宇宙探索之暗物质与暗能量

1、宇宙探索之暗物质与暗能量一、暗物质和暗能量是21世纪最大科学之谜在宇宙学中,暗物质是指那些不发射任何光及电磁辐射的物质。图为科学家绘制出的宇宙暗物质三维数字分布图。白春礼为我们讲物质科学编者按未来科技的发展将给人类带来什么样的变化?公众对此充满遐想。在今年举行的第三届江苏省青年科学家年会上,中国科学院院长白春礼院士作了题为科学发展与物质科学变革性研究的特邀报告,他带领与会者走近物质科学发展的前沿未来,由物质科学前沿突破推动的种种神奇的变革性技术将百花盛开,为人类的未来生活带来便捷。今天,我们编发的这篇文章,对白春礼的报告做了解读,希望让广大读者分享这份“科普大餐”。纳米绿色制版:引领印刷业技术

2、新变革物质科学大显身手的地方有很多,不仅仅局限在科技领域,同样引领文化的传承与发展。也许这会让人疑惑,一向分门别类的科学事业和文化事业,怎样在物质科学前沿技术的发展下,统筹前行,共促发展呢?中科院院长白春礼为我们指点迷津。文字传承文化,活字印刷术被誉为我国古代最具影响力的四大发明之一,这是印刷行业的第一次飞跃。二十世纪,第一台汉字激光照排机诞生,我国重大工程技术成就激光照排技术实现了我国印刷技术跨越式发展。虽然激光照排技术比古老的铅字排版工效至少提高5倍,被印刷业广泛应用。但是这种技术也不是十全十美的。白春礼指出,因为激光照排是将文字通过计算机分解为点阵,然后控制激光在感光底片上扫描,用曝光点

3、的点阵组成文字和图像,带来的废液排放严重污染自然环境。无论是激光照排技术,还是现在流行的计算机直接制版技术(CTP技术,其基础都是感光材料预涂层及感光成像技术。面对印刷业对资源的浪费和环境的污染,物质科学在纳米尺度的研究基础上,将一种纳米绿色制版技术提上研究日程。白春礼介绍说,这种纳米制版技术不避光、低成本、无污染、高度自动化,将解决目前感光化学成像带来的污染和浪费问题;这种直接物理成像过程大大简化了工艺流程,降低了成本,也使印刷的控制变得更加简单、方便和高效,真正实现了直接制版的绿色数字化时代;纳米粒子有效增强转印材料的耐摩擦性,可同时避免微米颗粒复合引起的打印头堵塞及分辨率低等问题,纳米科

4、技的应用,不仅大大提高了耐印力,而且有效地提高了影像的精度。不需要感光成像、不会污染环境、印刷流程缩短由物质科学纳米尺度研究领域,催生出以“非感光、低成本、无污染、高度自动化”为特征的纳米绿色制版技术,将推动我国印刷行业的技术进步,成为取代激光照排和计算机直接制版技术的前沿印刷制版技术。量子密码:未来网络通信安全守护神二十一世纪的今天,我们过多地依赖网络去工作和生活,网络通信、电子商务、电子金融大量敏感信息通过网络去传播,为了保护个人信息的安全性,防止被盗和篡改,信息加密成为解决问题的关键点。有没有绝对可靠的加密方法?加密密钥被窃取或破译的可能性有多大?在物质科学量子尺度的研究领域里,量子密码

5、研究给了我们一个很好的答案。白春礼指出,经典的保密方式理论上已经被证明是可以破解的,而基于量子学原理的保密方式,则在理论上是不可破解的。量子密码术是密码学与量子力学结合的产物。这种加密方法是用量子状态作为信息加密和解密的密钥。简单来说,量子加密就是利用具有特殊量子性质的光子产生密码的技术,量子的一些神奇性质是量子密码安全性的根本保证。他举例说,2004年在北京与天津之间成功实现了125公里光纤的点对点的量子密钥分配,解决了量子密码系统的稳定性问题。2007年,在北京商用光纤上实现了40公里范围内四用户的城域量子通信网络。2009年国庆60年庆典,在关键区域之间也构成绝对安全的实时语音加密量子通

6、讯热线,保证了信息传递的安全和准确性。量子通信技术的发展,让人们看到了信息安全的曙光,但是白春礼同时指出应用的一个难题:光纤存在固有的光子损耗,所以光量子传输难以通过光纤向远距离拓展。因为近地面自由空间通道会受地面障碍物、地表曲率、气象条件的影响,因此光量子传输难以在地面自由空间中向远距离拓展。但在自由空间中,环境对光量子干扰极小,如果光量子穿越大气层进入外层空间,损耗更接近于零,所以利用卫星平台,克服地表曲率的量子通信技术已经在研究之中。微观物质研究:解密奇幻未知空间宇宙是怎样形成的?通过将高度活跃的质子以超快速度撞击到一起,可以上演微缩版的“宇宙大爆炸”。以“小”见“大”,两颗微小的质子竟

7、能揭示宇宙起源的奥秘,这正如白春礼所说,在物质科学的研究中,宏观、微观是有着密切联系的。物质科学中,还有空间尺度和未知尺度的研究。空间尺度研究的基本科学问题,是天体提高分辨率观测方法,天文甚长基线干涉技术推动了我国探月工程的进程;在未知尺度领域里,暗物质和暗能量的发现,大尺度的天文观测技术和微观粒子的实验探测,将使物质世界得到全新认识。在谈到未知尺度的研究时,白春礼指出,暗物质和暗能量是二十一世纪最大的科学之谜,暗物质存在于人类已知的物质之外,已知物质的能量和暗物质的能量相比小于三分之一。暗物质的问题源于天文观测,但最终解决则依赖于物理学与天文学的结合,它是天文学与物理学的交叉与融合的前沿。从

8、宇宙、地球、分子、原子、电子到物质结构,对物质科学的深入认识,将拓展对已有重要科技概念的理解,开辟新的研究领域,萌芽若干变革性科学技术,进而带动行业和产业的发展。二、暗物质和暗能量也许根本不存在神秘的暗物质和暗能量的确切性质,一直是天文学界争论的焦点。然而英国天文学家的最新研究却发现,据以确定宇宙物质组成的标准宇宙模型可能是错误的,暗物质和暗能量也许根本就不存在。自上个世纪60年代宇宙微波背景辐射被发现后,作为“大爆炸”的遗迹,其被众多天文学家作为构建标准宇宙模型的基础,而关于宇宙物质构成的确认也主要依据宇宙微波背景辐射图谱的分析。2001年6月,美国宇航局(NASA发射了威尔金森微波各向异性

9、探测器(WMAP,该探测器在宇宙学参量的测量上提供了许多比早先仪器更准确的数值,依据它提供的数据,宇宙是在不断加速膨胀的。科学家据此提出是暗能量、暗物质的存在导致了宇宙的加速膨胀。认定宇宙是由4%的“正常”物质,如行星、恒星、小行星和气体等、22%的即不辐射也不吸收光线的暗物质和74%的暗能量组成。而英国达勒姆大学的汤姆·尚克斯教授和他的学生尤坦恩·萨万维特在向英国皇家天文学会提交的最新研究报告中却称,他们对WMAP望远镜的图像平滑方式进行了更为细致的分析,结果发现,图像的平滑处理程度远比以前认为的要大,这意味着对宇宙微波背景辐射的测量并不像过去认为的那样准确,实际的微波背景辐射起伏远比过去认为的要小得多,而目前据此建立的的宇宙标准模型可能是错误的,暗物质和暗能量也许根本不存在。尚克斯教授则表示,宇宙微波背景辐射是一个十分有用的分析工具,但还不足以用来作为判定宇宙中暗物质和暗能量存在的充分证据。“如果我们的结果是正确的,那么关于暗物质和暗能量充斥宇宙的说法就不会再有说服力。”他指出,目前的宇宙标准模型需要经过更多的检验， 希望正在服役的欧洲普朗克卫星会收 集更多的宇宙微波背景数据， 并提供更多关键信息以助科学家解答关于宇宙的一 系列基础问题。 总编辑圈点： 就人类认识自然而言，宇宙学是古老的学科，也是年轻的学科。从