隙重新“修补”填满的。这如同使用快门时间仅
为若干飞秒的超高速摄影设备来捕捉电子的运动过程。

　　飞秒激光是人类目前在实验条件下所能获得的最短脉冲，具有瞬间功率极高、聚焦
能力极强的特点。此前，科学家们只能在比0.9飞秒长数千倍的时间范围内对微观粒子的
运动状况进行观测。

　　首次解释水在摄氏4度时密度最大

　　300多年前，人类就已经知道水在摄氏4度时密度最大。虽然这一现象仅仅是由于水
分子结构造成的，但对于水的这种特性，人们至今仍不能做出科学的解释。

　　日本科学家通过实验证实，在低温条件下两种非晶态冰之间存在不连续相变。在低
准定理”和“单量子不可复制定理”之上，逐渐建立了量子密码术的概念。

　　量子密码术突破了传统加密方法的束缚，以量子状态作为密钥具有不可复制性，可
以说是“绝对安全”的。任何截获或测试量子密钥的操作都会改变量子状态。这样截获
者得到的只是无意义的信息，而信息的合法接收者也可以从量子态的改变知道密钥曾被
截取过。

　　如今人类信息交换越来越频繁，对信息安全的要求也越来越迫切，因此量子密码术
也显得更加重要。如果将来可以实现1000公里距离的量子密码传输，那时就可以利用卫
星来传递信息，并在全球范围内建立起保密的信息交换体系。

　　首次测量到宇宙微波背景辐射的偏振性

　　美国天体物理学家借助设在美国阿蒙森－斯科特南极考察站的“ D ASI”射电望远
镜，对宇宙中两个微小区域进行了长达200多天的观测，最终测量到了宇宙微波背景辐射
的微小偏振，这个结果确认了现有宇宙理论模型的合理性。

　　目前，普遍接受的宇宙起源理论认为，宇宙诞生于140亿年前的一次“大爆炸”。在
诞生早期，宇宙温度极高，随后开始冷却，形成被称为微波背景辐射的“余烬”。微波
背景辐射的存在，早已在天文观测中得到证实。

　　宇宙学理论的另一项重要预言是，微波背景辐射具有偏振性。在“大爆炸”之初，
准定理”和“单量子不可复制定理”之上，逐渐建立了量子密码术的概念。

　　量子密码术突破了传统加密方法的束缚，以量子状态作为密钥具有不可复制性，可
以说是“绝对安全”的。任何截获或测试量子密钥的操作都会改变量子状态。这样截获
者得到的只是无意义的信息，而信息的合法接收者也可以从量子态的改变知道密钥曾被
截取过。

　　如今人类信息交换越来越频繁，对信息安全的要求也越来越迫切，因此量子密码术
也显得更加重要。如果将来可以实现1000公里距离的量子密码传输，那时就可以利用卫
星来传递信息，并在全球范围内建立起保密的信息交换体系。

　　首次测量到宇宙微波背景辐射的偏振性

　　美国天体物理学家借助设在美国阿蒙森－斯科特南极考察站的“ D ASI”射电望远
镜，对宇宙中两个微小区域进行了长达200多天的观测，最终测量到了宇宙微波背景辐射
的微小偏振，这个结果确认了现有宇宙理论模型的合理性。

　　目前，普遍接受的宇宙起源理论认为，宇宙诞生于140亿年前的一次“大爆炸”。在
诞生早期，宇宙温度极高，随后开始冷却，形成被称为微波背景辐射的“余烬”。微波
背景辐射的存在，早已在天文观测中得到证实。

　　宇宙学理论的另一项重要预言是，微波背景辐射具有偏振性。在“大爆炸”之初，
黑洞的“材料”。

　　这次新观测到的两个中等质量黑洞都位于球状星团而非星系之中。这一发现帮助科
学家在“星团与星系之间建立起了联系”，为回答宇宙中星系结构是如何形成的提供了
有用信息。



科技处供稿

来源《科技日报》2002年12月30日第7版





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