科学家是如何观察到原子的三体运动的,有什么意义?

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科学家是怎样“看”到原子的~

至今,电子、原子等粒子还是科学家的猜想,并没有真正观察到它们的真面目。但这种猜想符合物质的变化规律。


每个人都希望时间能够倒流,这样我们就能和去世的亲人重续欢乐,修正自己那些错误的人生决策,抹去自己以往的糗人糗事。然而最近一组科学家对黑洞三体运动的研究,可能会让您彻底失望了,因为他们揭示了宇宙的终极秘密时间永不可能反转,即使你试图反转时间,也回不到过去的时刻。

对于绝大多数物理定律来说,时间都无所谓方向,不管它向哪一个方向流动,物理定律照样起作用,这在物理上有一个高大上的名字,叫做时间反演对称性。按照这个说法,我们的太阳系在银河系中运行,如果把让时间倒流,它就会循着原来的轨迹,又运行回去;我们的地球绕着太阳运行,如果让时间倒流,它就会循着原来的轨迹,又倒退回去。就像我们反转视频,倒放录像一样,丝毫不差,完全回溯过去的轨迹。

但葡萄牙阿威罗大学天文学家Tjarda Boekholt领导的一组科学家已经证明,只需要三个引力相互作用的物体,就能打破时间反演对称性。而我们的宇宙是由无数个引力相互作用的物体构成的,所以即使时间倒流,也没法再回到以前的某个状态;正如我们最多只能准确预测几百万年后太阳系中天体的位置,时间再长一些,有些事情就不是我们所能预测的了。在牛顿力学和广义相对论下,我们无法完全准确地描述这些相互作用。

研究人员利用以前编写的一个名为“布鲁图斯”(Brutus)的N体模拟代码,模拟了三个黑洞互相运行的情形,使用蛮力计算来降低数值误差的量级。在模拟中,科学家们先让黑洞从静止开始相互靠近,进入复杂的轨道运动,直到其中一个被踢出为止;然而他们让模拟反转,在时间上向后运行,试图恢复整个系统到初始状态。

结果发现,在5%的情况下,模拟结果是无法逆转的,只需要对系统进行普朗克尺度的扰动,也就是0.000000000000000000000000000000000016米的改变,其指数般累积的改变,就足以让系统回到另一种完全不同的状态。而普朗克尺度已是宇宙中最小的尺度,即使是一个原子,都要比它大上亿亿亿倍数量级。

研究人员认为,N体运动从根本上是“不可预测的”,问题的根源不是我们的模拟,而是宇宙的自然法则,是宇宙的内秉属性。

所以我们可以抛却时间倒流的梦了吗?忘记过去,把握现在,展望将来,做好真正的自己,或许才是我们该有的人生态度。我们的人生无法靠缝缝补补获得完美,这是宇宙的内秉属性,没有任何人能够改变,哪怕上帝来了,也只能让你节哀顺变。活在当下,做好自己能做好的一切,其它的,就让上帝的归上帝,宇宙的归宇宙吧。

单个原子是什么模样,原子与原子之间是如何相互作用的?对其它生命,不,对其他人来说,这些都是闻所未闻,想所未想的事情。不过最近,来自新西兰奥塔哥大学物理系的科学家,却在极为复杂困难的情况下,第一次抓住了3个原子,并观察了它们之间相互作用的情景,或将大大影响未来的技术进步。

原子的尺度大约在100亿分之一米,也就是说,把你食指指甲盖大小的东西横切1亿次,竖切1亿次,取其中一块出来,大约就是一个原子的大小了。不过我建议你先别慌着去厨房找菜刀,看完本文后你再权衡一下做不做这个实验。

为了抓住单个的原子,科学家们运用极为专业的知识,耗费了大量时间和精力,组装了一个极为复杂的设备,包括激光器、镜子、真空室和显微镜等。在实验中,科学家们在高度纯净的真空室里,使用高度聚焦的激光——所谓的光镊,捕捉到了3个铷原子,并把它们冷却到只比绝对零度高百万分之一度的温度,从而观察到了量子世界的“三体”运动。

这种三体运动是由科学家们控制的,他们利用光镊“拈起”铷原子,将它们导向彼此,观察到了多种形式的碰撞情形,从而能准确理解发生的事情。至少在这次实验中,他们观察到的三体重组速度比以前预期的要慢,这与当前的理论预测明显不符,这让科学家们非常兴奋,但原因暂时还不明朗。

科学家们认为,这种分子水平上的观测,让我们对原子如何碰撞,如何相互作用有了更深刻的理解,可以为构建和控制特定化学物质的单个分子提供一种途径,并为未来计算机和互联网技术的发展提供更为强大的动力。目前的手机之所以能超越上世纪80年代的超级计算机,唯一的动力就是,我们可以在越来越小的规模上研究物质。

原子是构成物质的基础,如果技术的发展让我们可以在原子层面,方便地观测其运动,并建立起类似牛一、牛二、牛三和万有引力定律那样的量子运动规律,人类科技发展将彻底迈进一个新的时代。




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