科学与翻译

强相互作用使 原子核内的质子和中子结合在一起。格罗斯、波利泽和维尔切克的理论认为当夸克彼此非常靠近时，它们之间的相互作用非常弱，就象是自由粒子一样。但但它们彼 此分开时，相互作用将迅速增强。这种现象被称为渐近自由，它解释了为什么我们很难把夸克从原子核中分离出来。

三位科学家于1973年完成 的工作所采用的数学形式是后来描述强相互作用理论——量子色动力学(QCD)的基础。该理论是粒子物理标准模型(Standard Model)的重要组成部分，标准模型还包括弱相互作用和电磁相互作用。有了量子色动力学，物理学家可以为什么只有在极高能量状态下，夸克的行为才象自由 粒子。近年来，量子色动力学已被各种实验所证实，特别是被欧洲核子中心(CERN in Geneva)的实验所证实。

1973年，三位科学家的工作发表在同一期物理学评论快报(Physical Review Letters)的两篇相邻论文上。一篇是格罗斯和维尔切克的工作(Ultraviolet Behavior of Non-Abelian Gauge Theories, David J. Gross, Frank Wilczek, qiji.cn/eprint/abs/1610)，另一篇是波利泽的工作(Reliable Perturbative Results for Strong Interactions?, H. David Politzer, qiji.cn/eprint/abs/1609)。当时格罗斯和维尔切克还是研究生。

行星是围绕恒星运动的小天体，由于自身质量很小不足以使它发生热核反应成为恒星，行星仅通过反射光而被看见。行星的质量上限大约是太阳质量的1/20，或是木星质量的50倍。因此太阳系外行星很难用望远镜直接观察到。

通过多普勒位移观测太阳系外行星；

1995年起天文学家开始用多普勒效应（奇迹百科 Link） 去搜寻这些“看不见”的行星的。即利用由于行星的存在所导致的恒星光谱多普勒位移来推测太阳系外行星的存在。最初，天文学家发现的太阳系外行星都是质量巨 大、紧靠着恒星运动的巨大气态行星。这是由于行星的质量越大、离所属母恒星越近，恒星越易受旁边行星的影响，因此具有较大围绕共同质心的转动速度，导致多 普勒位移较大，因此较容易被观察到。

迄今已有大约140颗太阳系外行星被发现，它们大多属于巨大的气态行星，质量至少与木星类似。 2004年8月25日，一组欧洲天文学家发现了一颗属于“mu Arae”恒星的行星，其大小约相当于地球质量的14倍。这颗行星围绕恒星的公转周期非常小，只有9.5天，公转半径则只有约130万公里。8月31日， 美国航空航天局（NASA）又宣布发现两颗新的太阳系外行星。一颗是属于“Gliese 436”的行星，质量是地球的25倍，公转周期只有2.5天，公转半径仅约410万公里。另一颗是属于“55 Cancri”的行星，质量是地球的18倍，公转周期不到3天，公转半径仅约560万公里。

显然在这些恒星上发现生命是不可能的。下一步，天文学家将努力发现地球大小的太阳系外行星。欧洲的天文学家似乎在这场竞争中拥有更领先的地位，他们发现的行星是已知太阳系外行星中最小的，只有地球质量的14倍，因此更可能是象地球一样是由岩石构成的。

而 为了发现质量更小公转半径更大的太阳系外行星（更适合生命生存的环境），天文学家正准备发射新的太空望远镜。美国航空航天局将在2007年发射 Kepler太空望远镜，而欧洲航天局则计划在2006年发射类似用途的COROT太空飞船。那时，我们期待会发现更多的类似地球的太阳系外行星。

去年10月，一组科学家指出该结果与一个有限大小的足球形状的宇宙吻合。如果宇宙是有限的，光由一点发出沿很多方向都会最终回到出发点。这种效应将会产生宇宙的重复镜象，就象我们在一个充满镜子的房间中看到的那样。这样就给出了验证宇宙是否为有限的一个判据。

最 近一组物理学家使用计算机试图找到这样的图像。他们寻找位于天空相反方向成对出现的相等大小的圆，这些圆在其周围有相同的冷热分布方式。这种搜寻是非常困 难的，因为他们必须检查所有不同大小和位置的圆，并需要验证每对圆的符合情况。他们的结论是：如果宇宙是简单、光滑弯曲的有限形状，如十二面体或足球形 状，那么它们至少要比现在宇宙学家估计的宇宙大10倍。该结果将发表在最近的《物理学评论快报》上（qiji.cn/eprint/abs/1176）。

哥 仑比亚大学的理论物理学家 Janna Levin 说：“这是一个必须进行的检验。”但有限大小的宇宙会以无穷的方式出现，而排除有限宇宙模型的每一个可能形状几乎是不可能的。Janna Levin 说：“这将是一个艰巨而细致的工作，我想大家会坐下来想一想什么才是令人信服的检验。”这样，也许我们可以排除宇宙形状的更多可能性。

低 温下的原子按照它们内禀角动量（或自旋）的不同而体现出完全不同的行为。自旋为整数的原子是玻色子，在低温可发生玻色-爱因斯坦凝聚。自旋为半整数（如 1/2，3/2，5/2等）的原子是费米子，在低温下可用费米气体（费米液体）理论予以描述。两个费米子原子可组成一个玻色子分子，因为这时总自旋对应为 整数。

费米子遵从泡利不相容原理，这意味着两费米子不能占据相同量子态。但对于玻色子，则无此限制，这样在极低温下所有玻色子可占据相同量子态。这个过程——玻色-爱因斯坦凝聚（BEC），在超导（发生无电阻的电流）电性中居于核心概念。

根据超导的BCS理论，电子可以配对组成库帕对（Cooper pairs），同样束缚费米子原子配对也可发生玻色凝聚。新的实验发现由于费米子配对而导致的玻色凝聚中也存在一个新的相——位于BCS和BEC的跨越区域，这一现象目前尚无理论解释。

杜 克大学的John Thomas小组将限制在磁-光阱（magneto-optical trap）中的Li-6原子气用挥发制冷（evaporative cooling）技术降温。当原子气温度降至400 nK时，他们通过瞬间关闭并启动光阱使原子气振动起来。该工作发表在最近的物理学评论快报（Phys. Rev. Lett. 92, 150402 (2004)）。

振动的气体可以无衰减地振动很长时间，这说明原子系统体现出某种整体的集体行为，而非个别无相互作用原子的行为。更为重要的是，系统振动的频率与某些费米超流理论的结果吻合。

杜克大学小组称他们的实验提供了迄今关于超流最直接的证据。稍前，另外一组美国科学家（科罗拉多大学 Boulder）也用强相互作用的费米气体得到了玻色-爱因斯坦凝聚，但他们并未得到超流。要想确认发生了超流，你必须得观测到流体动学（hydrodynamics）的实验现象。

Thomas 承认他们的工作将在科学界引起争议，因为他们并未确定超流发生的转变点。相反在奥地利因斯布鲁克大学（University of Innsbruck）的Grimm小组观察到了在转变点附近集体振荡频率的突变。（M Bartenstein et al. 2004 arXiv.org/abs/cond-mat/0403716）发生突变后，振动相应也可持续很长时间。

Grimm 告诉PhysicsWeb，“Thomas小组观察到了有趣的实验现象，该现象只能用超流解释。但是，包括我们自己的实验，很难确定这种流体力学行为是由 于正常态原子间的简单碰撞，还是由于发生了超流。这是一个需要仔细研究的复杂的多体区域（complicated many-body regime）。”

在 量子力学发展的早期，卢瑟福（Ernest Rutherford）曾提出原子的行星模型，即原子中的电子围绕原子核运动。玻尔（Niels Bohr）在卢瑟福模型基础上提出了量子假说，即原子的玻尔模型，利用玻尔模型可以很好地解释氢原子光谱。但不久，玻尔模型就被“颠覆”了，年轻一代的物 理学家发现对电子使用波的概念而非粒子的概念，并让这些波动服从薛定谔方程，可以帮助他们建立更好的原子模型。但仍有许多物理学家致力于把电子描述为一个 “粒子”（局限于空间某小区域内不扩散的波包），以建立经典物理与量子物理之间的联系。如建立波动力学的薛定谔就证明：对于谐振子，存在某种特殊的态（相 干态，coherent state），其运动与经典谐振子的运动相对应，并相信在原子中也存在类似的态。但其他物理学家则认为这种特殊的态只存在于某些特定情形，对真实的原子没 有意义。近年来，随着制备Rydberg原子（大主量子数n态）的实验进展，使验证薛定谔的猜想逐渐成为可能。

弗吉尼亚大学 （University of Virginia）的物理学家Haruka Maeda和Thomas Gallagher现在证明薛定谔的思想是正确的。在他们最近的实验中，首先使用激光使Li原子最外层电子获得极高能量，然后在原子附近加微波场，这些场 与电子的运动发生共振，从而使电子也以相同频率作轨道运动。实验中，电子以椭圆轨道围绕原子核运动了15000圈。该结果发表在4月2日的物理学评论快报 （Physical Review Letters）上。这个实验作的非常干净而且漂亮，在他们之前也曾有人用类似的技术使电子围绕原子核运动了数十圈。但这次他们使用微波场控制电子的运 动，实现了对电子更多的操控，从而获得了确切无疑的实验结果。该实验的结果将有助于为某些激光器产生超纯光（extremely pure light）。

M D LaHaye et al. 2004 Science 304 74

量子力学中的不确定原理（uncertainty principle）说明我们不能同时无限精确地测量粒子的位置和速度。不确定原理被认为是描述微观领域（即原子尺度）的基本物理规律；但对宏观物体而言（如人），则适用于经典物理学，经典物理学中不存在不确定性原理。

“宏观”与“微观”之间是否存在一个界限呢？不确定原理是否能适用于更大尺寸的物理系统呢？最近Schwab及其合作者研究了一个硅氮化合物制造的只有8微米长振荡器的运动。这个与日常事物相比非常纤细的振荡器，相对原子尺度而言是“宏观”的，约相当于10¹²个氢原子质量。

研究者把这个振荡器放在距一个单电子晶体管（single-electron transistor）600纳米处，单电子晶体管在这里是充当振荡器运动的传感器，这二者之间通过一电容器耦合在一起。对该系统加以电压，振荡器开始振动，并使系统温度降低至10^-6K （millikelvin）的低温。因为只有温度降的足够低，才能使振荡器由于热涨落导致的无规振动足够小，并使零点量子涨落（quantum fluctuations）导致的振动体现出来。这个零点振动就是由量子力学不确定性原理导致的，它使振荡器不能停止在平衡位置处。

当振 荡器向探测器（单电子晶体管）靠近或远离时，通过晶体管的电流就会发生变化。通过测量这个电流，物理学家就可以测量振荡器的振幅，其灵敏度可达到比零点涨 落振幅仅大1/10，物理学家们目前正在努力增加探测器的灵敏度，并继续降低振荡器的热振动。他们也计划对更大尺寸的物体进行研究。这些实验正在揭示物理 学中的一个秘密，即多大的尺度是量子世界的终点、经典世界的起点。目前的实验说明这个界限应当是不存在的，这激励物理学家们对更大尺寸的物体进行研究。

Schwab说，他的小组还将把该系统用于量子计算的研究。

同 我们的太阳相比，AU Mic要小一些，它只有太阳一半的质量，十分之一的能量输出。比起太阳46亿年的年龄来说，它现在还是个婴儿——仅1200万岁。加州大学伯克利分校的保 罗·卡拉斯(Paul Kalas)小组使用位于夏威夷的James Clerk Maxwell望远镜发现了AU Mic。最令人感兴趣的是AU Mic膨胀着的圆盘状尘埃，从这颗星出发，它扩张到了异常巨大的210天文单位(AU，1AU=1.496×10⁸km)，或者说 达到了200亿英里（1英里＝1609米）。二十多年前曾发现绘架座β星(Beta Pictoris)也被尘埃盘包围着，该星质量大约是太阳的2.5倍，距我们65光年。现有的关于尘埃盘的直接图像相当少，而AU Mic所观测到的尘埃盘是自发现绘架座β星20年来最直接的图像。事实上，尽管AU Mic和绘架座β星目前处于天空中完全不同的部位，但是卡拉斯认为它们应当是姊妹星，它们大约同时在空间中的同一区域形成并一起绕着银河系运动。

对AU Mic的辐射进行分析显示，尘埃颗粒现在离恒星很远：在半径17个天文单位（AU）内似乎没有尘埃的存在。“在AU Mic系内部缺少这种尘粒正是有轨道运行的行星存在的迹象，”夏威夷大学的迈克尔·刘（Michael C. Liu）说。“这颗行星清除掉内部所有的尘埃，并把它们阻挡在更靠外的区域。”

展望未来，研究者们计划更详细地观察这个尘埃圆盘，并希望 能够获得更精确的观察结果甚至发现行星。“我们不能让时间倒流来观察我们的太阳系，这很不幸”刘说。“但通过研究这些非常年轻的恒星，我们可以研究行星是 如何在它们周围形成的，然后间接的了解我们太阳系的起源。”这一发现已在最新的一期Science上发表，并还会发表天体物理学期刊（Astrophysical Journal）上。

原文连接：Scientific American: Nearby Star Is Surrounded by Stuff of Planets
Science: Discovery of a Large Dust Disk Around the Nearby Star AU Microscopium

背景资料：
近年科学家不断努力，寻找太阳系外面，是否有另外的“太阳系”和行星，但是，太空中的灰尘，常常将这些行星隐藏，妨碍科学家的研究。美国太空总署(NASA)的科学家最近发明了一种新的方法，利用太空灰尘上的图案，推断是否有行星和另外的“太阳系”，隐藏在灰尘内。

科 学家利用这种新的方法，观察地球附近三个星球，这三个星球是绘架座β星、天苑四(Epsilon Eridani)和织女星(Vega)；科学家估计，绘架座β星有一个比地球的质量大十倍的行星，离星球约六十五亿哩的轨道上运行，形成一个只有单一行星 的“太阳系”。科学家估计Epsilon Eridani也有一个只有木星质量十分之二的行星，而Vega则有比木星质量大两倍的行星。科学家解释说，隐藏在太空灰尘的行星的引力，会影响灰尘的分 布，形成一些美丽的图案，如漩涡和弯曲等，行星不同的质量和轨道，会引起不同的图案，从研究这些图案，科学家便可以判断是否有行星存在，和行星的质量和轨 道。图中所见，是科学家拍摄到星球附近灰尘的图案，左下角是科学家拍摄到Vega附近灰尘的图案，左上角是科学家假设这实星球有一个行星，而作出的电脑模 拟图案；右下角是Epsilon Eridani附近灰尘的图案，右上角是电脑模拟图案。