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发信人: grh (月亮), 信区: Physics
标  题: 二○○二年物理学进展评述 
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年08月03日13:17:48 星期天), 站内信件

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。在低温
情况下，低密度水和高密度水呈完全不同的形态。这项研究成果不仅首次解释了水在摄氏
4度时密度最大的现象，而且在生态系统、水溶液系统等与水有关的领域有广泛的应用价值
。 
　　今后，如果能够控制这两种水的临界点，就可以自由控制水的结晶，对人类控制地球
环境和开发生物冷却保存技术也极有价值。 
　　量子密码术获得进展 
　　2002年德英科学家在德国和奥地利边境的楚格峰和卡尔文德尔峰之间用激光成功传输
了光子密钥。在相距23.4公里的两座山峰之间，以波长为850纳米的激光，互相传送加密资
料。由于两峰之间没有光纤，资料传递是在空气中进行的。选择在两座山峰之间试验，是
因为在约3000米的高度上，气流扰动对试验的影响比较小。 
　　现代密码学所采用的加密方法通常是用一定的数学计算操作来改变原始信息。这种改
变信息的方法是密钥，掌握了密钥就可以将消息复原回来。从理论上来说，传统的数学计
算加密方法都是可以破译的，再复杂的数学密钥也可以找到规律。第一台现代计算机的诞
生，就是为了破解复杂的数学密码。随着计算机的飞速发展，破译数学密码的难度也逐渐
降低。 
　　与传统密码学的理论基础是数学的密码学不同，量子密码学的理论基础是量子力学。
量子密码学利用物理学原理保护信息。20世纪下半叶以来，科学家们在“海森堡测不准定
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，宇
宙中尚未形成物质，质子、中子和光子相互碰撞，使宇宙之光产生偏振。光本身可以看作
是由一些微小的波构成的，这些波通常可以在任何一个平面上振动，均匀分布于各个方向
。但是，光在受到折射或散射后有时会产生偏振，使光波的振动方向集中到特定平面上。
然而，偏振信号极其微弱，强度仅相当于微波背景辐射微小温度波动信号的1／10。这就是
微波背景辐射的偏振性长期未被观测到的原因。 
　　根据理论计算，在宇宙“大爆炸”之后约40万年，带电粒子开始形成最初的物质，宇
宙中的光与物质出现分离，但其偏振性却在微波背景辐射中得到保存。这一偏振性是古老
的光线与宇宙最初诞生的物质最后接触的“印记”，探测它可以为研究宇宙早期状况提供
重要“指南”。 
　　首次制造出大量反氢原子 
　　9月18日，欧洲核子研究中心在英国《自然》上宣布，成功制造出约5万个反氢原子，
这是人类首次在受控条件下大批量制造反物质。科学家认为，能够大量地制造反氢原子，
对准确比较物质与反物质的差别、解答宇宙构成等问题将有重要意义。 
　　正电子发现后，科学家提出所有粒子都有其反粒子。反氢原子是最简单的反物质。为
了探索反物质之谜，科学家在实践上采取了两种途径，一是在自然界中寻找反物质，研究
反物质的自然状态；二是在实验室中制造反物质，从更多的角度研究反物质。1997年4月，
美国利用先进的伽马射线探测卫星发现在银河系上方约3500光年处有一个不断喷射反物质
的源。这是宇宙反物质研究领域的一个重大突破。 
　　另一方面，1995年欧洲核子研究中心的科学家在世界上制成了第一批反物质―――反
氢原子，揭开了人类研制反物质的新篇章。1996年，美国费米国立加速器实验室成功制造
了7个反氢原子。此后，在实验室中制造反物质的工作受到很多科学家的高度重视。2000年
8月10日，欧洲核子研究中心宣布用于制造反物质的反质子减速器投入使用。该项成果是反
物质研究的“一个重要里程碑”。 
　　关于反物质的用途，目前可预测的一个应用是，由于物质与反物质相遇会释放出所有
的能量，携带反物质进行星际旅行，可以减少携带的燃料质量。 
　　自旋电子晶体管研制成功 
　　加拿大科学家成功地制造出一个自旋电子晶体管模型，该模型显示出自旋电子晶体管
的工作原理。 
　　这个只有纳米尺寸大小的装置将使计算机的运算能力大幅度提高，并有可能引发电子
学与电信学的一场革命。 
　　由于目前以电子电荷为基础的电子学即将达到其技术极限，全世界的科学家纷纷把电
子学研究的目光投向自旋电子学的研究。自旋电子学研究以电子的旋转，而不是根据电子
的电荷来制造器件和电路，利用纳米技术研究自旋电子学是目前一个非常热门的研究方向
。 
　　首次实现了玻色－爱因斯坦凝聚态下铷原子气体的超流态与绝缘态的可逆转换 
　　德国物理学家在激光束构筑的三维能量点阵中，通过改变激光能量，成功实现了玻色
－爱因斯坦凝聚态下铷原子气体的超流态与绝缘态的可逆转换。 
　　物理学家利用6束激光形成了一种干涉图样，相当于一系列的能量“山峰”和“山谷”
，然后将玻色－爱因斯坦凝聚态下的铷原子气体放置其中。结果发现，由于超流动状态，
最初铷原子可以轻易地在“山地”中移动；但当增加激光能量时，铷原子突然失去“自由
”，被困在了能量“山谷”中而呈现绝缘态，即在这种状态下每一个“山谷”中的原子数
目都是可以确定的。物理学家发现从超流态到绝缘态的这一转换过程是可逆的。 
　　进入21世纪，传统的硅芯片计算机在经过了30多年的发展后，由于面临耗能和散热等
问题将不可避免地趋于发展极限。为此，人们提出了量子计算机的构想。为了发展量子计
算机，人们需要找到可以表示“0”和“1”两个状态的方法。而每个铷原子都具有磁矩这
种属性，恰好可以用来表示这两种状态，即可以用做量子计算机的存储介质。大量的铷原
子可以成为量子计算机的存储器，如果有两个这样的存储器，利用它们之间的相互作用，
就可以实现量子计算。 
　　“哈勃”望远镜新发现两个中等质量黑洞 
　　美国天文学家利用“哈勃”太空望远镜新观测到两个中等质量黑洞，这一发现不仅为
研究黑洞的演变补上“缺失的一环”，也有助于深入理解星系结构的形成。 
　　新观测到的两个黑洞之一位于飞马星座的 M15球状星团，距地球3.2万光年，质量为太
阳的4000倍。另一个黑洞位于仙女星系的 G1星团中，质量相当于2万个太阳，距离地球22
0万光年。 M15和G1这两个星团都包含着大量紧凑排列的恒星，其中一些恒星相当古老，诞
生于距今100多亿年前。 
　　黑洞是一种体积极小、质量极大的天体，在其强大引力的作用下，连光都无法逃逸。
迄今，宇宙中已知的黑洞主要有超巨黑洞和小质量黑洞两类。超巨黑洞一般存在于星系的
中心，质量达到太阳的数百万甚至数十亿倍，而小质量黑洞的质量与太阳基本处于同一数
量级。 
　　目前，关于超巨黑洞的形成主要有两种理论。一种观点认为，它可能是随着星系的诞
生一次性产生的。但也有天文学家推测，超巨黑洞是以质量更小的黑洞为基础形成的，后
者就好比是一些“种子”，随着时间的推移进化成了巨型黑洞。中等质量黑洞的发现为黑
洞形成的“进化论”提供了新的支持。这些中等质量黑洞很可能是最终形成超巨黑洞的“
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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