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科学家次在室温下制造出液态光 科学家为之疯狂

如果光变成和水一样的液体,它会发生什么?这并不是一个脑洞。近日,科学家们首次在室温下制造出液态光,让光像水一样在某个物体周围流动、弯曲和环绕。 图 | 艺术家对液态光的想象动画 此次突破由意大利CNR纳米技术研究所和加拿大蒙特利尔理工学院的科研人员

如果光变成和水一样的液体,它会发生什么?这并不是一个脑洞。近日,科学家们首次在室温下制造出液态光,让光像水一样在某个物体周围流动、弯曲和环绕。

图 | 艺术家对液态光的想象动画

此次突破由意大利CNR纳米技术研究所和加拿大蒙特利尔理工学院的科研人员共同完成,相关论文发表在 6 月 5 日的《自然·物理》上。该研究的成功实施为量子流体力学的进一步发展铺平了道路,也可能为室温超导的实现方法以及新型电子元件提供灵感。

图丨上图为一般液体碰到障碍的反应;下图为液态光碰到障碍的反应

其实,在某些特定情况下,光的确可以变成液体,成为一种超流体,但是,要实现这种效应需要非常苛刻的条件,因为液态光属于玻色-爱因斯坦凝聚态——这种凝聚态的又称为“物质的第五态”(共有六种物态,其他五个分别为气态、液态、固态、等离子态、和费米子凝聚态)。一般情况下,类似的物态只能在接近绝对零度(零下摄氏273度)的低温下出现。

团队首席科学家、来自意大利 CNR 纳米技术研究所的 Daniele Sanvitto说:“此次工作中最不同寻常的是,我们证明了超流体现象也可以在室温的环境条件下实现”。

图丨该项目的两位负责人Daniele Sanvitto 和 Stéphane Kéna-Cohen

研究团队的另一名负责人 Stéphane Kéna-Cohen 则描述了液态光一个更为戏剧化的效果:不同于一般液体,液态光遇到障碍只会平滑地绕过去,不会产生任何波纹和漩涡,表现出零摩擦和零粘性这两个特性。

图丨随着能量的增加,流体在经过物质时逐渐有了超流体的性质。四组对比图分别描述的是电磁极化子的分布、强度、动量、和密度

不难看出,液态光的制备方法与金属超导的实现方法有相似之处:两者都只能在极其低温的条件下才能被观察到,而且持续的时间非常短。

图丨该实验的光学设置,两个镜片之间存在一层极薄的有机分子片

那么,这一次科学家是如何在室温条件下制造出液态光的?据Stéphane Kéna-Cohen介绍,为了达到这个目的,他们把一个 130 纳米厚的有机分子切片放在了两个反射率极高的镜片之间,形成一种类似三明治的结构。

然后,研究人员用周期为 35 飞秒的激光脉冲轰击这个系统,使得光子在镜片间来回弹射。在这个过程中,光子与中间的有机分子急速交错,从而形成了一种具备光-物质二元属性的液态光。简而言之,光子和有机分子中的电子相耦合便形成了液态光。

图丨极化激元

该实验中的这种耦合体叫做极化激元,是一种准粒子。它是由电磁波之间的强烈耦合以及带有电偶极子或磁偶极子的激发作用中诞生。简单来说,极化激元的形成也可看为一颗受激的光子。

极化激元-超流体的概念最早于2007年就被提出,当时的研究者就提出了假设,这类超流体的最大特点之一就是有可能在室温下被实现。

图丨低能和高能的其他测量成像对比,体现了超流体物态的形成

这次的突破将对未来的学术研究和实际应用产生巨大影响。在学术研究上,除了可以让科学家在常温下研究与玻色-爱因斯坦凝聚态相关的基本现象,液态光还可以为量子流体力学提供更好的研究对象。

至于其实际效用,Stéphane Kéna-Cohen说:“这次成果不但展现了有关玻色-爱因斯坦凝聚态的基础性质,还能启发我们设计未来的光子超流体设备,这些设备很可能实现能量上的零损耗”。

此前,在与该实验原理相似的超导体研究中,制造接近零电阻的材料往往需要进行严格的极度冷冻处理。如果利用本次的液态光制备方法,工程师可以在室温条件下生产出更高效的超导材料设备,例如激光器、发光二极管、太阳能电池板和光伏电池等,而且这些装置可以在很大程度上避免光子跟障碍物接触带来的能量损失。

- 延伸阅读:

玻色-爱因斯坦凝聚态

近几年来,科学家制造出来的新型物质种类越来越多,制备方法也正不断走向常规化。无论是此前的金属氢、时间晶体、负质量超流体,还是这次的液态光,这些充满想象力的发现都利用了物质在极端情况下的奇异状态。

其中,上文提到的玻色-爱因斯坦凝聚态便是其中之一,这种凝聚态的又称为“物质的第五态”(共有六种物态,其他5个分别为气态、液态、固态、等离子态、和费米子凝聚态),遵从量子力学而非经典物理,也是本此研究中最重要的理论支柱。

图丨1953年,萨特延德拉·纳特·玻色盯着一张爱因斯坦的照片

80 年前,爱因斯坦和印度物理学家玻色就基于量子力学预言了这一物态的存在,爱因斯坦甚至因为其太过奇特的性质而对自己的理论产生了怀疑。

该物态在试验中出现是在 1938 年,科学家在2.17K的温度条件下发现氦的同位素,氦-4突然从正常流体突然转变为粘性为零的超流体。然而,当时人们还未把超流现象和爱因斯坦的理论联系起来。

直到 1995 年,科罗拉多大学的Eric Cornell和Carl Wieman才制造出来真正的玻色-爱因斯坦凝聚态物质——约两千个铷原子的聚合体。

为了冷却这堆原子,这两位科学家也是够拼的,首先用激光技术强行降温,然后在用磁场把较热的原子一点一点削掉,最后才降到了100nK(百万分之一度)的温度,不过研究成果最终还是为他们赢得了2001年的诺贝尔奖。

图丨1995年试验:用激光(红色箭头)和磁场(蓝色箭头)对铷原子(绿色区域)降温,最终波色-爱因斯坦凝聚体在绿色区域出现

由此可见,这一回的常温液态光简直6到飞起!在不远的未来,我们期待这种物态会呈现出更多神奇的物理特性,继续为人类带来意想不到的新发现。

神奇的超流体现象

零粘性、零摩擦、遇到障碍物不会产生皱纹……为什么液态光会有这些不可思议的特质?这得从一种叫超流体的特殊现象说起。

超流体现象是液体或气体极端条件下表现出粘性为零的现象。因为流动时不对周围产生摩擦力,其机械能损失也为零,如果我们将超流体放置于环状容器中,由于没有摩擦力,它可以永无止尽地流动。而表现出该性质的物质被称为超流体,此次制造出的液态光就是超流体状态下的光。

图丨如你所见,超流体流经障碍物时不产生任何波纹

超流体一般只存在于接近绝对零度的极端环境中,因为多数超流现象是玻色-爱因斯坦凝聚态的体现——当粒子聚合物冷却至一定程度时,就会以最低能态凝聚,此时它们处于一种基于波粒二象性形成的半量子态,故费米子可以像玻色子一样在狭小的空间内凝聚。

为了方便大家理解,就是一团粒子在很冷很冷的时候抱在一起了。他们抱团之后彼此重合、不分你我,仿佛许多粒小水滴聚合成大水潭一样。如此一来,因为其高度相干的量子性质,流动时摩擦力和粘性消失也不足为奇了。

超流现象是玻色-爱因斯坦凝聚态的一种体现,但不是所有超流体都处于玻色-爱因斯坦凝聚态。与之相对应的还有费米子凝聚态,适用于对超导体的理论描述。

宇宙中有白洞吗?相信很多想知道白洞到底是怎么回事吧,其白洞到目前为还只是一个概念,其真实性一直没有被证实,可能一些新手小白对这方面不是很清楚,下面就让奇事奇物的小编来详细介绍宇宙上有白洞吗?有兴趣的可以进来看看。

宇宙中有白洞吗 白洞存在一直没有被证实

白洞起源

白洞学说出现已有一段时间,1970年捷尔明便提出它们存于类星体,剧烈活动的星系中的可能性。相对论和宇宙论学者早已明白此学说的可能性,只是这与一般正统的宇宙观不同,较不易获得承认。某些理论认为,由于宇宙物体的激烈运动,或者星系一部喷出的高能小物体,它们遵守着克卜勒轨道运动。这是一种高度理想化的推测,亦即一个地方有几个白洞,在星系核心互相旋转,偶然喷出满天星斗。喷出的白洞演化成新星系。而从星系团的照片中可观察到一系列的星系由物质连接起来。这显示它们是由一连串剧烈喷射所形成的。照此来说,白洞可能会像阿米巴原虫一样分裂生殖,由分裂而形成星系。然而这又和目前的理论相违背。

从此看来,就是星系生成也有不同见解。有的天文学家便提出并接受宇宙之初便有不均匀物质的结块,而其中便包含了白洞。宇宙向最初奇点收缩,星系,星系群都同一动作,这当然和黑洞的奇点相似。宇宙的不同区域,其密度皆不同,收缩时首先在高密度的地方,达到了黑洞的临界密度,从此消失在事界之后,宇宙不断收缩,使不断出现高密奇点。宇宙成为大量黑洞及周围物质的集合体。然而事实上,宇宙是膨胀而非收缩的,因此它是白洞而不是黑洞。在宇宙整体性源始的大奇点中存在着密度高的小质点,它们随着膨胀向四面八方扩散,大白洞大量爆发生出小白洞。星系等不均匀物体,正是由它生成的。不均匀物体之所以易和黑洞拉上关系,皆是因为它和膨胀现状相对称的宇宙中局部收缩的过程。目前宇宙中黑洞和白洞的存在是并行不悖的,是过程的两个端点而已。黑洞奇点是物质末期塌缩的终点,白洞物质的奇点是星系的始端。只不过各过程不是同时,而是先后交错的。

宇宙中有白洞吗 白洞存在一直没有被证实

白洞的喷发

有关于白洞的信息,目前并不多。所以我们对白洞的喷发并不十分了解。白洞的喷口的来历并不清楚,一如大爆发原因不明。奈里卡在1975年论述了许多使天文学家感觉困扰的问题和白洞的数学连系,这是相关重要的。在喷发中白洞存在的前提下。外部观测者可以探测到蓝移所致的不同辐射源的频谱。大爆发的初期状态所遵循的爱因斯坦宇宙论方程式同样可施于探索星系规模膨胀系统的未爆核状态,但奈理卡使用了方程式时结合了过程的物理项。白洞向外爆发的时间极短,这一瞬的过程当然很难说明,但白洞所产生的电磁辐射市可计算的。观测到的爆炸光谱的最大特征,是最初以高能辐射为主体,不久就显示出低能辐射。

宇宙中有白洞吗 白洞存在一直没有被证实

白洞存在吗

到目前为止,『白洞』还只是个理论名词,科学家并未实际发现。在技术上,要发现黑洞,甚至超巨质量黑洞,都比发现白洞要容易的多。也许每一个黑洞都有一个对应的白洞!。但就我所知,我们并不确定是否所有的超巨质量"洞"都是"黑"洞,也不确定白洞与黑洞是否应成对出现。但就重力的观点来看,在远距离观察时两者的特性则是相同的。我们知道,由于黑洞拥有极强的引力,能将附近的任何物体一吸而尽,而且只进不出。如果,我们将黑洞当成一个『入口』,那么,应该就有一个只出不进的『出口』,就是所谓的『白洞』。黑洞和白洞间的通路,也有个专有名词,叫做『灰道』(即『虫洞』)。虽然白洞尚无发现,但在科学探索上,最美的事物之一就是许多理论上存在的事物,后来真的被人们发现或证实。因此,也许将来有一天,天文学家会真的发现白洞的存在。

恐龙是在人类出现前就生存在地球上的一种生物,但遗憾的是,距离现在恐龙在大约已经灭绝了6500万年之久了,到底恐龙是怎么灭绝的?究竟是什么原因造成恐龙灭绝的呢?针对这些问题也困扰了很多科学家,虽然现在不少科学家们针对恐龙灭绝之谜都有各自不同的看法,有人说是因为火山爆发,也有人说是恐龙自相残杀,还有人说是地球的各种原因造成的,那么科学家们提出的这些恐龙灭绝的原因都有什么理据呢?下面奇事奇物就大家一起来详细的了解一下这些相关的说法。

造成恐龙灭绝的真实原因分析

据奇事奇物了解,关于恐龙灭绝的原因有很多种不同的说法,虽然这些说法都是著名科学家提出来的,但也都没有太多实质性的证据来支撑这些看法,所以恐龙灭绝的真实原因也一直成为了一个不解的谜团,尽管如此,奇事奇物还是为大家整理了一些听起来比较靠谱的说法供大家参考。

火山爆发说

六千六百万年前,一颗小行星落在墨西哥的犹加敦半岛,导致恐龙大灭绝。十万年后,位于印度德干高原的火山开始喷发出大量岩浆,长时间的火山爆发可能再次造成地球上的物种大灭绝。在柏克莱大学教授地球与行星科学的马克?理查认为这两起事件之间绝对有因果关系,他说:“为什么地球上规模最大的撞击事件和德干高原的火山爆发事件会在十万年间接连发生,这一定不只是巧合而已。”

恐龙灭绝之谜:恐龙是怎么灭绝的 是什么原因造成恐龙灭绝

理查和他的研究团队因此推论,火山爆发是由小行星撞击所引起的。在小行星撞击地球之前,德干高原就已经有岩浆流出,而撞击事件就像是导火线一样,一下子点燃了火山内部的岩浆,在接下来的数十万年之间,火山不断喷发出二氧化碳等其馀会改变气候的气体。理查表示,地球上大多数的生物在恐龙时代接近尾声时灭亡,理查发现其中有四次的物种大灭绝都与火山爆发发生于同一时期。于是他大胆假设,六千六百万年前的火山爆发事件肯定与当时的物种大灭绝脱不了关系。

理查和Renne的同事Michael Manga指出,火山爆发也会因强烈地震而引起。理查估计,小行星撞击的强度可以在地球各地引发规模九以上的地震,而这样的规模已能促成德干高原及其他地区的火山爆发。同时,研究团队也发现火山在小行星撞击地球前后所喷出的岩浆的化学成分并不相同,再次验证了小行星撞击促成火山爆发的说法。不过,许多科学家仍对火山爆发在恐龙灭绝中所扮演的角色抱持着怀疑的态度,他们依然深信,小行星撞击是导致恐龙消失的主要原因。

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小行星撞击地球说

科学家发现,在白垩纪末期地层的黏土层中微量元素铱的含量比其他时期陡然增加了30-160多倍,而铱元素在地壳中属罕见元素但却广泛存在于小行星之中。因而当前最为流行和最有影响的观点是:6500万年前,陨星撞击地球,产生的尘埃遮天蔽日,引发气候剧变,植物大量死去,恐龙因食物匮乏而遭致灭顶之灾。对恐龙灭绝之谜的解释与说法其实还有很多,公开发表的就有一百多种。

恐龙灭绝之谜:恐龙是怎么灭绝的 是什么原因造成恐龙灭绝

据报道,恐龙死于6500万年前小行星撞击事件,是科学史上的一个大发现。虽然我们有比较充分的证据显示,恐龙死于小行星撞击以及撞击所引发的环境剧变,但仍然有研究人员认为小行星仅仅是其中的一个影响因素,恐龙灭绝还有其他更深层的原因。美国科学家在印度德干地盾附近发现了关于恐龙灭绝的证据,研究结果显示恐龙灭绝不仅仅是小行星造成的因素,还有火山喷发影响了地球环境。

小行星撞击地球是目前主流的恐龙灭绝原因,一颗直径为8公里的小行星撞击地球,造成了大量的尘埃遮挡了太阳光照,导致一连串的灾难性事件,比如绿色植物大量死亡影响了食草恐龙的生存,而小型动物的大规模死亡也导致食肉恐龙的灭绝。现在美国研究人员发现有更多的证据显示在小行星撞击前地球上出现了大规模火山喷发,也对恐龙的灭绝产生了促进作用,因为火山大规模喷发导致一些挥发性的化学物质达到危险水平,地球大气变得浑浊,而小行星的撞击进一步奠定了恐龙灭绝的命运。

暗物质说

暗物质间接导致恐龙灭亡,这种说法可能有些让人难以相信,不过暗物质有可能已经发送了好几颗彗星撞击地球。两位科学家兰德尔和里斯展示了当太阳系经过暗物质盘时,后者会对前者产生更强的引力拖拽作用。这样的拖拽力会扰乱奥尔特云,一种据称是环绕太阳系的遥远冰冻物质结合体。奥尔特云产生了一些彗星,包括世纪彗星ISON彗星,去年ISON掠日时就曾引起了一些扰乱。暗物质盘越密集,产生的引力潮汐力的效应越强。

恐龙灭绝之谜:恐龙是怎么灭绝的 是什么原因造成恐龙灭绝

其次,兰德尔和里斯观察了在过去2.5亿年间地球上直径超过20千米的陨石坑。将这些陨石坑的年龄与太阳系3500万年周期相比,结果发现在某些情况里,彗星撞击的频率高峰期与太阳系经过暗物质盘发生了紧密的重叠,而在其它情况里则不是。整体来说,分析表明暗物质更可能在陨石坑频率问题上,而非产生陨石坑的平等比率上,产生可观测到的模式。

据称与6600万年前恐龙灭绝有关的希克苏鲁伯陨石坑并没有完全与太阳系经过暗物质盘的时间点相重合——但兰德尔表示其中仍存在足够多的不确定性,也就是说两者之间存在连接也并非不可能的。“两者发生的时间还是比较接近的,虽然并不是完美的吻合,但还是存在一定的可能性。”

意大利米兰布雷拉天文台的路易吉·福斯基尼表示这项理论需要进一步的详细审查。“我认为寻找尽可能多的假设是非常有意义的。”但他也很谨慎,因为无论是彗星撞击的频率模式,还是暗物质的盘状理论,目前都没有得到证实。虽然暗物质导致恐龙灭绝的说法还缺少实际的证据,不过由暗物质引起的彗星撞击地球这种说法也得到很多人的认同,不过暗物质说也存在不少漏洞,还需要更加深入的研究来支撑这一理论。

在小的时候,我们经常会莫名其妙的担心各种国家大事,例如天塌下来了怎么办?地球会不会被毁灭?等等之类的问题,随社慢慢的成长,接触到不少的科学知识后发现,原来小时候莫名其妙的担心并不是不可能发生的,例如地球会不会被毁灭呢?实际上,没有科学能够证实地球能够永久的存在,而造成地球毁灭的原因也很多,导致我们现在担心的问题会更有针对性,例如我们现在可能会担心,因地磁场发生的变化地球会被毁灭吗?下面奇事奇物小编就以这个话题,来和大家详细的聊聊吧。

两年多以前,欧洲太空总署发射了三颗卫星用以收集地球磁场数据。从那以后,这三个探测器开始不知疲倦地测量地球磁场,并细致地将它描绘出来。现在,一项新研究用这些数据来向人们展示近几年来地球磁场的变化,其结果与地核正在经历的事情相吻合。

因地磁场发生的变化地球会被毁灭吗?

地球磁场也许不可见,但它很复杂且千变万化,保护着我们不受宇宙辐射和太阳风的伤害。2013年末,欧洲太空总署发射的蜂群卫星上天之后,一直在研究地核、地幔、地壳、海洋、电离层以及磁气圈的不同磁场信号。

最近这些数据都被新研究用来描述哪些地方的磁场在减弱、哪些在加强以及这些变化发生的快慢。这些发现被呈现在生命行星座谈会上,研究人员们还采用两个动画来展示这些变化。

因地磁场发生的变化地球会被毁灭吗?

第一个动画(还采用了CHAMP与?rsted卫星采集的数据)显示了1999年至2016年5月之间的磁场强度变化。红色区域代表磁场正在增强,蓝色区域代表磁场在减弱。

总体上,北美上方的磁场减弱了3.5%,而亚洲上方的磁场增强了2%。南大西洋负磁异常区的磁场也减弱了百分之二。

因地磁场发生的变化地球会被毁灭吗?

第二个动画与第一个略有不同,它描述了2000年至2015年期间磁场的变化率。与第一个动画类似的是,变化率较慢的地区以蓝色标识,较快地区以红色标识。这是一幅复杂的图片,亚洲上方磁场的变化正在加快,而南非磁场的变化速度则在减慢。

是什么造成了这些变化呢?人们认为磁场是地核中大量熔铁流在地下三千公里处移动的结果,因此这一变化预示着熔铁流的速度发生了改变。

高级科学家Chris Finlay表示:“蜂群卫星给出的数据使得我们能够绘制地球磁场的详细变化,除了地表磁场的变化之外,我们还能了解地核的磁场变化。出乎意料的是,我们发现磁场的局部快速变化似乎是地核内铁水流动速度变化的结果。”

蜂群卫星将继续测量地球磁场并加以研究,这有助于我们加强对造成这些变化的原因的理解。

可能大家看了这么长一篇科普文之后,还有些迷惑,那么奇事奇物小编就通俗的和大家简单说说吧,地磁场发生变化,人会死,地球不会有事,磁场消失地球可能变成火星现在的样子,对于地球来说不算毁灭。

人类的自由意识到底存不存在,这个问题最近已经被公开答案,科学家们也许已经证实,自由意志可能是一种由我们的大脑创造出来的幻觉。

人类确信他们在生活中能够做出有意识的决定,也许只是大脑在有限的选项中做出选择之后让人有了这一感觉而已。

自由意识到底存不不存在 科学家称自由意志只是人类的幻觉

科学家们在实验中,让参与者们在看到结果之前做出决定。在实验中,科学家们让参与者们相信他们能利用自由意志做出选择,即便这根本不可能。

20年前,心理学家Dan Wegner和Thalia Wheatley提出,是人类自己让自己相信自由意志的存在。他们认为人类有想要做某件事的感觉是真的,但这种感觉与人们真正去做这件事之间并无联系。

新研究建立在这样的基础之上,并表示大脑在做出决定的时候会改写历史,改变我们的记忆以便让我们相信某件事在发生之前是我们自己想要去这样做的。

在美国普林斯顿大学的Adam Bear和Paul Bloom在研究中,利用某个计算机显示屏上的五个白圆圈对参与者们进行测试。参与者们需要在其中某个圆圈变成红色之前随便选一个。

接着参与者们需要告诉研究人员,他们是否认为自己挑选到了正确的圆圈或者他们当时是否没有时间去挑选圆圈。

在统计上,人们挑选出正确圆圈的概率是百分之二十。但参与者们认为自己选对的概率高于百分之二十,如果圆圈非常迅速地变红那么他们自报的正确率甚至会高于百分之三十。

科学家们认为这些发现表明,参与者的大脑在事件发生顺序之间来回切换,因此看起来参与者们像是已经选出了正确的圆圈,即便他们根本没这个事件去做出选择。

自由意志观点的兴起源自于它很有用,它让人们对自己的生活有控制感,也让人们因犯错而受惩罚。但同样的感觉会误导人。也许人们对自己的生活有控制感这一点很重要,但这很容易让人们感觉自己能控制天气之类的外在过程。

科学家们警告说选择的幻觉不仅会被应用在那些不假思索的选择中,还有可能它无处不在,渗透到了我们生活的方方面面。

研究人员们写道:“不论情况如何,我们的研究表明就连我们对自己的机构和意识体验那看似牢不可破的信仰,也会大错特错。”

该研究被发表在心理科学期刊上。

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