新闻追踪
科技广角 BRIEF

 

土星和木星上演世纪相合
文/石 乔

2020年12月21日,太阳系中两颗巨大的气态行星——土星和木星,发生了“合”的现象。
为了研究天体的位置与运动,天文学家引入了一个假想圆球,并称其为天球。如果把假想圆球的球心设置在地心,这个天球就是地心天球。由地球坐标系延伸而成的地心天球坐标系中的经度和纬度被称作赤经和赤纬。如果以地球公转的轨道平面与天球相交的大圆(黄道)作为基圈,这样形成的坐标系就是黄道坐标系,其经纬度被称为黄经和黄纬。
“土木合”是指以地球为中心看,木星与土星的赤经或黄经相同。对于肉眼观察者而言,在合现象发生前后,相合的两个天体会距离很近,甚至近到肉眼几乎难以分辨的程度。
此次“土木合”发生时,木星和土星的视觉位置相差仅0.1度。这个角度让肉眼几乎难以分辨两颗行星。只有借助天文望远镜,才能清晰地将其分辨开来。
木星的公转周期约为11.9年,土星公转周期约为29.5年,土星和木星相合的频率并不高,差不多要20年才发生一次,而相聚如此之近,则更加难得。上一次木星、土星在天球上距离这么近还是1623年,而下次则要等到2080年了。
木星与土星是太阳系内两颗庞大的气态巨行星,它们与太阳系行星系统的形成、演化和稳定性密切相关,对它们的研究可以帮助科学家理解和认识太阳系外类似的行星系统。
可以3D打印的超亮荧光固体材料
文/冯子涛

科学家发明了一种制造荧光固体材料的新方法,获得了有史以来最明亮的一类荧光材料。这种材料可以进行3D打印,将来有望应用在太阳能电池板上,使其从阳光中获取更多的能量。
能够发出荧光或在紫外线下发光的染料大约有10万种,它们能吸收某一波长的光后发射出另一波长的光。传统的荧光染料在液体状态下发光,因为这时染料各个分子之间相距较远。当荧光染料被制成固体材料后,分子彼此靠得较近,会相互干扰,难以再保持其原有的发光性能。这意味着用荧光染料制成的固体材料,比如用于纺织的纤维,不能再发出最初的荧光,这个问题已经困扰了化学家150年。
最近,美国印第安纳大学的科学家为这一难题找到了解决方案,他们将名为“氰星”的环状分子与染料混合。待混合物凝固后,形成了小分子离子隔离晶格。氰星能够将带阳离子的染料隔开,使它们彼此保持较远的距离,这样即使它们处于固体状态,也能保持原有的荧光性质。尽管在从液体到固体的转换过程中,亮度仍然会损失一些,但利用这种方法制备的固体材料的发光性能至少比其他材料提高了10个数量级。
该技术可用于任何带阳离子的染料,与3D打印技术相结合后,获得具备优良发光性能的固体发光材料。这项技术可以通过将来自太阳的红外线或低频可见光转化为太阳能电池可以捕捉的形式,提高太阳能电池的效率。
可供人类穿越的虫洞
文/莫问水

虫洞是两个黑洞之间的隧道,连接着遥远的时空区域。通常情况下虫洞是无法让人通过的。
爱因斯坦的广义相对论描述了引力和时空的行为。根据广义相对论,大多数虫洞要么在有东西掉进去时关闭,要么体积极小并很快会消失。
美国普林斯顿大学的科学家最近发现了如何在遵循我们所知的物理定律的情况下,维持一个可穿越的虫洞的存在。
他们经过计算得出结论,如果时空有一个额外的维度,理论上将允许量子场存在。量子场的波动可以产生负能量,从而阻止虫洞坍塌。
为了在物理上成为可能,穿越虫洞到达一个遥远的地方所花的时间比以光速直接穿越空间到达那里所花的时间要长。然而,由于广义相对论的影响,虫洞中时间的流逝与外界不同,因此,对于进行虫洞旅行的人来说,他们并不会感到旅行的时间太久。
掉进虫洞并不是一种愉快的体验,你会缓慢地加速到极高的速度,当你从虫洞出来的时候会减速。这一过程类似于自由落体,就好像地上有个洞,你掉入洞中,几秒钟后,从另一边的洞口穿出来。
任何落入虫洞的东西都会被加速到接近光速,对于进行虫洞旅行的人来说,这是一种非常危险的状态。除非虫洞被彻底清理干净,否则与其中的任何尘埃颗粒高速碰撞都是致命的。
提高藻类光合作用效率的聚合物
文/赵 辉

向藻类中添加某种合成聚合物可以提高植物的光合作用效率,这将有助于研制更高效的生物燃料。
在植物吸收阳光进行光合作用的过程中,通常只有不到5%的阳光被转化为能量。中国科学院王树研究团队将一种捕光聚合物与一种淡水绿藻——小球藻融合在一起,对其光合作用效率进行了对比研究。
研究团队在水溶液中培育藻类,并添加了一种简称为PBF的聚合物,使这种聚合物与藻类细胞的表面结合。PBF具有较高的绿光吸收率,可以使光合作用的速率增加,并产生更多的光合作用产物,如氧以及在细胞中携带能量的三磷酸腺苷(ATP)。
该实验主要是在弱光条件下进行的,在这种环境下,小球藻光合作用效率的提升很明显,产生的氧气分子增加了120%,三磷酸腺苷分子增加了97%。同时,藻类的最大生长速率也增加了110%。
该团队也测试了更明亮的光线对光合作用产物的影响。在明亮的光线下,添加PBF的藻类产生的氧气分子数量比普通藻类增加了12%。进一步增加光线的亮度,当藻类达到其光饱和极限时,光合作用效率的提升变得不再明显。
该研究团队正在其他植物上试验这种方法,这种具有优异的捕光能力、水溶性和生物相容性的合成聚合物,在生物燃料生产和未来能源应用方面将具有广阔的应用前景。
奇异的过冷水
文/乔 娟

科学家在对过冷液态水的研究中获得了新的证据,表明水可以同时以两种不同的液体形式存在。
几十年来,科学家一直对过冷水感到困惑。过冷水是指不结冰而冷却到冰点以下的液态水。以前的研究发现,当水被冷却到极低的温度时,水分子聚集在一起的程度(即它们的密度),开始发生波动。
从那以后,越来越多的证据表明,这些波动可能表明过冷水中存在两种不同的液体,其中一种液体的水分子挤得更紧密,而另外一种液体的水分子则相距更远。不过,对过冷水的研究存在诸多困难,因为过冷水通常在形成后几纳秒内就会冻结。
美国太平洋西北国家实验室的一个研究小组通过向极薄的冰层发射激光,从而能够在比以前低得多的温度下短暂地产生和分析过冷的液态水。在水处于过冷状态的几分之一秒内,研究小组利用红外光谱法获得了水的结构的快照。红外光谱法是一种利用被测物质的分子对不同波长的红外线吸收程度不同而对物质进行分析的方法。
重复实验显示过冷液体的密度波动与双液体假说相一致。研究小组发现,在大约-93~-33°C的温度范围内,过冷水可以在两种液体形式之间转换。
该团队还发现,通过在临界范围内升高或降低温度,可以改变两种液体的比例,这表明双液体现象不能简单地用水结晶成冰来解释。科学家认为,这是水的双液体结构最清晰的实验证据。进一步了解水这种独特的化学性质,可以帮助我们预测水在特殊条件下(比如外太空)的表现。
长颈鹿头上的“避雷针”
文/洪 涛

长颈鹿是世界上现存最高的陆生动物,站立时由头至脚可达6~8米,颈部长度平均为2.4米。长颈鹿之所以有如此长的颈部,是自然选择的结果。长颈鹿的祖先生活在稀树草原地带,那里的树木多为伞形,树叶大部分位于高处。颈部越长,长颈鹿就能吃到越多的树叶,而颈部较短的长颈鹿由于无法获取食物,逐渐被自然淘汰。
不过,长长的颈部除了让长颈鹿进食更容易之外,也会给它们带来危险。
在南非罗克伍德保护区,科学家一直在追踪着由8只长颈鹿组成的鹿群。在一场暴风雨后,科学家发现,有2只长颈鹿被闪电击中而死。经过调查,科学家发现其中一只长颈鹿的头上有一个伤口,正好位于其头顶外包皮肤和茸毛的小短角部位。这个小短角似乎在暴风雨中起到了避雷针的作用。
在非洲大草原,夏季经常会有雷暴和降雨天气。作为世界上最高的动物,又处于开阔的草原地带,长颈鹿往往比其他动物更容易受到雷电的攻击,而它们头顶上的小短角似乎也增加了对闪电的吸引。
虽然经常有人类遭受雷击死亡的记载,但关于雷电造成动物死亡的数量和频率的数据却很少,另外动物的具体死因也很难验证。这次2只长颈鹿被雷电击中死亡的实例,为相关的研究增添了宝贵数据。不过,要想了解易遭雷击的体形是否会对长颈鹿的自然选择产生影响,还需要进行更多的研究。

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