敲开新物理大门的中微子——2015年诺贝尔物理学奖介绍

 2015年的诺贝尔物理学奖颁给了Takaaki Kajita(梶田隆章)和Arthur B. McDonald,他们在分别领导的大气和太阳中微 子实验中发现了中微子振荡。这种现象表明中微子具有质量,相关实验结果是超出粒子物理标准模型的重大发现。通过介绍 这些实验以及相关的物理,以期读者对中微子研究有较为全面的了解,并对物理的知识体系和研究方法有比较清楚的认识。     

国际火星探测科学目标演变与未来展望

火星探测是当前太阳系探测和行星科学的焦点.经过近60年的发展,火星成为除地球外,探测和研究程度最高的太阳系行星体,派生出火星空间环境、火星大气、火星表层/次表层物质组成、形貌构造、撞击历史、冰川和冰冻层、气候变化、火星内部结构等多个研究领域.火星陨石研究和实验室模拟研究(实验模拟、数值模拟等)也得以快速发展.火星的重大科学发现包含早期和现代的水活动证据、地质环境多样性、现代地质过程监测、甲烷和有机物的发现、大气组成和演化、当前和近期气候变化、重力场和表面辐射环境等.重大科学成果的取得得益于科学目标规划的指引,也影响着未来科学目标的制订.通过梳理美国火星探测项目分析组(Mars Exploration Program Analysis Group, MEPAG)近20年火星探测科学目标(生命、气候、地质、载人)的演变,展现出国际火星探测思路及未来探测重点.未来10年的火星探测将进一步认知火星内部结构、开启火星生命探测的新阶段和开展火星和火星卫星样品返回.中国开展的火星探测任务也将为国际火星科学发展做出贡献.当前火星仍有诸多重大科学问题未有解答,这些问题与太阳系的重大科学问题紧密融合,突显...     

热带气旋

在我们人类所居住的地球周围,包围着一层深厚的空气,通称大气。大气时刻在变化着。大气在变化过程中的物理现象,人们称它为天气现象。为了确保农牧业生产顺利的进行和航运的安全,对大气状态的改变经常进行观测,这就是近代的气象观测。经过长期的气象观测,发现热带地区经常有一些耸立于空中的云团。这些云团,有的孤立地往上冲,有的边旋转边移动活象小孩玩的陀螺,并且越旋越大,     

南极臭氧洞的发现

南极臭氧洞的发现是大气和环境科学史上的一个里程碑,其意义不仅在科学层面,也对气候和环境政策的制定产生了重大影响.停止生产氟利昂之后,臭氧层有回升趋势,说明人类完全能够通过自身的努力保护我们的生存环境.     

全球最重要的六大科学实验——从最聪明的人工大脑到第一造生命

著名科普杂志《发现）月刊不久前发布了该刊评选出的当今全球六大最重要的科学实验，这些实验都与现阶段最热门的科研选题密切相关，如人脑的工作原理、暗物质、环境和生态保护、人造生命等。这些实验希望揭示的都是基本的科学问题。同时，这六大实验也体现了当今依然是大科学和综合科学的时代，不同国家、不同学科的科学家正在为求解一些基本的科学之谜而不懈探索。不管最终结果如何，这种探索的精神值得我们心生敬意。[编者按]     

细致入微的探究导致的重要科学发现

正科学工作者在科学研究的过程中、在进行观察和实验时,有时会遇到微不足道的小事情,如观察对象的细微变化、小概率出现的事件、实验数据的细小误差等,它们很容易被忽视,但一些人却对这些小事情穷追不舍、开展细致入微的探究,从而做出了重要的科学发现。     

科学哲学家往何处去

我们希望科学哲学家能将他们的注意力集中于未来一系列相当新的问题上,并运用他们新的眼力和技巧来改变传统方法论领域内的现行概念。“科学发现”在许多方面迅速成为受人注目的题目,这就是我在本文中要阐述的问题。在本文中这些理由可能尚未阐述得很清楚(有的可能遗漏),但已足够用来说服大量的哲学家将科学发现置于方法论中应有的地位上。我们清楚地看到,可以期望在科学发现的哲学研究方面,在探索和基本估价的意义上,比研究生成方面阻力更小。     

现代核物理研究前沿和新机遇

正原子核是由质子和中子构成的量子多体系统,是物质结构的一个基本微观层次.经过逾一个世纪的科学研究,人们已经发现并认识了许多核现象,这些核现象深化了人类对微观物质结构的认知.同时,以核电站和放射性医疗为代表,核物理研究对社会经济发展也作出了重大贡献.尽管核物理实验和理论研究取得了巨大成就,但是,从纯科学的角度讲,核层次中面临的重大科学问题依然没有得到彻底解决,例如,将核子结合在一起的核力是什么?它是如何管控着核中的核子?为了定量地理解这个重大科学问题,必须构建或创立不同特征的"核场所",     

季风实验

“地球大气研究计划”(GlobalAtmospheric Research Programme,简称GARP)提出了季风实验问题作为附带研究的项目之一.季风是构成大气大循环不可缺少的要素,同时也给社会带来巨大的影响,所以迫切需要给予科学的解释和说明。全球规模的大气流,受到亚洲、欧洲、非洲等大陆以及太平洋、大西洋、印度洋等海洋的很大影响.季风就是大气对这些大陆反应而产生的现象.由于夏冬两季风向几乎相反,     

原子弹是怎样产生的?

原子弹的产生是二十世纪科学影响社会进程最重大的事件之一。在这篇文章中,把原子弹产生的历史分三个阶段分别加以考查:发现原子内部蕴藏着巨大的能量(1896—1932);探知原子弹是可以制造出来的(1932—1940);成功地制造出原子弹(1940—1945)。从中得出结论:纯科学的发现和研究最终可能导致对社会进程产生重大影响的结果;科学发展要求既重视应用科学的研究又重视基础科学的研究,既重视理论又重视实验。原子弹的产生要求每一个科学工作者正视自己所担负的沉重的社会责任。     

超高能宇宙线从何而来?

宇宙线是来自外太空的唯一物质样本,携带着粒子物理、高能天体物理、宇宙物质组成及其演化的丰富信息.已知的宇宙线粒子最高能量约为3×10~(20) eV."宇宙线是如何被加速的?""其起源天体是什么?""在这样的高能情况下,已知的物理学规律是否还能适用?"等这些都是有待解决的重大科学问题.为此人们通过多种实验手段在空间和地上开展宇宙线的多信使研究.在过去的几十年里,宇宙线、伽马射线和中微子观测取得了丰富的成果:(1)宇宙线能谱、成分和各向异性的测量精度达到了史无前例的水平,极高能宇宙线的偶极各向异性表明这些粒子来自银河系之外;(2)空间实验发现了3000多个GeV伽马源,地面实验发现了近200个TeV源,它们大多为高能电子源,有几个已被认证为强子源;(3)冰立方实验发现了近百个高能中微子,它们的各向同性分布暗示着河外起源.这些新结果为解决宇宙线的起源问题和发展相关的粒子加速理论奠定了基础.新一代更高灵敏度的实验装置的建设和运行正在开启宇宙线粒子天体物理研究的新篇章.     

宇宙线起源中物理学前沿问题

宇宙线是由奥地利物理学家赫斯在1912年高空气球实验中发现的.此后,人们在宇宙线的研究中发现了众多的基本粒子及其相互作用规律,中微子振荡的最早发现也来自太阳中微子和大气中微子实验.迄今为止,人们所知道的最高能量的粒子也来自于宇宙线的观测.宇宙线的起源、加速和传播是一个世纪科学问题,从中诞生了高能伽玛天文学、高能中微子天文学和极高能宇宙线天文学.目前,人们已经发现了为数众多的电子加速源,但作为宇宙线成分中最为主要的核子,其起源问题依然没有解决.精确测量宇宙线核子的成分和能谱,观测和研究高能伽玛射线、高能中微子及极高能宇宙线的产生地点和相关机制,有助于解决宇宙线的起源问题.此外,这些研究也是间接探测暗物质粒子,研究宇宙演化和新物理学规律的重要手段.     

一个微型太阳系的发现及其意义

距太阳仅39光年外有7颗类似地球大小的行星,它们正围绕一颗质量只有太阳质量8%的恒星运转。这些行星的轨道和木星的4颗伽利略卫星的轨道差不多大,围绕恒星转动的周期只有一天半到十二多天。它们都很可能是石质行星,有可能存在液态水和大气,其表面至少有部分区域具有宜居条件。更多这样的行星正在被发现,它们和上述行星在韦布太空望远镜发射并投入科学观测运行后,将成为其优先观测目标。那时,就可以对这些行星是否存在大气以及如果的确存在大气的话对其大气成分得出结论,极有可能因此发现在某一颗或者几颗太阳系外的行星上确实有生物存在的迹象。     

科学家为什么应该普及科学

为什么物理学家或其他领域的科学家竟然花大量时间、精力向公众普及科学知识呢?这里所说的不仅是向《科学美国人》写文章(它是供科学爱好者和其他领域科学家阅读的),也不仅是教本科生入门课程,而是真正尽力通过报纸、电视、杂志和对一般公众的讲演,来传播科学知识和科学方法。科学研究的资助主要来自公共基金。由此容易得出片面的原因:科学家要向纳税人解释自己所做的工作。若仅以此来看,便会吃惊地发现更多的科学家并不从事科学普及工作。从大的方面来说,存在着大量的重大社会问题,从温室效应和臭氧层洞到核竞赛和艾滋病,解决这些问题的关键是科学。科学的结果导致其中一些问题的产生和恶化,同时很显然,没有深入的科学研究,不可能有解决这些问题的方法。我们的真正危险在于构造了一个基本上依赖于科学和技术的社会,而几乎没有人懂科学和技术。这就是“治病”的“良方”(例如,在国会535名议员中,大科学家出身的人屈指可数)。但这里我想要讨论的是普及科学的其他原因,这种科学普及工作是科学家职业日程的重要部分。     

物理科学中的妇女:从苦工到发现者

我们应该怎样利用历史上的范例来增进妇女参加科学事业? 苦役与发现本讨论将科学研究分为两类。第一类包括对自然界的系统观察,作实验,结果的合理分类,寻找规则性和经验公式以及计算理论假设的结果。第二类研究将导致这样一种发现:一种不被预期的结果,并且可以迫使我们改变我们对于世界的观念。它可能是一种新的元素、化学化合物、彗星或者数学定理——但是,再多一个发现不见得对科学有重大的影响。因此,我将保留“发现”这个词乃指理论和实验结果是重要到足以值     

科学——青年人的事业

很多人认为,科学上的发明、发现都是那些知识渊博、经验丰富、年高德劭的老科学家的事情。其实,科学史表明并非如此,有许多重大科学发现是青年人干出来的。伽利略(1564—1642)他在物理学中的第一个发现是在     

打破食物相克的禁忌

<正>只要翻翻报纸、杂志,或者看看网页,总会发现极多关于食物的"搭配宜忌"。那些文章不厌其烦地告诉读者,A食品和B食品是绝配,B食品和C食品是相克……不过,如果我们足够细心就会发现,在很多"宜忌"的说法当中,都表现出对研究信息和科学道理的不恰当解读。这些说法有的以偏概全,有的夸大其词,有的缩小范围,往往引导人们把目光集中在一些细枝末节的特例上,令人们在厨房里战战兢兢。     

量子宇宙物理前沿——21世纪基础科学革命的突破口

正由引力效应发现的暗物质和暗能量以及与时空结构相关的引力本质和宇宙起源被认为是21世纪最重大的、悬而未决的物理问题,引力波的发现为理解这些科学难题打开了一扇新的窗口.2016年应邀在中国科学院学部年会上做"引力波和引力本质"的大会报告后,随即受到《科学通报》主编高福院士的邀请,期望从学科发展的整体考虑,由《科学通报》     

洗净泥土 混凝土才坚固

几十年以前,科学家个人奋斗还有可能在尖端科学上做出重大发现或发明,如爱因斯坦建立狭义及广义相对论,居里夫妇在天然放射性现象方面的卓越贡献。科学发展到今天,尖端科学研究,如高能物理,实验设备非常庞大复杂,需要大批科学工作者共同研究、绝不是一两个人研究能出成果的。丁肇中教授     

环球电路:一个未解开的奥秘

根据 B·弗兰克林和其他一些人在十七世纪中叶所做的试验,闪电才第一次被看作是宏大的静电现象。而且,试验者立即认识到弱电性是大气的一种永久特性,即使在晴天也是如此。曾经发现地球表面带负电荷,而空气带正电荷,晴天时在靠近地面的大气中存在着约为每米100伏特的垂直电场。对这种现象,先是从静电的角度作了解释,早期有一种理论认为,这种大气电场是地球上固有负电荷的产物,这些负电荷也许