[原创]中国梦重在延伸推进应用创新

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[watermark]二、中国梦重在延伸推进应用创新
中国的事是现实的，中国人也很讲现实。就像快速、低成本、全方位地测定有“中国特色”的PM2.5大气污染的粒子的一样，如何去测定类似大型强子对撞机中的碎片雨粒子？以及在与生活和生产相关上，如何抓住去应用？都是一些很现实的中国梦。
1、联系测定雾霾PM2.5粒子看这类中国梦， 可知测定类似大型强子对撞机中的碎片雨粒子之难。例如“PM2.5”监测计数器，这是测试空气尘埃粒子颗粒的粒径及其分布的专用仪器，它由显微镜发展而来，经历了显微镜、沉降管、沉降仪、离心沉降仪、颗粒计数器、激光空气粒子计数器、PCS纳米激光空气粒子计数器的过程。而按测试原理还有光散乱法测试、显微镜法测试、称重法测试、粒径分析仪法测试、惯性法测试、扩散法测试、凝聚核法测试等。再按测试通道则有单通道（只测某一种粒子径）；双通道（测试某两种粒子径）； 多通道（测试多种粒子径）等。
1）PM2.5颗粒物浓度监测网以美国来说，1999年才建立，开始采用的也只是一种手工的、24小时滤膜采样实验室称重的方法。从2008年开始美国环保署，才开展了对自动的PM2.5颗粒物监测仪的认证工作。由于PM2.5颗粒物由多种物质组成，并以不同的形态存在于环境空气中，在进行自动监测过程中需要排除，由于颗粒物的吸水性，带来的测量结果偏高，和挥发性物质在分析过程中丢失，造成的测量结果偏低等问题。
2）中国气象科学研究院硕士生导师、著名灰霾专家吴兑说，更小的PM1和PM0.5细粒子才是罪魁祸首。因为问题的复杂性是，在PM2.5中，0.4微米到0.7微米之间的细粒子灰霾，正好是可见光的波长范围----同样波长的可见光，碰上同样粒径大小的细粒子，就会被散射或是被吸收，进而在视觉上产生霾。这里PM1和PM0.5，是指粒径不大于1或者0.5微米的细粒子，它们是比PM2.5粒子更小的细粒子，而0.4微米-0.7微米的细粒子，也恰恰包括在此两个指标的监测范围内。如果PM1和PM0.5的监测都超标，那么说明，那些导致霾天气出现的细粒子（0.4微米-0.7微米）的浓度是非常高的，所以能见度极低。这些肉眼看不到的空中飘浮的颗粒物，是由矿物尘、硫酸盐、硝酸盐、有机碳氢化合物、黑碳、硫酸和硝酸微滴等粒子组成。
但中科院大气物理研究所研究员王跃思说：截至目前，尚无一种仪器能准确无误地测定PM2.5浓度。无论是国内国外甚至美国，对于粒径更小的PM1和PM0.5粒子，都还处于试验性监测状态，并没有向外公开，相关指标数据只能在相关研究机构中看到。
3）环境保护部副部长吴晓青说：“十二五”期间，国内要建设近1500个PM2.5监测点位，前期投入将超过20亿元。PM2.5监测主要有称重法、β射线法、光散射法。我国国内监测PM2.5主要有两种自动监测方法：β射线法和振荡天平法。以这两项技术为基础开发的PM2.5颗粒物监测仪，也已进入我国的环境监测领域；这种具有自主知识产权的仪器，对我国突破国际进口技术和产品依赖、解决当前环境污染防控监测设备的需求是有战略意义的。而现有的技术水平，实时测量PM2.5的仪器大致有三类。
请看其中之一的Beta射线法的PM2.5颗粒物监测仪，它的复杂性就涉及由PM10采样头、PM2.5切割器、样品动态加热系统、采样泵和仪器主机组成。流量为每小时1立方米的环境空气样品，经过PM10采样头和PM2.5切割器后成为符合技术要求的PM2.5颗粒物样品气体，在样品动态加热系统中，样品气体的相对湿度被调整到35%以下，样品进入仪器主机后，颗粒物才被收集在可以自动更换的滤膜上。在仪器中滤膜的两侧，分别设置了Beta射线源和Beta射线检测器。随着样品采集的进行，在滤膜上收集的颗粒物越来越多，颗粒物质量也随之增加，此时Beta射线检测器检测到的Beta射线强度会相应地减弱。由于Beta射线检测器的输出信号能直接反应颗粒物的质量变化，仪器通过分析Beta射线检测器的信号变化，得到一定时段内采集的颗粒物质量数值，结合相同时段内采集的样品的体积，最终报告出采样时段的颗粒物浓度。
2、但对测定类似大型强子对撞机中的碎片雨是何种粒子来说，PM2.5监测是简直难以相比的，也许暗物质的监测，才可以相提并论。
1）2013年2月18日美国麻省理工学院物理学家丁肇中领导的研究团队对外宣布，阿尔法磁谱仪（AMS）发现了弱作用重粒子（WIMP）存在的证据。WIMP是一种暗物质的候选体，根据一些流行的理论，暗物质可能包含有大质量弱相互作用粒子，即WIMP。当两个WIMP相互碰撞时，它们能够彼此湮灭，进而产生一个电子-正电子对，从而使正电子部分接近50%的比例。这种额外的正电子，之前曾经有过记录，AMS的数据则证明了这些额外的正电子是真实存在的。但由于暗物质是突破了标准模型的观测现象，与普通物质相互作用弱，难以探测。即使每天可能有几万亿个暗物质，以高速穿过你的身体，也不留下任何痕迹，让你完全感受不到。科学家曾对这种物质，做过很多理论猜测。
2）例如，惰性中微子温暗物质、引力微子温暗物质、轴子冷暗物质等。但最被看好的暗物质模型是所谓弱作用重粒子。主要因为这种粒子，与普通物质有弱相互作用，所以具有可探测性。对于许多其他的暗物质模型，由于与普通物质的相互作用更弱，使得探测它们的可能性更小。77岁诺贝尔奖获得者丁肇中报告说，根据标准天体物理学理论，“正电子部分”应该是很少的，并且会随着能量的增加而减少；但他们的AMS测量的正电子的比例，以及电子和正电子的总数，发现正电子部分从100亿GeV能量的5%，上升至该能量35倍的15%。这些额外的正电子可能来源于暗物质。
3）然而阿尔法磁谱仪发现的来自太空的额外反粒子WIMP，也可能发射自一种旋转的中子星，即所谓的脉冲星，或者是宇宙中的其他天体排放出的亚原子。如有物理学家认为，一个天体物理学源头，也能形成具有急剧能量削减的粒子，这很容易把一个临界点加入到一个天体物理学模型当中。即便AMS看到了一个临界点，这种观测结果也可能是模棱两可的。因为AMS观测结果的本身细节，也可能让它更难以根据暗物质解释这种额外的正电子。如AMS的数据表明正电子过剩的能量，已经超过了之前的探测能够达到的水平，这也就意味着WIMP的重量至少为300GeV或400GeV，而这已经改变了理论模型，所以AMS可能陷入绘制暗物质的困境，盯着天空也无法解释正电子过剩的现象。
3、有人不买AMS的账，可见探测暗物质粒子也不是一件容易的事。因为即使测到了，要判定到底哪一种解释是正确的，也要耗费数年的时间。
朱也旷先生说，20世纪物理学的万神殿里供奉着一长串闪光的名字：爱因斯坦，玻尔，海森堡，卢瑟福，普朗克，狄拉克，薛定谔，费曼，费米、朗道，威滕……而近代科学的实验原则，为科学的发展奠定了一个坚实的基础，使其免于古老的形而上学所必然遭遇的根基不牢的处境。所以当致力于大一统理论的物理学家半个世纪以来，愈加沉湎于眼花缭乱的数学技巧，且习惯于在高维时空(26维的弦理论，10维的超弦理论，11维的M理论)游荡时，这门学科似乎存在被连根拔起的可能。
1）朱也旷也许要想表达LHC的中国梦是不可能的。但事情并非如此，因为理论与实验体制已经过有70多年的互动研究、分析，可以肯定的是，宇宙中暗物质占25%，暗能量占70%，普通物质只占宇宙质量5%。目前“观察”这5%普通物质的最基本的包括希格斯粒子在内的25种粒子，虽然大多数仍只能通过间接的方式探测，但问题的最终的解决，关键的地方，仍是要发明出能检验这些粒子的仪器，以判定探测器中捕获的撞击、散射、交换、吸引、排斥、衰变和湮灭的基本粒子或粒子碎片，是何种粒子？
这里可以参考上海交通大学朱卡的教授，从“纳米光学质谱仪”概念就发明的一个为原子和质子等微观粒子“称重”的秤----称谓“光秤”，可以对生物DNA分子的质量、染色体的质量以及中性原子的质量，进行无损高精度的光学测量，甚至能称出单个质子的重量。光秤是怎样测出一个原子的质量的？它其原理是，把待测原子放在一个碳纳米管表面，然后用两束强弱不同的光，同时照在碳纳米管上，此时探测弱光的吸收谱，就可以精确得到碳纳米管的振动频率。而先后两次测量碳纳米管的振动频率，就能得到放入原子前后碳纳米管的振动频率的变化量；通过计算，就能得到落入碳纳米管表面的单个原子的质量。如果把光秤应用到检测癌细胞的存在上，那么根据癌变DNA分子的质量与正常的DNA分子不一样的实验总结，利用高精度的光枰称重也许能分辨出它们。
2）这里，同一种DNA分子的质量的不同，类似同位素也许可以看成是同一种细胞的“同位量”，这在物理学上似乎没有包含什么新方面或新原理。但用光枰对单个质子或中子进行测量时，其原理或许还可以适应，这是具有启发性的。
例如，高效雾水（直径为5-40μm的小液滴）的收集，也没有包含什么新方面或新原理，但对解决水资源危机却有用。这是中科院化学研究所有机固体实验室与北京航空航天大学合作，在对生长在沙漠中的耐旱植物仙人掌研究后，发现肥厚多汁的茎上，分布有簇状的刺和绒毛；对单根刺的观察表明，刺的前端被定向排列的锥形小刺覆盖，中部被宽度渐变的沟槽覆盖，尾部则由带状结构的绒毛覆盖。
这一结构的整合，导致在雾水到来的时候，凝结在刺前端的液滴被收集后，经由中部沟槽的输运，被根部的绒毛快速吸收；而新生成的表面又准备开始下一个雾水凝结-收集-传输-吸收的循环，从而形成连续的雾水收集。即刺的锥形结构导致产生的拉普拉斯压梯度，和沿刺身方向宽度渐变的沟槽导致产生的表面能梯度，共同驱动凝结在刺前端的小液滴向刺根部快速运动，这为设计测粒子高效收集器也是一种思路的启示吧。
3）微观世界的同位量、同位长现象，延伸纳米范围，电子会增重。例如，在某些超导体中，运动电子的性质极为奇特，它们好像比真空中的自由电子重1000倍，但电子运动却是毫无阻力的。产生这种现象是由于“量子纠缠”的过程，该过程决定了晶体中运动电子的质量。这是将电子冷却到超低温形成某种固体物质时，这些极轻的粒子就会增加质量，好像变成了重粒。把它们冷却到接近绝对零度时，这种固体就有了超导性。
其中的电子尽管很重，却能毫无阻力地流动，不会浪费任何电能。如果用低温扫描隧道显微镜拍摄晶体中的电子波纹，这些波纹围绕着瑕疵之处扩散开来，就像在池塘里投入石头散开的涟漪。纳米技术可以对单个原子的电荷状态实现操控，如扫描式隧道显微镜能够直接观察到单个原子，通过对显微技术的不断创新，完全可以描绘出导体、超导体、绝缘体、半导体在不同温度、不同条件下的分子、原子结构图；可以通过对其静态、动态的观察，了解真实的电流运动规律。那么如果把弦论范围描述的基本粒子，比作单个的原子、分子，把夸克范围描述的基本粒子比作纳米粒子，是否可以通过对夸克范围的粒子观察，了解弦论范围的真实粒子的结构呢？
例如在纳米范围，可通过直接拍摄的电子波图像，不仅可以看到电子质量是怎样增加的，还可看到重电子是由两个纠缠电子构成的复合体。在晶体中，由于量子纠缠，电子糅合两种截然相反的行为，重电子产生于两个行为相反的电子的纠缠，其中一个被困住，绕着一个原子，而另一个在各个原子之间自由地跳跃。这是量子力学原理控制着微小粒子的行为，形成的量子纠缠，这一过程决定了晶体中运动电子的质量。而纠缠度是决定重电子形成和进一步冷却时行为表现的关键；调整晶体的成分或结构，就能调整纠缠度和电子重量。如果让电子太重，它们就会被冻成磁化状态，黏在每个原子旁边，以相同的方向自旋。但如果只是轻微调整，让电子获得合适的纠缠数量，这些重电子就会在冷却时，即当处在“迟缓”和“迅速”这两种行为的边界时，才能变成获得超导性。
对此在拓扑诱导磁性量子相变上，可从磁性掺杂拓扑绝缘体中，由能带拓扑量子相变而导致磁性量子相变。例如不同Se含量(0 ≤ x ≤ 1)的Bi1.78Cr0.22(SexTe1-x)3 薄膜的磁性相图，随着Se含量的增加，在低温下存在着一个从铁磁态（FM）到顺磁态（PM）的磁性量子相变。这可从密度泛函理论的计算看出，其物理机制是由于Se元素的自旋轨道耦合强度弱于Te元素，因此当其含量超过一个临界值时，自旋轨道耦合强度不足以引起能带反转，从而进入拓扑平庸态。有效模型的计算显示，能带结构的拓扑相变是导致磁性相变的原动力，即拓扑非平庸的能带在低温下更倾向于形成铁磁序，而拓扑平庸的能带则倾向于形成顺磁序。通过对材料组分的精确控制而改变自旋轨道耦合强度，从而可以主动调节拓扑绝缘体材料能带的拓扑结构，并最终诱导了一个磁性量子相变。如在T＝1.5 K时的反常霍尔效应曲线，在x＝0.67附近材料发生从铁磁到顺磁的能带结构，测量发现体能带从拓扑非平庸到拓扑平庸的量子相变。
4）而弦论范围描述的基本粒子，也可以改变夸克范围描述的基本粒子的团粒结构，这也许类似质子能够改变蛋白质N-lobe槽的形状一样。
例如蛋白质N-lobe在帮助细胞除去毒素中，发挥至关的重要作用，但也因为将靶向细胞的一些抗生素和癌症药物，踢除在细胞之外，而影响着这些药物的效力。对此科学家们在绘制转运蛋白详细结构图谱方面，取得了一些进展；他们以比之前更高的分辨率，揭示出蛋白质将毒素排出细胞外的一种机制：膜结合蛋白的形状就像一个“V”字，有一个开口端面朝着细胞外，当一个质子在蛋白细胞外侧上一个位点与之结合时，蛋白质的其中一个区段形状会由直转弯，将所有附近的外来分子推出细胞外。
5）然而到底如何去测量微观粒子呢？即使走建造类似国际直线对撞机（ILC）的道路，而拥有一个2500亿电子伏能量的“希格斯粒子工厂”投入使用，以生产大量的希格斯玻色子帮助研究人员在更高的精度水平了解该粒子的性能，并能支持顶夸克、暗物质微粒，甚至是可能的额外空间维度研究，但它是否能判断是希格斯粒子，或是其他的是何种粒子呢？因为这说到底，是需要利用性能独特的材料，研制出部件更少、获取图像效率更高的探测器。这也许类似机场中安检的探测仪器。这里需要用透镜以及配套的机械传动装置，对物体进行扫描，以得到图像。测粒子，得到能识别是何种基本粒子的图像之重要，在于等待扫描过程完成之前的“摄像头”收集到的量子信息。但对整个物体在一个固定点的扫描，这只能得到的是生成二维图像。
从类似原子、质子、中子、电子等范围的同位素、同位旋现象，延伸在弦论范围的“同位量”、“同位长”现象看，在任何原子、质子、中子、电子等范围延伸到弦论范围，其基本粒子或粒子碎片雨，根据存在波粒二象性的同时，也应该存在类似“同位量”和“同位长”离散运动群的这两种量子信息。因此能否研制一种新型的“超级材料”，可以同时处理“同位量”和“同位长”这两种量子信息的量子纠缠态呢？在1948年，惠勒曾提出“延迟选择实验”验证光子纠缠态的构想，他说，由正负电子对湮灭后所生成的一对光子，应该具有两个不同的偏振方向。吴健雄和萨科诺夫完成的该实验，证实了惠勒的预言，生成出第一对互相纠缠的光子。由此，量子纠缠态在测量是何种基本粒子的“同位量”和“同位长”格点谱图像方面，可大展宏图。
例如有一种“超级材料”，其微观结构是由一个个方形孔隙组成，每个方形孔隙都经过调谐，可以通过特定频率的光波。将这种材料蚀刻在铜片上后，即可获得被检测物体的微波图像，而起到传统探测器摄像头的作用。这种材料在被蚀刻于铜片之后，具备很强的可塑性，并且坚固耐用。在使用时甚至可以像地毯一样铺在地上，由于该材料上每个孔隙都可以单独接收某一频率光波所形成的图像，因此，将不同频率光波形成的图像合成后，即可获得被检测物体的全景图像。即这种“超级材料”中的每个孔隙，都相当于一个单独的“摄像头”；即使生成的是二维图像，其效率也要比传统仪器高出许多，并使得在获取图像的同时，对图像进行压缩、处理，还能获得三维图像。
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