长期以来,有一神奇的现象导致研究人员无法实现可控自持续核聚变反应。然而,最近美国物理学家表示,他们可能找到了解决该谜团的途径。研究人员认为,如果新提出的解决方式被实验验证是正确的话,那么将帮助人们消除核聚变发展的一个主要障碍,使核聚变成为清洁且丰富的电力来源。
 
核聚变遭难题
 
美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室的科学家在一项深入分析中,将目标锁定于核聚变实验中高温带电气体——等离子体内那些微小的、如同气泡的、被称为岛屿的区域。这些岛屿含有能让等离子体降温的杂质。科学家认为,正是这些岛屿构成了人们熟悉的“热密度界限”问题的基础,它阻碍了核聚变反应堆最高效运行。
 
当等离子体的温度和密度足够高时,包含在其中的原子核结合并释放出能量,形成了人们所说的核聚变。然而,在托卡马克环实验反应堆中的等离子体达到神秘的“热密度界限”时,等离子体能旋转形成闪光,温度下降。
 
科学家认为,等离子体中出现众多岛屿带来了双重破坏。除了导致等离子体温度下降外,这些岛屿还如同防护罩那样阻止更多的能量来加热岛屿内的等离子体。当从岛屿中溢出的能量超过人们能够通过欧姆加热过程为等离子体添加的能量时,平衡被打破。当岛屿生长到足够大时,用于帮助加热和束缚等离子体加热的电流出现崩溃,等离子体四散开来。
 
大卫·盖茨是美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室的物理学家,他和实验室博士后研究员、来自麻省理工学院等离子体科学核聚变中心的访问学者路易斯·德尔嘎多-阿帕瑞奇欧共同提出了解决核聚变“热密度界限”问题的方案。盖茨表示,令人不解的是为何给等离子体增加更多的热能却仍然无法让其达到更高的热密度,这点十分关键,因为热密度是实现核聚变的重要参数。
 
归纳出新知
 
盖茨称他们偶然发现的理论为“10分钟‘啊哈’时刻”。通过将注意力放在等离子体中的岛屿和带走能量的杂质,他们在办公室白板上推算出了对应的方程式。杂质源于等离子体冲击托卡马克环壁时产生的粒子。德尔嘎多-阿帕瑞奇欧表示,当等离子体的密度达到神秘的“热密度界限”时,等离子体中便出现了众多含有杂质的岛屿并发生瓦解。
 
麻省理工学院物理学家马丁·格林沃德推导出描述“热密度界限”的方程,因而“热密度界限”也称“格林沃德界限”。对出现“热密度界限”的原因,格林沃德有着自己的解释,他认为,当湍流出现能引起等离子体边缘冷却并将过多离子挤压进等离子体核心狭小空间的起伏时,就会出现“热密度界限”,导致电流不稳定和崩溃。他表示,有相当多的证据能够验证他的观点,但同时他承认其观点也有不足之处,并欢迎新的思想。盖茨和德尔嘎多-阿帕瑞奇欧提出的理论代表着试图解决“热密度界限”的新途径。
 
盖茨和德尔嘎多-阿帕瑞奇欧将过去数十年中人们掌握的线索整合起来建立了他们的研究模型。盖茨本人是1993年在位于英国阿宾顿的卡尔汉姆核聚变能源中心做博士后研究时首次听说“热密度界限”的。早期,“热密度界限”曾以卡尔汉姆核聚变能源中心科学家简·胡吉尔命名,胡吉尔向盖茨详细地介绍了“热密度界限”。
 
对于等离子体岛屿问题,科学家曾单独地发表了论文。上世纪80年代中期,法国物理学家保罗-亨利·芮布特在一次会议上介绍了辐射形成的岛屿,但是没有刊登在杂志上。大约10年后,德国物理学家沃尔夫冈·苏特偌普推测岛屿与“热密度界限”相关。盖茨表示,苏特偌普虽然没有将等离子体岛屿直接与“热密度界限”联系起来,但是他的研究文章事实上启发了自己的研究。1996年,盖茨与苏特偌普同在德国马普等离子体物理研究所从事过托卡马克实验,转年才进入普林斯顿等离子体物理实验室工作。
 
2011年初,关于等离子体岛屿问题几乎从盖茨脑海中消失。然而,与德尔嘎多-阿帕瑞奇欧进行的一次涉及Alcator C-Mod托卡马克中等离子体发生岛屿的交谈,重新点燃了他对该问题的兴趣。德尔嘎多-阿帕瑞奇欧提到普林斯顿等离子体物理实验室的科学家在上世纪80年代首次观察到等离子体中出现螺丝锥形状气团的现象,德国物理学家亚瑟·韦勒为报告此现象的第一人。
 
在交谈后,盖茨让德尔嘎多-阿帕瑞奇欧查阅芮布特和苏特偌普的文章。8个月后,德尔嘎多-阿帕瑞奇欧给盖茨发送了一份电子邮件,阐述了螺丝锥形状气团的行为。最让盖茨感到激动的是暗示着“热密度界限”的岛屿生长方程,它是对英国物理学家保罗·卢瑟福基于上世纪80年代相关研究推导出的方程式进行修改而来。盖茨认为,如果苏特偌普对岛屿的认识是准确的,那么这个方程应该描述的是“热密度界限”。
 
盖茨和德尔嘎多-阿帕瑞奇欧在办公室中进行演算时发现,他们并不需要整个方程式,仅仅将重点集中在等离子体电子密度和岛屿热辐射,便推导出描述热损耗超过电子密度的方程式。这转而帮助他们寻找到了有望是隐藏在“热密度界限”背后的机理。
 
在谈及科学家过去为何没能获得类似的热密度界限理论时,盖茨认为,答案在于相关的研究思想渗透或传播至科学界的过程。热辐射形成岛屿的观点从没有公开得到大量的报道,人们仅仅视其为有趣的观点。人们通常通过出版物传播信息,然而“热密度界限”的理念最初没有传播开来。
 
盖茨和德尔嘎多-阿帕瑞奇欧希望能够在麻省理工学院名为Alcator C-Mod的托卡马克核聚变环装置以及圣地亚哥通用原子公司的DⅢ-D托卡马克环上,通过实验验证他们的理论。其中的目标之一是他们打算了解能否通过直接向等离子体的岛屿注入能量让其具有更高的密度。如果能够提高密度,那么未来的托卡马克环就能达到极高的热密度,实现核聚变所需的1亿摄氏度的温度。
 
征服“热密度界限”难题将为未来托卡马克环装置实现自持续核聚变反应发电提供改进的途径,这其中包括取代国际热核实验反应堆(ITER)的核聚变装置。国际热核实验反应堆由欧共体、美国及其他5个国家共同支持建造,其造价达200亿美元。
 
 
 
 
 
 

 

    不久前,我国刚刚诞生了一项重大物理成果。大亚湾国际合作实验首次发现了中微子的第三种振荡模式,并获得了精确的测量数值。大亚湾中微子实验的新发现不仅令全世界科技工作者为之振奋。

  最“热”中微子

  中微子,是构成物质世界的基本粒子。恒星内部的核反应,超新星的爆发,宇宙射线与地球大气层的撞击,核反应堆的运行,以至于地球上岩石等各种物质的衰变,都能产生中微子。每秒钟,都有几万亿个中微子自由地穿过人体。

  虽然中微子无所不在,但是由于穿透力极强,而且几乎不与其它物质发生相互作用,很难被探测到,因此它也是基本粒子中人类所知最少的一种。提出中微子存在假设的奥地利物理学家泡利甚至说:“天啊!我预言了一种永远找不到的粒子。”所以有人称之为“幽灵粒子”。它像一只看不见的手,控制着微观世界的基本规律。

  小小的中微子在微观物理粒子规律和宏观的宇宙演化中都有着重要地位,甚至可能与宇宙中的反物质消失之谜有关。因此,对它的研究远远超出了粒子物理的范畴,是粒子物理、天体物理、宇宙学、地球科学的交叉与热点学科。

  经过六十多年的科研探索,中微子研究取得了巨大进步,先后有三次重大进展获得了诺贝尔物理学奖。尽管如此,至今仍有许多关于中微子的谜团尚未解开。其中,首要亟需解决的问题就是精确测定中微子混合参数θ13.

  由于这个数值的不确定性,中微子物理研究目前已经走到了一个岔路口,如果这个值很小或者没有,那么全世界研究中微子的科学家们将共同面临一个尴尬局面:不知道未来中微子研究该向何方发展。可以说,θ13数值的大小决定了未来中微子物理研究的发展方向。

  大亚湾实验便是瞄准了θ13的精确测量。因此,在大亚湾地下100米进行的中微子实验,受到全世界粒子物理学家的热切关注。

  这个难以捉摸的参数首次被精确测量,极大地振奋了国际高能物理界。实验成功后,多个国际顶尖机构纷纷发来贺电。

  美国Arogonne国家实验室物理部主任Harry Weetrs教授表示,“现在,我们终于可以更精确的部署未来的中微子研究计划了”。

  日本T2K大型粒子探测实验的发言人表示,中微子震荡实验带来的光明前景令人激动不已,“或许在我们有生之年就可以揭开物质层次的奥秘。”

  基础研究就是这样,或许现阶段看似“不实用”,但却可能成为千百年后各种重大发现诞生的摇篮。

  “拼抢”得“险胜”

  关于这个值的测量,国际上曾提出了8个较为成熟的实验建议,最终进入建设阶段的共有3个:中国的大亚湾实验、法国的Double Chooz实验和韩国的RENO实验。

  从一开始,我们就站在了国际竞争的跑道上。

  在大亚湾实验发布结果后的一周,韩国也发布了类似的实验结果。

  经历了漫长的建设过程,大亚湾实验最后以一周的时间之差取得了领先,这其中,凝结着许多人辛勤的汗水,更凝结着中国科学家的智慧与远见。

  大亚湾实验早在2003年就提出了实验和探测器设计的总体方案;经过各种前期考察、论证,于2006年获得批准,正式立项;2007年10月破土动工,期间克服了重重前所未遇的困难,安全完成了核岛附近3000多次爆破、3000米地下隧道和5个地下实验厅的基础建设,完成了6个中微子探测器的研制和装配。

  参与单位多、异地建设等因素给工程带来了相当大的困难。

  为了保证安全万无一失,隧道建设比预计延误了约2年时间,国际上一度认为中国不可能第一个得到实验结果。

  在进度“落后”的情况下,大亚湾项目组科研、工程人员在探测器安装、取数计算等工作上,生生“抢”回了一年时间,赶在竞争对手前第一个发表了实验结果。

  在时间上,比韩国RENO实验仅仅领先了一个星期,大亚湾中微子实验结果的取得充满了“惊险”。

  工程进展环环相扣,往往是“牵一发而动全身”,所有工程人员为了整体进度而加班加点已经成为了常态。

  甚至有一次,装配探测器的大吊车上的一个特制螺栓坏了,为了不影响整个工程各方的施工进度,工程人员亲自坐飞机去取,在机场完成交接后马上返回。在这种情况下,连快递都显得太“慢”了。

  为了大亚湾实验能早日取数,每一个“大亚湾人”都克服了种种家庭、生活上的困难,长期出差,连夜鏖战。参与工程的一位工程师在工程关键时期每晚工作到半夜两三点,春节后爱人来探亲,他还是每天半夜两三点才回家,两人几乎见不到面。结果他爱人住了几天后,一气之下拎包走了。

  为了中国的科学实验能够在国际上抢得先机,几乎每一位参与施工建设的工程人员都默默奉献了许多,在这里,他们不仅仅是在工作,而是在“为国争光”。有一位现场的工作人员曾发自内心地说“小时候想当科学家,现在虽然当不了科学家,但是能和科学家在一块儿工作,我感到非常荣幸。”

  记者在采访的过程中,能感觉到每一位参与工程的人,在回忆起那些“苦事儿”的时候,都透着一种难掩的幸福。

  很多参加大亚湾中微子实验的科学家是因为热情而加入,这个实验寄托了他们的理想,他们自喻为“一群勤劳的蚂蚁”,工作在没有阳光、阴暗潮湿的隧道,凭着超凡的创造力,用智慧和劳动建造了一个美丽的科学宫殿,在中微子物理研究领域留下了浓墨重彩的一笔。

  数据分析环节是我国科研人员“抢”到的另一个先机。实验得到的数据是在第一时间被同步传输到北京高能所和美国的,但最终是中国首先出了结果。并且在最终的物理结果中,虽然有中美两方结果的相互校验,但发表的文章中采用的正式结果是中方的。其物理分析的高速度、高水平甚至被国际上评价为“极其罕见”。

  在一次采访中,该实验项目副经理、文章执笔者和通讯作者曹俊向记者透露这背后的“秘密”:国际合作组正式成立不久,大亚湾实验中方的物理分析组便提前开发出了相应的数据分析软件,并进行了多次的模拟演练,为日后的实战分析积累了经验,加上在紧张的数据分析冲刺阶段,数据分析小组夜以继日的努力,因此比美方先得到了高质量的分析结果。

  合作开“先河”

  大亚湾实验的独特设计加上得天独厚的环境优势,使美国能源部因此放弃自己的2个方案,转而加入中国的大亚湾实验,这也是美国高能物理在海外的第二大投资。

  大亚湾中微子实验项目共有11个经费来源,合作单位多达38个,约有250位科学家参加试验。

  在这场声势浩大的国际合作项目中,中方毋庸置疑占据了主动。

  得益于特殊的实验设计并充分利用环境因素,大亚湾实验在国际同类实验中设计精度最高,在中微子实验中前所未有,这其中包含了多项科技创新:

  该实验是唯一采用统一实验室多模块探测器的中微子实验,提高了精度与可靠性,该设计得到了国际上的广泛关注与赞同;

  首次提出在探测器内的上下都采用反射板,大大节省了造价;

  首次研制了性能优异的、基于烷基苯的掺钆液体闪烁体,解决了一直以来困扰科研人员的液闪使用寿命问题。针对掺钆液体闪烁体的关键技术环节,中美等各方曾经提出了多个方案,原则是“谁的方案好就用谁的”。经过讨论和第三方的“盲评”,中方的方案最终胜出,成为项目组一致公认的选择。

  这一系列的创新之下取得的实验成果,为中国的高能物理界挣得了荣誉。

  曹俊说,众所周知,美国人在工程方面有着很强的实力,但为什么大亚湾实验中,各方面都是中国人做得好?他总结道,该项目的首席科学家、项目经理,中科院高能所所长王贻芳始终强调要把大亚湾实验“当成我们自己的事情”、“不要等美国人”,正是在这种理念的影响下,每个参与人员都把整个实验当作自己的事情认真对待。

  当然,国际合作也给中方带来不少的益处。王贻芳说,国际合作不仅在推动项目立项、解决关键经费缺口、增强项目的国际影响力等方面给予实验巨大的帮助之外,还加强了我们的竞争意识,大大推动了工作进程,同时在人才培养方面也有好处,“在国内就可以参与国际竞争”。

  “过去是我们出国学习,现在别人来参加我们的实验”。王贻芳表示,大亚湾实验将我国的中微子研究带入了国际前沿,极大地提升了我国在探测器设计和建造方面的国际声誉,开创了国际合作的新局面。

  后继有“新”人

  我国高能物理基础相对薄弱,中微子研究在此前更几乎是空白。曹俊曾说过,“在这次大亚湾实验中,我们能来的科学家都来了。”

  这其中,有一大批是年轻人。王贻芳感慨,“创新都是来自年轻人,年轻人在这里面做了国际上最好的工作!”

  大亚湾实验的团队中不乏“80后”,甚至还有“90后”的年轻科研人员在实验中做了重要的工作。

  王贻芳透露,大亚湾实验项目已培养博士后2名,博士19名,硕士1名,其中7人获得“中科院三好学生”、“所长优秀奖学金”等荣誉。此外还有多名实际参与工作的学生,也都从这个项目获益良多。

  大亚湾中微子实验整个项目前后共经历了八年时间,项目负责人王贻芳说,建设期间国内几十家单位100多人,能力往一处使,老同志、中年人、年轻人,每个人都奉献了很多。“整个项目没有花俏的表面文章,经费的使用、人员的工作,都经得起历史的考验。”

 

 

    中新网4月29日电 据俄新网报道,俄罗斯飞行控制中心一名官员透露,俄“进步M-14M”号货运飞船4月19日离开国家空间站之后,根据接到的指令前往它的最终“归宿”——位于太平洋南部海域的一座宇宙飞船“坟场”。

  这名官员说:“这艘货运飞船的发动机于莫斯科时间17点46分点火减速。预计,在进入大气层后未烧毁的飞船碎片将于18点39分坠入太平洋海域的飞船坟场。”

  他还透露,从4月19日至28日,空间站宇航员在这艘货运飞船上实施了代号为“雷达-进步”的多项试验。

 

 

 

    香港特区政府新闻网29日消息,香港中文大学日前成功研制出一个“脑机接口”系统,可将脑电波转换成繁体中文字,让全身瘫痪而无法说话的病人,有机会打开心窗。

 

  据介绍,病人只要戴上有16个接触面的无线脑电波接收器,面向计算机屏幕上的中文笔划输入接口,想着自己要写的笔划,接收器便能接受到笔划的指令,将中文字逐笔写出来。据悉,这一系统采用了近似香港手机最常用的T9笔划输入法,只需要横、竖、撇、捺、勾五种笔划。系统运作时,使用者只需要输入单字起初的几个笔划,系统就会自动搜寻可能适合的单字给使用者选择。

 

  目前,类似于“你好”、“午安”、“中文大学”等简单的短句子或词语,由接受、识别到翻译过程完成,需要3至5分钟,而且准确度会因环境和使用者情绪的变化而出现差异,最高有七至八成。研究团队表示,系统无疑比直接说话、手语或手写表达慢上数十倍,然而对于严重瘫痪的病人来说,他们可以说是身处完全“与世隔绝”的世界,新系统突破障碍,令他们可以表达自己,即使只是简单词组,已是难能可贵的“零的突破”。

 
  香港特区政府信息科技总监赖锡璋表示,外地已有类似研究项目,可利用脑电波转换成英文字幕,这次中文大学的项目可说是首次输入中文的装置。

 

  这一研究项目,是特区政府信息科技总监办公室《无障碍辅助科技研发基金》的九个资助项目之一,项目展览会将于5月11日至14日在香港中央图书馆举行。

 

 

    北京时间4月28日消息,本周二,美国宇航局宣布,SpaceX公司研制的“龙”(Dragon)号飞船的预计发射日期将被推迟,目前计划于5月7日升空。SpaceX公司认为他们需要更多的时间用来对设备硬件和数据进行测试和检查,随后还将对飞船整体进行测试检查。

  原定计划是于美国当地时间4月30日,即北京时间5月1日当天发射,“龙”号飞船按计划将首次抵达国际空间站并与之对接。现在这一发射计划已经被推迟至5月7日进行。在一份声明中,SpaceX公司表示:“在对我们目前的进展进行评估之后,很明显我们需要更多的时间来完成硬件测试,并妥善检查所有数据。”

  该公司本周二早些时候曾经表示发射推迟将到5月3日为止,但是随后美国宇航局决定将发射推迟至7日进行。在一份新闻稿中,美国宇航局表示:“我们对SpaceX公司方面腾出必要的时间来确保此次历史性的发射取得成功表示赞赏。我们将继续和SpaceX公司通力合作,确保5月7日的发射活动和随后与国际空间站的首次对接顺利进行。”

  “龙”号飞船是一种可重复使用飞船系统,目前的设计是用于货物运输,但是也可以经过改造用来运送多达7人的宇航员进入太空执行任务。在2010年8月份,“龙”号飞船首次发射升空,在那次飞行过程中它围绕地球运行了两周,随后在太平洋上安全降落。

  美国宇航局希望以SpaceX以及轨道科学公司等为代表的美国民间私营航天企业能尽快完全填补上由于去年航天飞机的完全退役而引发的美国载人航天方面的真空期。目前SpaceX和轨道科学两家公司手中一共握有来自美国政府的价值高达35亿美元的轨道货物运送合同。

  麦克·霍克恰克(Mike Horkachuck)是美国宇航局SpaceX项目执行官,他表示“龙”号飞船的发射几乎就是当年阿波罗计划的预演。他说:“你必须先执行水星计划,然后执行双子星计划,最后才实现了阿波罗计划,一切循序渐进。现在的情况也是一样,我们并不打算现在就要去月球或是实现其他什么雄心勃勃的目标,我们只是刚刚开始尝试商业化太空航行方案。”