70. 日本科学家用激光移动 DNA
DNA 分子非常小，因此很难对其进行操作。所以，当进行基因治疗实验的生物学家想将单个 DNA 链插入细胞时，他们通常会注射几十个。研究人员真正需要的是一把微型镊子——很快他们就能得到。日本研究人员最近开发出一种方法，可以使用激光在 DNA 分子长度的任何一点上抓住它，将其移动到所需位置，然后释放。这项技术由德岛大学和丰桥技术科学大学的物理学家 Ken Hirano 及其同事开发，将 DNA 分子悬浮在含有微小聚苯乙烯珠的水基溶液中。为了抓住 DNA，Hirano 将激光束聚焦在链上的一个点上。激光束会产生一个微弱的电场，吸引大约 40 颗珠子聚集在该分子点上，就像灰尘粘在涤纶外套上一样。移动激光，一切都会随之移动——电场、珠子以及整个 DNA 链。关闭激光，珠子就会飘走。Hirano 希望这种激光镊子能为基因治疗测试提供更精细的控制和分析。他开玩笑说：“也许我们甚至可以用 DNA 分子编织东西。”— Jeffrey Winters
2. 中微子之谜已解 对物理学家来说，2002 年可能是中微子年。10 月，宾夕法尼亚大学和布鲁克海文国家实验室的 Raymond Davis Jr. 获得了诺贝尔奖，以表彰他探测到太阳中微子，并发现太阳发出的这些幽灵般的亚原子粒子比预期的要少得多——这一发现暴露了我们对基本自然法则理解的严重缺陷。去年春天，一个国际物理学家团队进行了一项巧妙的实验，最终解开了 Davis 近 30 年前发现的谜团。关于太阳发光的标准模型精确地说明了太阳核心的核反应应该产生多少中微子。检验这些模型非常具有挑战性。中微子非常惰性，它们大多直接穿过地球，但 Davis 在一个巨大的地下探测器中设法捕获并计数了几个。他感到震惊：他只发现了理论预测数量的三分之一。此后，反复的统计数据证实了太阳中微子亏缺。最近，加拿大安大略省的 Sudbury 中微子天文台和日本的 Super-K 探测器的物理学家们提供了一种可能的解释。已知中微子有三种“风味”，每种都与另一种亚原子粒子相关。直到最近，物理学家们实际上只能探测到一种风味，即电子中微子。根据理论，这应该是太阳核心氢核聚变产生的类型。然而，一些物理学家推测，某些太阳中微子在传播过程中可能会转化为其他风味，从而极难找到。去年，Sudbury 和 Super-K 探测器的初步证据显示了这种中微子转化的初步迹象，但统计精度有限。然后，在 4 月份，在 Sudbury 工作的一组物理学家宣布了一项具有挑战性的新研究结果，该研究将所有三种中微子类型的总通量与仅电子中微子通量进行了比较。数据显示，绝大多数中微子已转化为其他两种风味中的一种或两种，即μ子中微子和τ子中微子。“我们清楚地发现，到达地球的电子中微子不止这些，”Sudbury 项目总监 Art McDonald 说。这些结果意味着，与物理学家的假设相反，中微子并非没有质量；否则，这种转化是不可能发生的。这一发现迫使研究人员修订描述宇宙中所有基本粒子相互作用的物理学标准模型。“这是该模型 20 多年来首次重大扩展，”加州劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家 Kevin Lesko 说。有质量的中微子也将解释一些被认为能将星系和星系团聚集在一起的不可见物质。“中微子是一个我们才刚刚开始理解的谜，”Lesko 说。— Maia Weinstock
42. 超光速物理学
根据相对论，超光速通信是不可能的：你的信息会在发送之前到达。因此，当两位加拿大物理学家在一月份宣布他们创造了一个速度接近光速四倍的信号时，引起了人们的关注。加拿大蒙克顿大学的物理学家 Alain Haché 通过一段 500 英尺长的电缆传输了射频脉冲，该电缆由不同阻抗水平的交替导线段组成——阻抗是衡量对电流阻力的度量。当脉冲进入每个段时，其一部分波分量会向后反射并减速，而另一部分则向前反射并加速。脉冲的前沿越来越快，最终达到了超光速。Haché 说，没有违反物理定律：“脉冲高度失真，因此脉冲的峰值比光速更快到达。但是由于脉冲的大部分能量被电缆吸收，因此整个脉冲的速度从未超过光速。”尽管如此，这项研究仍可能让世界更快地运转。当今普遍存在的同轴电缆中的信号传输速度约为光速的三分之二。Haché 的方法可能会将它们提高到正常物理学的极限。— Jeffrey Winters
65. 海森堡曾为希特勒制造原子弹的证据出现 第二次世界大战期间，德国未能研制出原子弹。战后，该项目的首席物理学家、诺贝尔奖得主维尔纳·海森堡声称，他因道德上的疑虑而拒绝向纳粹交付这种武器。这个想法启发了成功的戏剧《哥本哈根》，但二月份丹麦尼尔斯·玻尔档案馆公布的信件对其提出了质疑。信件表明，如果海森堡知道如何制造原子弹，他就会为希特勒制造。信件记录了 1941 年海森堡和丹麦物理学家尼尔斯·玻尔之间的一次神秘会晤。在他的回忆录中，海森堡写道，他利用这次会晤向玻尔建议，物理学家们应该“扪心自问，他们是否应该从事这一领域的工作”。不久之后，德国的原子能计划从制造炸弹转向核反应堆设计，这让一些历史学家认为海森堡帮助将研究引向了更和平的用途。多年后，玻尔写了一封从未寄给海森堡的信，显然是为了纠正他们 1941 年谈话的真相。在一份草稿中，玻尔写道：“我非常惊讶地看到你的记忆欺骗了你多少。你给我留下了深刻的印象，即在你领导下，德国正在竭尽全力开发原子武器，并且你……在过去两年里几乎完全致力于此类准备工作。”海森堡的传记作者、纽约赫姆斯特德霍夫斯特拉大学的大卫·卡西迪说，这一启示驳斥了对这位德国科学家的一些修正主义观点：“他并不像他被描绘的那样无辜。”— Jeffrey Winters
4. 提取反物质用于实验
欧洲联合核子研究中心 (CERN) 的研究人员在日内瓦创造了第一批数量可观的反物质原子。到 11 月，他们已经合成了数十万个反氢原子，足以开始测试物理定律是否同样适用于物质和反物质。结果可能有助于解释一个长期的难题：为什么物质无处不在，而它的镜像孪生却极其罕见？一个反氢原子由一个反质子和一个正电子组成，它们分别是质子和电子的反物质版本。在 CERN 的 Athena 实验中，一个物理学家团队通过将高能质子射击一块金属来产生反质子。为了积累正电子，研究人员使用一种新设备从放射性源收集它们。反质子和正电子都是带电粒子，因此它们可以在磁瓶中减速和被捕获。然后，粒子结合形成反氢。这些中性原子无法被磁场约束，因此它们会飞离，与周围的物质碰撞，并在 1/10,000 秒内被湮灭。尽管如此，这可能足以研究反氢的性质。下一步是使用激光照射反原子。该实验应该会产生反氢的特征光谱。丹麦奥尔堡大学的物理学家 Jeffrey Hangst 负责协调 Athena 实验，他说：“然后我们将把它与氢的光谱进行比较。”理论预测这两种光谱应该相同。任何差异都将有助于我们深入了解有利于物质而非反物质的物理过程。在更远的未来，Hangst 和他的同事们希望研究反氢如何响应引力。由于粒子的电荷，研究正电子和反质子上的引力效应非常困难。电磁力比引力强大得多，即使有重屏蔽，杂散电荷也倾向于模糊结果。同样，物质和反物质的行为也应该是相同的。“如果不是这样，那么我们对自然的理解就大错特错了，”Hangst 说。— Jeffrey Winters
