《科學美國人》3位作者獲得諾獎,讓我們一起重溫他們寫就的經典

2021-02-15 環球科學

本屆諾貝爾獎科學類獎項得主共有8位學者,美國共有3位諾獎得主,日本有2位,中國有1位(屠呦呦因青蒿素的發現獲得生理學或醫學獎),加拿大、瑞典各1位。

在這些諾獎得主中,有3位曾為《科學美國人》撰稿。其中,物理學獎得主梶田隆章(Takaaki Kajita)在1999年8月號的《科學美國人》上與另外兩位作者一起發表文章《探測有質量的中微子》(Detecting Massive Neutrinos);物理學獎得主阿瑟·B·麥克唐納(Arthur B. McDonald)曾在2003年4月號的《科學美國人》上與另外兩位作者一起發表文章《解決太陽中微子問題》(Solving the Solar Neutrino Problem);化學獎得主保羅·莫德裡奇(Paul Modrich)曾在2006年6月號《科學美國人》上發表文章(Engineering Life: Building a Fab for Biology,見《環球科學》2006年7月號《組裝生命的生物工廠》)。作為《科學美國人》中文版,我們十分榮幸地宣布,迄今已有155位諾貝爾獎得主為《科學美國人》撰寫了249篇文章。

讓梶田隆章獲獎的超級神岡探測器的工作完成於1998年,讓阿瑟·B·麥克唐納獲獎的薩德伯裡中微子天文臺的工作完成於2002年,兩位科學家均在成果發表的次年,就為《科學美國人》撰文,介紹自己的重大發現。《環球科學》會與《科學美國人》一樣,始終關注全球重大研究,和讀者一起站在科學的前沿。今天你在《環球科學》上看到的報導,它們的作者也許在若干年後也會成為諾貝爾獎得主。

下面,我們就給出幾位科學家當年為《科學美國人》撰寫的文章,一起重溫科學史上那些激動人心的重要時刻。

探測有質量的中微子(Detecting Massive Neutrinos)

來自《科學美國人》1999年8月號


撰文 愛德華·卡恩斯(Edward Kearns) 梶田隆章(Takaaki Kajita) 戶塚洋二(Yoji Totsuka)

一個人的廢品可能是另一個人的寶藏。對於物理學家來說,背景噪音是廢品,信號則是寶藏。在過去的二十年來,好幾個團隊都在尋找質子的衰變,這是極為罕見的信號(如果真的存在的話)。如果真能找到質子的衰變,就將成為支持大統一理論的有力證據。迄今為止,物理學最成功的理論是標準模型,而大統一理論(Grand Unified Theory)則是有希望超越標準模型的候選理論。為了減小誤差,探測本就十分罕見的質子衰變過程,科學家將探測器建造在極深的地下,然而就算如此,來自宇宙射線,具有極強穿透能力的中微子,還是會對設備造成影響。

日本的神岡探測器(Kamiokande)就是第一代的質子衰變探測器,它運行於1980~1995年,沒有找到任何質子衰變的跡象。然而,就在尋找質子衰變的過程中,研究者卻發現本來平常的中微子背景有一些難以理解了。通過對1 000次中微子與水分子反應的數據信息,我們發現中微子似乎可以在不同類型(稱為「味」)之間互相轉換,一旦證實,這一發現的重要性不亞於發現質子衰變。

在粒子物理學領域,取得進展的最常見方式就是建造一個大型機器,因此,神岡探測器的升級版「超級神岡探測器」(Super-Kamiokande)就誕生了。這一探測器中裝了50 000噸水,一旦從宇宙來的中微子與水分子中的質子發生反應,就會產生切倫科夫光(Cherenkov light)。切倫科夫光錐會產生一個光環,從而可被周圍的光子探測器探測到。不同的中微子所產生的光環在大小、形狀和強度方面有所不同,因此可從中辨別中微子的種類。


我們怎麼知道共有多少中微子呢?超級神岡探測器探測的是大氣中微子,主要來自於宇宙射線。知道了大體上每秒有多少宇宙射線撞擊大氣,我們就能預測每秒我們能遇到多少中微子。但這個預測實在太粗略,怎麼辦呢?我們就採用測量兩種中微子比例的方法。不管有多少宇宙射線撞擊到大氣層,根據理論預測,μ中微子的數目應該始終是電子中微子的兩倍。經過兩年的觀察,超級神岡探測器團隊發現μ中微子與電子中微子的比值約為1.3比1,而不是預料中的2:1,而造成這個結果的原因只有一個,就是中微子從一種類型轉變成了另一種類型,即μ中微子轉變成了τ中微子。

解決太陽中微子問題(Solving the Solar Neutrino Problem)

來自《科學美國人》2003年4月號


撰文 亞瑟·B·麥克唐納(Arthur B. McDonald) 喬舒亞·R·克萊因(Joshua R. Klein) 戴維·L· 沃克(David L.Wark)

為什麼為了研究太陽,要在兩千米深的地下建一幢10層的樓房?這聽起來實在有點奇怪,但這一設備——薩德伯裡中微子天文臺(Sudbury Neutrino Observatory),卻成了解開太陽中物理過程之謎的關鍵。早在1920年,英國物理學家愛丁頓就提出太陽的能量來源是核聚變,但驗證這一猜想的努力在20世紀60年代卻遇到了巨大阻礙。按照理論預測,太陽中的核聚變會放出一定量的中微子,但實際觀察到的中微子數量卻遠小於預測值,這一「中微子失蹤之謎」讓物理學家倍受困擾。

標準模型認為有三種完全不同的中微子:電子中微子,μ中微子和τ中微子,並且它們都是無質量的。太陽中心的核聚變只會產生電子中微子,因此早期實驗只集中尋找電子中微子的蹤跡,如將氯原子轉變為氬原子等等。然而,實驗表明,標準模型是不完備的,中微子的三種「味道」並不涇渭分明,而是以某種方式混合在一起,這也就是太陽發出的電子中微子神秘消失的原因:它們變成了其他類型的中微子。對於中微子「味」的改變,最受歡迎的解釋是中微子振蕩(neutrino oscillation),即中微子的三種味都是由不同質量狀態混合而成。支持此解釋的最強證據來自於1998年日本超級神岡探測器的發現(也就是上一篇文章的內容),但超級神岡的實驗結果並沒有排除中微子通過其他機制消失的可能。


與此前其他中微子觀測設備不同的是,SNO採用重水(即其中的氫原子比普通氫原子多了一個中子),而不是普通水來探測中微子,中微子在經過這1 000噸重水時,一旦發生反應,就會產生高能電子,通過切倫科夫光被探測到,這使它可以直接對三種中微子平等地計數,繼而確認此前觀察到的中微子「失蹤」不是觀測誤差,也不是因為愛丁頓的理論錯了,中微子的確是通過中微子振蕩的過程發生了轉變,最終證實了太陽能量來自核聚變。

組裝生命的生物工廠(Engineering Life: Building a Fab for Biology)

來自《科學美國人》2006年6月號,《環球科學》2006年7月號


撰文 生物工廠研究小組(Bio Fab Group),包括2015年諾貝爾化學獎獲得者保羅·莫德裡奇(Paul Modrich)

點擊這裡,閱讀《組裝生命的生物工廠》全文。這篇文章,曾讓很多讀者第一次知道了「合成生物學」這個新興研究領域。

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