自然界中同型手性起源的难题

手性和对称破缺是自然界的重要客观存在.从微观的粒子和分子到宏观的物质和宇宙星系,均存在不同水平的手性和对称性破缺,寻找它们的内在统一性是著名的科学难题.本文对2005年美国Science杂志公布的125个科学前沿问题之一"自然界中同型手性的起源"进行了解读,特别关注同型手性对生命起源和生命体系的重要意义,概述介绍了国内外学者的相关研究假说、理论和进展.     

测量角度下的平行宇宙

从测量的宏观、微观两个角度分别引出平行宇宙的概念。从宏观的角度,回顾了古代由于恒星视差的消失引起的恒星测距的难题。介绍了近代的标准烛光测量法、哈勃的宇宙尺度红移测量法,以及大爆炸宇宙假说战胜稳恒态宇宙假说。最终,由宇宙暴胀理论引出第一层平行宇宙和第二层平行宇宙。从微观的角度,由牛顿炼金术的失败引出4种基本力和量子力学。介绍基本粒子的测量不确定性以及薛定谔提出的波函数。对波函数诠释的主流思想是标准的哥本哈根解释,而埃弗雷特特的平行宇宙解释引导出的第三种平行宇宙,即量子力学的平行宇宙,目前逐渐被广泛地接受     

能否发展关于湍流动力学和颗粒材料运动学的综合理论?

自然界和工程应用中遇到的流动绝大部分是湍流问题.湍流流动中包含了不同尺度的旋涡,如何准确地定义湍流仍十分困难,湍流动力学的理论体系仍尚未完成.颗粒流是固相颗粒以气相或液相为载体的流动,缺乏普适的本构方程,处理颗粒运动时无法将微观的颗粒尺度与宏观的流场尺度分开.本文介绍了湍流和颗粒流的基本特性、研究的理论和方法,分析了湍流和颗粒流研究所面临的挑战.     

有限容积法与格子Boltzmann方法耦合模拟传热流动问题

自然界和工程领域中的许多物理现象的发生通常涵盖几个数量级的几何空间及时间范围, 我们将其统称为多尺度物理现象. 在模拟多尺度问题时, 如果仅采用宏观方法, 则会存在一些不足, 如无法预知微小部分的细节以及引入复杂的经验关联式; 如果仅采用介观/微观方法, 则需要消耗大量的计算资源. 构造宏观-介观、宏观-微观、宏观-介观-微观等多种层次上方法的耦合体系, 可以在很大程度上克服这些不足. 构造了宏观有限容积法(FVM)与介观格子Boltzmann方法(LBM)的耦合模型(CFVLBM), 给出了由宏观物理量重构密度分布函数和温度分布函数的两个重构算子, 解决了LBM与宏观方法耦合的关键难题. 选取二维、三维典型传热流动问题对耦合模型进行了考核, 计算结果同基准解符合得很好. 最后将CFVLBM应用于计算多孔介质内的复杂流动问题. 研究表明, 基于文中重构算子的CFVLBM可以准确有效地应用于模拟传热流动问题.     

地震知识问答

1.地震有前兆吗? 地震前,在自然界发生的与地震有关的异常现象,我们称之为地震前兆,它包括微观前兆和宏观前兆两大类.     

聚式流态化向散式流态化过渡的离散粒子模拟

流态化系统广泛存在于自然界和工业过程中,但对其认识还很有限,主要原因是它的强非平衡性.颗粒与流体间复杂的相互作用导致系统常处于非线性非平衡状态下,形成多尺度的高度不均匀的耗散结构.这些耗散结构的尺度要比相应的单相系统中的流动结构小得多,而颗粒的尺度又要比流体分子大几个到十几个量级,因此很可能找不到满足宏观足够小而微观足够大的尺度.而该尺度的存在是目前流态化系统的主要模拟方法──拟流体模型和颗粒轨道模型(在经验地描述颗粒流体相互作用时)的基本前提.虽然这两种方法都得到了实际应用,但从机理研究的角度看,仍有很多局限.     

全球构造的反对称性及其动力学意义

空间位置与几何形态的对称性,是宇宙中普遍存在的基本特征,它是决定物体静态稳定与动态平衡的重要条件,也是控制自然界相互作用的重要因素.物理学中的守恒定律经常是某种基本对称性的结果,反物质概念的提出也是从对称性出发的地球作为在宇宙中旋转运动的一颗行星,总体上是一个几何对称的椭球体.然而它的全球构造特征却具有一种特殊形式的对称性一反对称性,其含义是全球尺度区域的构造在空间位     

图行天下

地球无疑是整个宇宙中最为神秘的星球之一。从古至今,人类都一直在为了解和认知地球付出不懈的努力。或许,我们能从以下这些或宏观或微观折照片中,领悟出一些地球科学的奇妙之处,并对我们也许一辈子都不可能亲历的事件有一份直观的感知。     

考虑微裂缝的数字岩心多点统计学构建方法

页岩的微观孔隙结构决定了其宏观性质和流动规律,其微观孔隙结构呈现出典型多尺度特点,孔隙尺寸从纳米到微米不等,同时还伴有天然发育的微裂缝.物理实验方法受限于分辨率和样品尺寸之间的矛盾,无法获取能够同时含有微纳米孔隙信息和微裂缝特点的表征单元体,因此数值重建算法显得尤为重要.传统的重建算法只能构建单一孔隙类型的数字岩心,针对页岩多尺度特点,本文提出了一种基于模式的多点统计学方法,结合训练图像和数据模板捕获模式库和条件概率函数,利用模式法的插值方式对待模拟空间进行构建.通过自相关函数、孔隙形态拓扑结构及渗透率方面,对本文提出的数值重建算法进行评价.在不同类型模拟算例中,本文算法呈现较好的可靠性.与传统重建算法相比,本文算法能够构建页岩多相多尺度数字岩心.     

纳米结构金属晶界塑性机理的原子尺度模拟研究进展

纳米结构金属中富含晶界,对材料微观结构演化与宏观力学性能调控具有重要意义.厘清纳米结构金属晶界塑性变形的原子尺度机理,将之与材料宏观力学行为相联系,是纳米结构金属力学研究关注的核心问题.近年来,我们围绕晶界塑性变形机制及其影响因素,采用原子尺度模拟方法,探究了晶界诱导孪生与界面宏微观自由度的关联规律,揭示了晶界位错往复滑移主导的纳米晶体循环塑性机制,提出了孪晶界滑移诱导纳米晶体极端剪切变形,发展了取向依赖的晶界迁移和滑移转变模型,为纳米结构金属晶界行为预测与调控提供了新思路.本文梳理了晶界塑性原子尺度模拟的研究现状,总结了本团队从原子尺度探究晶界塑性变形机理的相关进展,指出了纳米结构金属晶界调控理论与力学表征的难点和挑战.     

封面说明

<正>在自然界中,经过亿万年的自然选择,许多植物表面和动物体表展现优异的疏水特性.一些疏水表面具有自清洁、减阻耐磨、防腐和各向异性等特性.采用高速电火花线切割方法在铝合金表面制备出亚毫米级微观槽棱结构表面,再使用电刷镀工艺在槽棱结构表面上均匀地沉积镍原子,制备微-纳米结构,形成亚毫米、微米和纳米类水稻叶多尺度层级结构.电刷镀形成的双尺度微观结构是多尺度层级结构疏水表面获得疏水性的根本原因,     

宏观螺旋全息律探索

螺旋运动是自然界的最基本运动形式之一,螺旋结构也是物质存在的基本结构之一。自然界总是以统一方式从宏观和微观上体现出螺旋运动和螺旋结构之特征,并且是具有螺旋全息律。全息律是指系统的每个子系统都是整体的缩小,体现着整体的特征,激光全息摄影就具有这种性质。螺旋全息律是指子系统体现着大系统的螺旋运动和螺旋结构性质。     

液液二相连续搅拌反应器内分散相的混和效应

一久已知道,物料的混和是连续反应器一个重要的宏观动力学因素,它既影响过程的速率,亦影响过程的选择性。在连续搅拌反应器内,连续相经受着宏观(设备尺度)的和微观(分子尺度)的混和。实验证明,在通常条件下,连续相在二种尺度上均可认为是均匀混和的,设备内处处浓度相     

宇宙或将在冰冷中死去——2011年诺贝尔物理学奖

我们知道．万事万物都会有一个出现、发展或发育、消亡的过程。那么，我们身处的宇宙会不会遵守这样的自然规律呢？3位2011年诺贝尔物理学奖得主的获奖成果告诉我们，宇宙也处在一个“生长发育”过程中，其表现形式是加速膨胀。最终，宇宙也将在一片冰冷之中逐渐走向死亡。3位诺贝尔物理学奖得主分别是美国研究人员索尔·珀尔马特、澳大利亚研究人员布莱恩·施密特和美国研究人员亚当·里斯。     

光子、热力学与膨胀宇宙

基于宇宙学观测以及含宇宙常数的广义相对论场方程建立的标准宇宙模型,存在着违背物理学基本规律的疑难,提示我们需要仔细审视宇宙动力学的物理基础.例如,同实物退耦后的背景黑体辐射光子数目不再随宇宙膨胀而变化,但宇宙学红移效应导致辐射温度反比于宇宙尺度下降,则背景辐射总能量也反比于宇宙尺度而不断减少,违背了热力学第一定律,损失的宇宙背景辐射能量到哪里去了?又如,宇宙常数对应的暗能量密度不随时间变化,膨胀宇宙中物质不断被创生,总能量随宇宙膨胀趋于无穷.在宇宙学中坚持能量守恒,需要限制暗物质和暗能量的基本物理性质,其中作为零质量玻色子的光子扮演着重要角色.基于爱因斯坦场方程同时又不放弃能量守恒定律的宇宙学模型,给出了和标准模型完全不同因而可以被观测证实或证伪的演化图景:暗物质同暗能量平衡状态下的匀速膨胀才是宇宙的常态,而减速或加速膨胀只是宇宙介质相变导致的瞬态过程.近期开始出现的高精度宇宙学观测结果对标准模型提出了挑战,而有利于能量守恒宇宙模型的预期.正在进行和计划中的宇宙学观测将最终判定2类模型,并且推动基本物理的发展.     

暗能量和加速膨胀的宇宙

1998年发现的宇宙加速膨胀是当代科学中最重大的课题之一.理论上,宇宙的加速膨胀可能意味着当前宇宙中约三分之二的能量密度是由一种新的能量组分,即暗能量所提供的也可能意味着爱因斯坦提出的广义相对论在宇宙学尺度上需要修正.暗能量和修正引力这两种完全不同的物理机制可以给出完全相同的宇宙背景膨胀历史,但却预言不同的结构形成过程.因此,我们可以通过观测宇宙的大尺度结构形成和演化来区分这两种不同的物理机制,揭示宇宙加速膨胀背后的物理规律.宇宙大尺度星系巡天是研究宇宙加速膨胀机制的重要探针之一.基于星系巡天,我们可以通过测量重子声波振荡(baryonic acoustic oscillations,BAO)和红移空间畸变(redshift space distortions,RSD)两种特殊的星系成团属性,同时测量宇宙的背景膨胀和结构形成历史,进而分别开展暗能量性质以及引力研究.SDSS(Sloan Digital Sky Survey)三期的BOSS(Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey)巡天是近期完成的世界最大规模的星系巡天.通过对10000平方度左右天区的观测,BOSS获取了近一百万条星系光谱.基于BOSS的观测,我们对暗能量和引力性质开展了深入研究,并发现了暗能量的动力学迹象.目前正在巡天的e BOSS(extended Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey)项目以及后续的DESI(Dark Energy Spectroscopic Instrument)和PFS(Prime Focus Spectrograph)等大型巡天将在更高的红移、以更高的精度测量BAO和RSD,这将为宇宙加速膨胀机制的研究提供关键的观测支持.     

宇宙或在冰冷中死去

我们知道,事物一般都会有一个出现—发展—消亡的过程。那么,我们身处的宇宙会不会遵守这样的自然规律呢?2011年3位诺贝尔物理学奖得主的获奖成果告诉我们,宇宙也处在一个生长发育的过程中,其表现形式是加速膨胀。最终,宇宙也将在一片冰冷之中逐渐走向死亡。3位诺贝尔物理学奖得主分别是美国研究人员索尔·珀尔马特,有美、澳双重国籍的研究人员布莱恩·施密特以及美国研究人员亚当·里斯。     

第一届中国纳米地球科学学术研讨会暨中国地质学会纳米地质专业委员会成立大会在京成功召开

正地球科学历经几百年的发展,在宏观和微观领域已经取得了重大进展.伴随着科技的巨大进步,地球科学正在向更宏观和更微观的两个明显的方向发展,即天体行星科学和纳米地球科学.纳米地球科学指以纳米科学与地球科学为依托,纳米技术与地学工具为手段,以地球物质为研究对象,对地球各圈层中已知或有待探知的纳米微粒和孔隙进行分析研究,从而揭示地学现象和过程中纳米尺度信     

走近诺贝尔奖(十) 宇宙或将在冰冷中死去

<正>众所周知,万事万物都会有一个发生、发展和消亡的过程。那么,我们身处的宇宙会不会遵守这样的自然规律呢?宇宙的最终命运又将是怎样的呢?有人说世界将终结于熊熊烈火,也有人说它将终结于凛凛寒冰……宇宙也正处在一个"生长发育"的过程中,其表现形式是加速膨胀。最终,宇宙也将在一片冰冷之中逐渐走向死亡。来自美国的萨尔·珀尔马特、具有澳大利亚籍和美籍双重国籍的布莱恩·施密特以及另外一     

我们的宇宙与德西特相对论

精确宇宙学揭示,宇宙尺度的物理学应以极小的正宇宙常数为标志.这应受到高度重视. 我们认为,较之爱因斯坦相对论,德西特(W.de Sitter)相对论,包括德西特狭义相对论和以其局域化为基础的德西特引力,才能更好地反映这一特征.