|
本届诺贝尔奖科学类奖项得主共有8位学者，美国共有3位诺奖得主，日本有2位，中国有1位（屠呦呦因青蒿素的发现获得生理学或医学奖），加拿大、瑞典各1位。 在这些诺奖得主中，有3位曾为《科学美国人》撰稿。其中，物理学奖得主梶田隆章（Takaaki Kajita）在1999年8月号的《科学美国人》上与另外两位作者一起发表文章《探测有质量的中微子》（Detecting Massive Neutrinos）；物理学奖得主阿瑟·B·麦克唐纳（Arthur B. McDonald）曾在2003年4月号的《科学美国人》上与另外两位作者一起发表文章《解决太阳中微子问题》（Solving the Solar Neutrino Problem）；化学奖得主保罗·莫德里奇(Paul Modrich)曾在2006年6月号《科学美国人》上发表文章（Engineering Life: Building a Fab for Biology，见《环球科学》2006年7月号《组装生命的生物工厂》）。作为《科学美国人》中文版，我们十分荣幸地宣布，迄今已有155位诺贝尔奖得主为《科学美国人》撰写了249篇文章。 让梶田隆章获奖的超级神冈探测器的工作完成于1998年，让阿瑟·B·麦克唐纳获奖的萨德伯里中微子天文台的工作完成于2002年，两位科学家均在成果发表的次年，就为《科学美国人》撰文，介绍自己的重大发现。《环球科学》会与《科学美国人》一样，始终关注全球重大研究，和读者一起站在科学的前沿。今天你在《环球科学》上看到的报道，它们的作者也许在若干年后也会成为诺贝尔奖得主。 下面，我们就给出几位科学家当年为《科学美国人》撰写的文章，一起重温科学史上那些激动人心的重要时刻。 探测有质量的中微子（Detecting Massive Neutrinos） 来自《科学美国人》1999年8月号 撰文 爱德华·卡恩斯（Edward Kearns） 梶田隆章（Takaaki Kajita） 户塚洋二（Yoji Totsuka） 一个人的废品可能是另一个人的宝藏。对于物理学家来说，背景噪音是废品，信号则是宝藏。在过去的二十年来，好几个团队都在寻找质子的衰变，这是极为罕见的信号（如果真的存在的话）。如果真能找到质子的衰变，就将成为支持大统一理论的有力证据。迄今为止，物理学最成功的理论是标准模型，而大统一理论（Grand Unified Theory）则是有希望超越标准模型的候选理论。为了减小误差，探测本就十分罕见的质子衰变过程，科学家将探测器建造在极深的地下，然而就算如此，来自宇宙射线，具有极强穿透能力的中微子，还是会对设备造成影响。 日本的神冈探测器（Kamiokande）就是第一代的质子衰变探测器，它运行于1980～1995年，没有找到任何质子衰变的迹象。然而，就在寻找质子衰变的过程中，研究者却发现本来平常的中微子背景有一些难以理解了。通过对1 000次中微子与水分子反应的数据信息，我们发现中微子似乎可以在不同类型（称为“味”）之间互相转换，一旦证实，这一发现的重要性不亚于发现质子衰变。 在粒子物理学领域，取得进展的最常见方式就是建造一个大型机器，因此，神冈探测器的升级版“超级神冈探测器”（Super-Kamiokande）就诞生了。这一探测器中装了50 000吨水，一旦从宇宙来的中微子与水分子中的质子发生反应，就会产生切伦科夫光（Cherenkov light）。切伦科夫光锥会产生一个光环，从而可被周围的光子探测器探测到。不同的中微子所产生的光环在大小、形状和强度方面有所不同，因此可从中辨别中微子的种类。 我们怎么知道共有多少中微子呢？超级神冈探测器探测的是大气中微子，主要来自于宇宙射线。知道了大体上每秒有多少宇宙射线撞击大气，我们就能预测每秒我们能遇到多少中微子。但这个预测实在太粗略，怎么办呢？我们就采用测量两种中微子比例的方法。不管有多少宇宙射线撞击到大气层，根据理论预测，μ中微子的数目应该始终是电子中微子的两倍。经过两年的观察，超级神冈探测器团队发现μ中微子与电子中微子的比值约为1.3比1，而不是预料中的2:1，而造成这个结果的原因只有一个，就是中微子从一种类型转变成了另一种类型，即μ中微子转变成了τ中微子。 解决太阳中微子问题（Solving the Solar Neutrino Problem） 来自《科学美国人》2003年4月号 撰文 亚瑟·B·麦克唐纳（Arthur B. McDonald） 乔舒亚·R·克莱因（Joshua R. Klein） 戴维·L· 沃克（David L.Wark） 为什么为了研究太阳，要在两千米深的地下建一幢10层的楼房？这听起来实在有点奇怪，但这一设备——萨德伯里中微子天文台（Sudbury Neutrino Observatory），却成了解开太阳中物理过程之谜的关键。早在1920年，英国物理学家爱丁顿就提出太阳的能量来源是核聚变，但验证这一猜想的努力在20世纪60年代却遇到了巨大阻碍。按照理论预测，太阳中的核聚变会放出一定量的中微子，但实际观察到的中微子数量却远小于预测值，这一“中微子失踪之谜”让物理学家倍受困扰。 标准模型认为有三种完全不同的中微子：电子中微子，μ中微子和τ中微子，并且它们都是无质量的。太阳中心的核聚变只会产生电子中微子，因此早期实验只集中寻找电子中微子的踪迹，如将氯原子转变为氩原子等等。然而，实验表明，标准模型是不完备的，中微子的三种“味道”并不泾渭分明，而是以某种方式混合在一起，这也就是太阳发出的电子中微子神秘消失的原因：它们变成了其他类型的中微子。对于中微子“味”的改变，最受欢迎的解释是中微子振荡（neutrino oscillation），即中微子的三种味都是由不同质量状态混合而成。支持此解释的最强证据来自于1998年日本超级神冈探测器的发现（也就是上一篇文章的内容），但超级神冈的实验结果并没有排除中微子通过其他机制消失的可能。 与此前其他中微子观测设备不同的是，SNO采用重水（即其中的氢原子比普通氢原子多了一个中子），而不是普通水来探测中微子，中微子在经过这1 000吨重水时，一旦发生反应，就会产生高能电子，通过切伦科夫光被探测到，这使它可以直接对三种中微子平等地计数，继而确认此前观察到的中微子“失踪”不是观测误差，也不是因为爱丁顿的理论错了，中微子的确是通过中微子振荡的过程发生了转变，最终证实了太阳能量来自核聚变。 组装生命的生物工厂（Engineering Life: Building a Fab for Biology） 来自《科学美国人》2006年6月号，《环球科学》2006年7月号 撰文 生物工厂研究小组（Bio Fab Group），包括2015年诺贝尔化学奖获得者保罗·莫德里奇(Paul Modrich) 点击这里，阅读《组装生命的生物工厂》全文。这篇文章，曾让很多读者第一次知道了“合成生物学”这个新兴研究领域。 |
|
|
