美欧物理谁争先,送给特别的你

图片 1想成为功夫片里的大侠,踩着水面飞奔吗?你真的可以做到——如果你在月球上的话!图片来源:miramax.com

 

|· 本文来自“我是科学家”·|

2013年的搞笑诺贝尔奖(Ig Nobel)今天公布,其中物理学奖颁给了意大利科学家阿尔伯托·米内蒂(Alberto Minetti)、尤里·伊万年科(Yuri Ivanenko)、吉尼那·卡佩里尼(Germana Cappellini)、纳迪亚·多米尼西(Nadia Dominici)和弗朗西斯科·拉夸尼蒂(Francesco Lacquaniti),因为他们发现,一部分人有能力在池塘的水面上飞奔而不沉下去——前提是,如果这些人和那个池塘在月球上的话。

编者按:瑞典皇家科学院于2013年10月8日北京时间18:45分,授予弗朗索瓦·恩格勒(François Englert)和彼得·希格斯(Peter W. Higgs)诺贝尔物理学奖,获奖原因是他们提出了希格斯机制。

今天就是七夕了,遥想曾经的迷妹们都是通过“掷果盈车”来表达对男神的爱慕之情,正好我的邻家男神是个“果蔬爱好者”,不如这次也走个复古路线,送他水果好了。

在水面上飞奔是只有少数动物能够完成的一项绝活。事实上,大部分能够成功完成这一“壮举”的生物都是水黾科昆虫,它们利用表面张力漂浮在水面上,支撑自己轻盈的体重。但是,由于表面张力与周长成正比,而体重与体积成正比(差不多与周长的立方成正比),所以表面张力无法承载更大的动物。

图片 2就算证实了希格斯机制,物理学家却发现,前路依旧彷徨。图片来源:washingtonpost.com

不过,作为七夕礼物,虽不求超今冠古,但清新脱俗还是必须得有的。超市里平平无奇的水果肯定不是良选,得找到符合男神气质的“专属水果”才行。

大一些的动物采用另一种策略避免自己沉入水中,那就是奔跑:它们用充沛的体能踩击水面,产生水动力(hydrodynamic force),反作用于腿部,以支撑它们的体重。双冠蜥就是具备这种能力的典型代表,它们通过超快速踩水(每秒8次),能够在水面上奔跑。北美在求偶时也会高速踩水,每秒达到7次,最远可以在水面上飞奔超过20米——而它们的体重,可以达到1.5千克。

(文/ Marcus Chown)7月4日,是美国的独立日。2012年的美国独立日,却是欧洲科学界辉煌的一天——瑞士日内瓦郊外的大型强子对撞机(LHC),在这一天宣布发现了希格斯粒子。

于是,我联系了多年前结识的二次元好友——现就职于MYB植物基因公司的李雷。得知我的需求后,李雷直接带我去了他们公司独家赞助的“鹊桥会”果蔬展。

图片 3双冠蜥通过超快速踩水(每秒8次),能够在水面上奔跑。图片来源:PLoS ONE

不过,对诺贝尔奖获得者利昂·莱德曼(Leo Lederman)而言,这是美国科学界黯淡的一日。他曾是美国费米国家加速器实验室的主任,同时也是将希格斯玻色子戏称为“上帝粒子”(God Particle)的始作俑者。

我们来到鹊桥会的举办地桃花源。这一天的桃花源可谓热闹非凡——有挥着小扇轻扑流萤的;有调琴煮茶,谈笑风声的;有挑着货担交流心得的;还有或坐或卧,赏鹊歇息的。周边果园林立,色彩纷呈,时有清风过,落英自缤纷。

在各类武侠片里,大侠们借助轻功能够轻易在水面上打斗。但现实生活中,科学家通过研究双冠蜥在水面上奔跑的行为,计算得出了一个毫不出奇的答案:我们太重太弱,无法在水面上奔跑。按照估算,水动力不可能承载起我们的体重,除非我们能以超过30米/秒的速度踩击水面——这个速度需要的肌肉力量是普通人的大约15倍。

在与美国年轻的粒子物理学家克里斯托弗·希尔(Christopher Hill)合著的《超越上帝粒子》一书中,莱德曼哀叹美国政客的短视。他认为,正是美国政府在1993年决定关闭超导超级对撞机(Superconduction Supercollider),让美国从基础物理高能研究的前线鸣金收兵。

 “你们是怎么想到同鹊桥会合作的?”我忍不住好奇地问。

一种方式可以稍稍绕开这一限制,那就是增大脚掌的面积——或者说,穿着巨大的鞋子或者脚蹼来奔跑。不过,有科学家计算过,就算一个人的体力非常好,踩水的速度非常快,能够达到10米/秒,他要在水面上飞奔,脚掌(鞋底)面积也必须达到1平方米才行。

不过,虽然美国国会可能确实没有莱德曼和希尔所说的“领袖范儿”,但将之全部归究于美国国会也有欠公允。当时,超导超级对撞机计划在美国得克萨斯州的华兹堡地下挖一条巨大的圆形隧道,而那边厢的大型强子对撞机则提出要利用已有的地下环形隧道。要将接近光速的粒子束约束在这么小的赛道上,只有超导电磁铁产生的磁场才能做到,而在LHC提出那会,超导电磁铁还只存在于科幻小说中。

 “需求及市场”,李雷解释道,“鹊桥的声名远播吸引众多游人前来,尤以七夕最盛。而此地盛产果蔬,在七夕当天格外畅销,那些风味独特、个性十足又有益健康的果蔬品牌愈加受到追捧。我们公司看好精准果蔬定制前景,并且培育出一系列果蔬新品,而这里毫无疑问是最佳宣传平台。”

于是,意大利的那帮物理学家就想到了另一个点——减轻体重。当然,他们不是在提倡减肥,而是假设在更小的重力环境下来研究这个问题。确切地说,他们研究的是:穿着相对较小的脚蹼(不到0.1平方米),在较弱的重力环境下(大约是地球重力的20%),特定的踩水动作能否让水面支撑起人体的重量。至于为什么要这么做,他们在论文中给出了回答:“据我们所知,以前还没有人在这样的重力环境下测试过,人到底能不能在水面上奔跑。”

简单点说,欧洲科学家展现出的,正是美国科学界在阿波罗登月计划期间表现出的那种超凡的胆识和敢干的精神。结果,颇为讽刺的是,他们最终向凑钱投入的欧洲各国政府展示的总预算,反倒大大低于美国这边的天文数字。

李雷拿出宣传册道:“我先为你介绍下我们公司吧。我们的品牌MYB其实得名于植物基因中一段保守的DNA结合区——MYB结构域。”

他们在研究中采用了理论与实践相结合的办法。尽管人类和蜥蜴不论是体形还是体态都大相径庭,他们还是把前人研究双冠蜥时发展出来的水动力模型,套用到了人类身上。除此之外,他们还设计了一套实验装置,让自愿者在模拟出来的不同的弱重力环境下踩水。通过这两种方式,他们找出了让人能够像双冠蜥和北美那样在水面上飞奔所必须的踩水频率、重力大小和质量的正确组合。

尽管莱德曼和希尔对超导对撞机念念不忘,他们似乎也已经接受了这种受经费拮据所迫而展开广泛国际合作的欧洲模式。对粒子物理学的发展而言,这是更为合理的方向。

“作为植物界最大的转录因子家族之一,MYB家族可以划分为四个部门:1R、2R、3R和4R。在果蔬中,这四个部门各有分工。我们公司的部门也依此而定,而我就是其中业务最广的2R部门市场部负责人。”李雷小小的得意了一下。

图片 4那些意大利科学家还设计了一套实验装置,让自愿者在模拟出来的不同的弱重力环境下踩水。图片来源:PLoS ONE

不过,即便如此,他们还是想看到美国再次押宝粒子物理学。到2015年,LHC将开始在更高的能量上运行。莱德曼和希尔建议美国开展所谓的“X计划”与之对垒,争取在极为罕见的低能过程中,找到对基础物理学的突破。

图片 5植物中根据MYB结构域所包含的不完全重复序列(R)的数目把MYB家族划为4组。图片来源:参考文献[1]。

当人体质量为66千克,脚掌(脚蹼)长度为0.17米,踩水速度为2.504米/秒,每次踩水持续时间0.295秒时,他们的模型预言,低于0.22倍地球重力加速度的环境中,人就有可能在水上跑起来。踩水速度和踩水持续时间的数据,是他们在实验中获取的,这是人类在地球环境下体能足以维持的数值。他们的模型还表明,在月球重力环境下(0.16倍地球重力加速度),每秒踩水1.7次的话,能够在水面上奔跑的人,体重不能超过73千克,否则还是会沉下去。

这是个大胆的计划,也因此备受争议,但《超越上帝粒子》这本书的真正想要讲的是,希格斯粒子本身及其存在的首要原因。这是一段真正奇妙的故事,而这本书也讲的很好。

“那你们部门主要负责的是什么呢?”我询问道。

接下来,轮到人体实验华丽登场了!他们的实验表明,人能够在水面上跑起来的最高重力加速度,大约是0.22倍地球重力加速度。在不到0.1倍地球重力加速度的环境中,所有自愿者都能够“水上飘”。重力加速度越大,就会有越多的人沉到水里。他们在实验中还发现,自愿者选择的踩水频率和踩水速度与重力环境无关。所以就算真的到了月球上,人类可能也会以同样的方式踩水。

笼统地说,质量,跟你想象中不一样,完全不一样。按照莱德曼和希尔在书中所言,一个像μ子这样传递弱核力的亚原子粒子,会在左旋和右旋这两种状态中跳来跳去(这种跳跃在物理学中被称作zitterbewegung,即“颤动”)。

“当然是最能突显果蔬个性的部分!我们的首要项目就是优化果蔬颜值。黄酮类、类胡萝卜素、叶绿素和甜菜红素这些果蔬颜值输出的主力队员,都可以由MYB来调控。来,咱们边走边说,我得好好给你讲讲。”

这项研究到底有什么意义呢?当然不是为了到月亮上去玩“水上飘”。这些意大利科学家在论文中写道,“这些问题涉及比较生理学。”这一点倒是很显然,因为他们把蜥蜴模型套用到了人类身上。“除此之外,对水面上这种运动模式的重组和适应,或许有助于设计制造仿生机器人,也有助于寻找新的运动技能。”好吧,这就有些让人挠头了。

但是,如果μ子被加速到光速,按照爱因斯坦的狭义相对论,它的时间就会静止。光子就是一种完全感觉不到时间流逝的粒子,因此此时的μ子表现的会像一个光子那样。既然光子没有静止质量,那么按照上述类比,光速运动的μ子也就没有静止质量,它的质量被“关闭”了。在此过程中发生的唯一的变化就是,μ子在左旋和右旋两种状态间的跳跃停止了(因为它的时间静止了,无法经历任何变化)。由此可以推测,正是这种在两个状态间的振荡,赋予了μ子质量。

李雷指了指右前方的一片橘林道:“看到那片青黄相间的橘林了吧!其实它们都已经成熟,只是在左边的瓯柑中,MYB的2R部门成员——CrMYB68按时下班,负责外果皮中叶绿素降解通道打开,α、β胡萝卜素逐步代谢为叶黄素,从而使果实呈橙黄色。而右边的青瓯柑中,由于CrMYB68一直加班,使得叶绿素没机会降解,α-和β-胡萝卜素增多,叶黄素的产生减少,最后只能以这个青涩形象出现了。”

或许,要等到人类重返月球的时候,这项研究才能够有真正的实用价值吧。

这一切又与希格斯粒子有什么关系呢?在从左旋态到右旋态的跳跃中,μ子必须抹除自己的“弱荷”(weak charge,弱核力所对应的荷),但这跟消灭电荷一样是不可能的。因此,左旋-右旋变换必须要由另一种粒子来斡旋,它负责将这些弱荷带走。

图片 6这就是曾作为历朝贡品的瓯柑了,当左边黄瓯柑的CrMYB68(Cr是柑橘学名的缩写,不同物种中的MYB的区分是在相应基因前加上该物种学名的缩写)已经休息,右边青瓯柑中CrMYB68还在加班工作。图片来源:参考文献[2]

参考文献

  • "Humans Running in Place on Water at Simulated Reduced Gravity," Alberto E. Minetti, Yuri P. Ivanenko, Germana Cappellini, Nadia Dominici, Francesco Lacquaniti, PLoS ONE, vol. 7, no. 7, 2012, e37300.

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这种粒子从未在此前的实验中现身,所以其寿命一定很短,按照量子理论,这就等价于它的质量很大。它无法携带电荷,因此肯定是电中性的,而且它无法携带量子“自旋”,自旋肯定为0,因而属于玻色子。当当当,这就变出了一个希格斯粒子。

“记得东坡先生写过‘一年好景君须记,正是橙黄橘绿时’,用能与松柏比肩的橘子送人也是很有品味的。”

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根据莱德曼和希尔的说法,合群是玻色子的特征属性。正如形成电磁场的光子一样,玻色子都喜欢和同伴呆在一起,充斥整个宇宙真空。正是通过和真空中的这些希格斯玻色子持续地相互作用,μ子才被赋予了一个质量。

 “听说我们研发部就有个小哥哥,花了很大心血学习新技术,在人工气候室培育出了升级版的‘青皮血橘’,取果语‘壹志’,青皮红心,果皮夜间自发荧光,现在已经成了公司的限量款。昨天刚熟了俩,他就摘下了一个送喜欢的姑娘去了!”李雷一脸八卦道。

但相比于很容易从电磁场中产生的光子,希格斯玻色子极难从希格斯场中被拉拽出来。实际上,要想拽出一个希格斯玻色子,所需能量的准确数值高达125 GeV——这也是只有耗资90亿美元的LHC才有机会上阵一搏的原因所在。

图片 8图为发光烟草。云南纳博生物科技有限公司农业研发团队把海洋细菌的发光基因用基因枪打入到烟草植物的叶绿体基因组中,肉眼可见。图片来源:sciencenet

图片 9莱德曼与希尔合著的《超越上帝粒子》。当年,正是莱德曼所著的《上帝粒子》一书,给希格斯玻色子赋予了“上帝粒子”的称号。图片来源:prometheusbooks.com

这款定制礼物确实不错,也不知收到这样的礼物会是怎样一种体验……我心里暗想着,却被不远处苹果园中一对身着金色长袍的父子吸引了注意,于是问道:“咦,那对父子在干嘛?”只见年长者摘下了苹果套袋,年轻的男子则在苹果前转圈。

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