宇宙探索之暗物質(zhì)與暗能量

1、宇宙探索之暗物質(zhì)與暗能量一、暗物質(zhì)和暗能量是21世紀(jì)最大科學(xué)之謎在宇宙學(xué)中,暗物質(zhì)是指那些不發(fā)射任何光及電磁輻射的物質(zhì)。圖為科學(xué)家繪制出的宇宙暗物質(zhì)三維數(shù)字分布圖。白春禮為我們講物質(zhì)科學(xué)編者按未來科技的發(fā)展將給人類帶來什么樣的變化?公眾對(duì)此充滿遐想。在今年舉行的第三屆江蘇省青年科學(xué)家年會(huì)上,中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)白春禮院士作了題為科學(xué)發(fā)展與物質(zhì)科學(xué)變革性研究的特邀報(bào)告,他帶領(lǐng)與會(huì)者走近物質(zhì)科學(xué)發(fā)展的前沿未來,由物質(zhì)科學(xué)前沿突破推動(dòng)的種種神奇的變革性技術(shù)將百花盛開,為人類的未來生活帶來便捷。今天,我們編發(fā)的這篇文章,對(duì)白春禮的報(bào)告做了解讀,希望讓廣大讀者分享這份“科普大餐”。納米綠色制版:引領(lǐng)印刷業(yè)技術(shù)

2、新變革物質(zhì)科學(xué)大顯身手的地方有很多,不僅僅局限在科技領(lǐng)域,同樣引領(lǐng)文化的傳承與發(fā)展。也許這會(huì)讓人疑惑,一向分門別類的科學(xué)事業(yè)和文化事業(yè),怎樣在物質(zhì)科學(xué)前沿技術(shù)的發(fā)展下,統(tǒng)籌前行,共促發(fā)展呢?中科院院長(zhǎng)白春禮為我們指點(diǎn)迷津。文字傳承文化,活字印刷術(shù)被譽(yù)為我國(guó)古代最具影響力的四大發(fā)明之一,這是印刷行業(yè)的第一次飛躍。二十世紀(jì),第一臺(tái)漢字激光照排機(jī)誕生,我國(guó)重大工程技術(shù)成就激光照排技術(shù)實(shí)現(xiàn)了我國(guó)印刷技術(shù)跨越式發(fā)展。雖然激光照排技術(shù)比古老的鉛字排版工效至少提高5倍,被印刷業(yè)廣泛應(yīng)用。但是這種技術(shù)也不是十全十美的。白春禮指出,因?yàn)榧す庹张攀菍⑽淖滞ㄟ^計(jì)算機(jī)分解為點(diǎn)陣,然后控制激光在感光底片上掃描,用曝光點(diǎn)

3、的點(diǎn)陣組成文字和圖像,帶來的廢液排放嚴(yán)重污染自然環(huán)境。無論是激光照排技術(shù),還是現(xiàn)在流行的計(jì)算機(jī)直接制版技術(shù)(CTP技術(shù),其基礎(chǔ)都是感光材料預(yù)涂層及感光成像技術(shù)。面對(duì)印刷業(yè)對(duì)資源的浪費(fèi)和環(huán)境的污染,物質(zhì)科學(xué)在納米尺度的研究基礎(chǔ)上,將一種納米綠色制版技術(shù)提上研究日程。白春禮介紹說,這種納米制版技術(shù)不避光、低成本、無污染、高度自動(dòng)化,將解決目前感光化學(xué)成像帶來的污染和浪費(fèi)問題;這種直接物理成像過程大大簡(jiǎn)化了工藝流程,降低了成本,也使印刷的控制變得更加簡(jiǎn)單、方便和高效,真正實(shí)現(xiàn)了直接制版的綠色數(shù)字化時(shí)代;納米粒子有效增強(qiáng)轉(zhuǎn)印材料的耐摩擦性,可同時(shí)避免微米顆粒復(fù)合引起的打印頭堵塞及分辨率低等問題,納米科

4、技的應(yīng)用,不僅大大提高了耐印力,而且有效地提高了影像的精度。不需要感光成像、不會(huì)污染環(huán)境、印刷流程縮短由物質(zhì)科學(xué)納米尺度研究領(lǐng)域,催生出以“非感光、低成本、無污染、高度自動(dòng)化”為特征的納米綠色制版技術(shù),將推動(dòng)我國(guó)印刷行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步,成為取代激光照排和計(jì)算機(jī)直接制版技術(shù)的前沿印刷制版技術(shù)。量子密碼:未來網(wǎng)絡(luò)通信安全守護(hù)神二十一世紀(jì)的今天,我們過多地依賴網(wǎng)絡(luò)去工作和生活,網(wǎng)絡(luò)通信、電子商務(wù)、電子金融大量敏感信息通過網(wǎng)絡(luò)去傳播,為了保護(hù)個(gè)人信息的安全性,防止被盜和篡改,信息加密成為解決問題的關(guān)鍵點(diǎn)。有沒有絕對(duì)可靠的加密方法?加密密鑰被竊取或破譯的可能性有多大?在物質(zhì)科學(xué)量子尺度的研究領(lǐng)域里,量子密碼

5、研究給了我們一個(gè)很好的答案。白春禮指出,經(jīng)典的保密方式理論上已經(jīng)被證明是可以破解的,而基于量子學(xué)原理的保密方式,則在理論上是不可破解的。量子密碼術(shù)是密碼學(xué)與量子力學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物。這種加密方法是用量子狀態(tài)作為信息加密和解密的密鑰。簡(jiǎn)單來說,量子加密就是利用具有特殊量子性質(zhì)的光子產(chǎn)生密碼的技術(shù),量子的一些神奇性質(zhì)是量子密碼安全性的根本保證。他舉例說,2004年在北京與天津之間成功實(shí)現(xiàn)了125公里光纖的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的量子密鑰分配,解決了量子密碼系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。2007年,在北京商用光纖上實(shí)現(xiàn)了40公里范圍內(nèi)四用戶的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)。2009年國(guó)慶60年慶典,在關(guān)鍵區(qū)域之間也構(gòu)成絕對(duì)安全的實(shí)時(shí)語音加密量子通

6、訊熱線,保證了信息傳遞的安全和準(zhǔn)確性。量子通信技術(shù)的發(fā)展,讓人們看到了信息安全的曙光,但是白春禮同時(shí)指出應(yīng)用的一個(gè)難題:光纖存在固有的光子損耗,所以光量子傳輸難以通過光纖向遠(yuǎn)距離拓展。因?yàn)榻孛孀杂煽臻g通道會(huì)受地面障礙物、地表曲率、氣象條件的影響,因此光量子傳輸難以在地面自由空間中向遠(yuǎn)距離拓展。但在自由空間中,環(huán)境對(duì)光量子干擾極小,如果光量子穿越大氣層進(jìn)入外層空間,損耗更接近于零,所以利用衛(wèi)星平臺(tái),克服地表曲率的量子通信技術(shù)已經(jīng)在研究之中。微觀物質(zhì)研究:解密奇幻未知空間宇宙是怎樣形成的?通過將高度活躍的質(zhì)子以超快速度撞擊到一起,可以上演微縮版的“宇宙大爆炸”。以“小”見“大”,兩顆微小的質(zhì)子竟

7、能揭示宇宙起源的奧秘,這正如白春禮所說,在物質(zhì)科學(xué)的研究中,宏觀、微觀是有著密切聯(lián)系的。物質(zhì)科學(xué)中,還有空間尺度和未知尺度的研究。空間尺度研究的基本科學(xué)問題,是天體提高分辨率觀測(cè)方法,天文甚長(zhǎng)基線干涉技術(shù)推動(dòng)了我國(guó)探月工程的進(jìn)程;在未知尺度領(lǐng)域里,暗物質(zhì)和暗能量的發(fā)現(xiàn),大尺度的天文觀測(cè)技術(shù)和微觀粒子的實(shí)驗(yàn)探測(cè),將使物質(zhì)世界得到全新認(rèn)識(shí)。在談到未知尺度的研究時(shí),白春禮指出,暗物質(zhì)和暗能量是二十一世紀(jì)最大的科學(xué)之謎,暗物質(zhì)存在于人類已知的物質(zhì)之外,已知物質(zhì)的能量和暗物質(zhì)的能量相比小于三分之一。暗物質(zhì)的問題源于天文觀測(cè),但最終解決則依賴于物理學(xué)與天文學(xué)的結(jié)合,它是天文學(xué)與物理學(xué)的交叉與融合的前沿。從

8、宇宙、地球、分子、原子、電子到物質(zhì)結(jié)構(gòu),對(duì)物質(zhì)科學(xué)的深入認(rèn)識(shí),將拓展對(duì)已有重要科技概念的理解,開辟新的研究領(lǐng)域,萌芽若干變革性科學(xué)技術(shù),進(jìn)而帶動(dòng)行業(yè)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。二、暗物質(zhì)和暗能量也許根本不存在神秘的暗物質(zhì)和暗能量的確切性質(zhì),一直是天文學(xué)界爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。然而英國(guó)天文學(xué)家的最新研究卻發(fā)現(xiàn),據(jù)以確定宇宙物質(zhì)組成的標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型可能是錯(cuò)誤的,暗物質(zhì)和暗能量也許根本就不存在。自上個(gè)世紀(jì)60年代宇宙微波背景輻射被發(fā)現(xiàn)后,作為“大爆炸”的遺跡,其被眾多天文學(xué)家作為構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型的基礎(chǔ),而關(guān)于宇宙物質(zhì)構(gòu)成的確認(rèn)也主要依據(jù)宇宙微波背景輻射圖譜的分析。2001年6月,美國(guó)宇航局(NASA發(fā)射了威爾金森微波各向異性

9、探測(cè)器(WMAP,該探測(cè)器在宇宙學(xué)參量的測(cè)量上提供了許多比早先儀器更準(zhǔn)確的數(shù)值,依據(jù)它提供的數(shù)據(jù),宇宙是在不斷加速膨脹的?？茖W(xué)家據(jù)此提出是暗能量、暗物質(zhì)的存在導(dǎo)致了宇宙的加速膨脹。認(rèn)定宇宙是由4%的“正?！蔽镔|(zhì),如行星、恒星、小行星和氣體等、22%的即不輻射也不吸收光線的暗物質(zhì)和74%的暗能量組成。而英國(guó)達(dá)勒姆大學(xué)的湯姆·尚克斯教授和他的學(xué)生尤坦恩·薩萬維特在向英國(guó)皇家天文學(xué)會(huì)提交的最新研究報(bào)告中卻稱,他們對(duì)WMAP望遠(yuǎn)鏡的圖像平滑方式進(jìn)行了更為細(xì)致的分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),圖像的平滑處理程度遠(yuǎn)比以前認(rèn)為的要大,這意味著對(duì)宇宙微波背景輻射的測(cè)量并不像過去認(rèn)為的那樣準(zhǔn)確,實(shí)際的微波背景輻射起伏遠(yuǎn)比過去認(rèn)為的要小得多,而目前據(jù)此建立的的宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型可能是錯(cuò)誤的,暗物質(zhì)和暗能量也許根本不存在。尚克斯教授則表示,宇宙微波背景輻射是一個(gè)十分有用的分析工具,但還不足以用來作為判定宇宙中暗物質(zhì)和暗能量存在的充分證據(jù)?！叭绻覀兊慕Y(jié)果是正確的,那么關(guān)于暗物質(zhì)和暗能量充斥宇宙的說法就不會(huì)再有說服力?！彼赋?目前的宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型需要經(jīng)過更多的檢驗(yàn)， 希望正在服役的歐洲普朗克衛(wèi)星會(huì)收 集更多的宇宙微波背景數(shù)據(jù)， 并提供更多關(guān)鍵信息以助科學(xué)家解答關(guān)于宇宙的一 系列基礎(chǔ)問題。 總編輯圈點(diǎn)： 就人類認(rèn)識(shí)自然而言，宇宙學(xué)是古老的學(xué)科，也是年輕的學(xué)科。從