新發現的亞原子粒子對夸克理論提出挑戰
key words: quantum entanglement (量子纏繞態)
挑戰"夸克相互作用理論"
愛因斯坦Vs玻爾
據二○○三年五月1日新科學家網站報導，物理學家在斯坦福線性加速器(SLAC)上發現的理論上預言的新粒子，但是新粒子的質量顯著小於理論預言值，對“夸克相互作用理論”提出了挑戰。
夸克是組成中子質子等粒子的亞原子粒子。新發現的粒子名為DS(2317)，物理學家認為它屬於粲－奇異夸克介子。粲夸克和奇異夸克是兩種不同的夸克，它們和它們的反夸克組成粲－奇異夸克介子。利用夸克之間的強相互作用模型可以計算出這些介子的質量，計算出的粲夸克和反奇異夸克組成的DS介子質量約為２５００兆電子伏。但是測量到的粒子質量比算出的DS的質量小了１０％。卡內基梅隆大學的實驗粒子物理學家若依.布里葉(Roy Briere)博士說：“這些看起來確實是真實的 --雖然結論令人吃驚，但是他們對得到的數據作了所有正確的處理。”
物理學家目前還無法解釋新粒子質量與理論預言的偏差。如果結論被證實，意味着現在的夸克理論存在重大的缺陷。
微觀粒子間神秘聯繫的穩定程度超出科學家預期
科學家們發現處於“量子纏繞態”(quantum entanglement) 的兩個光子可以通過金屬片而不失去這種聯繫。這一發現意味着粒子間的這種量子聯繫比科學家們原先認為的要穩定。這一發現已發表在《自然》雜誌2002年7月出版的418卷上。
“量子纏繞態”是至今還不能被科學家們很好解釋的存在於微觀粒子的一種奇特的聯繫。在量子力學研究中，科學家們發現原來處於同一系統的微觀粒子在分開後，無論它們相距多遠，仍然保持一種瞬時的聯繫，一個粒子狀態的改變可以瞬時地使另外粒子的狀態發生相應的改變，這種奇異狀態被稱為量子纏繞態。這種現象最早由物理學家愛因斯坦(Albert Einstein)等提出。1935年，愛因斯坦在與玻爾(Niles Boher)關於量子力學完備性的爭論中，與兩個同事一起提出了這種量子纏繞現象。他們並不相信這種現象真的存在，他們提出這一現象是想以它作為量子力學的不完備的證據，因為它直接違反了物理學中“定域性”和愛因斯坦的“狹義相對論”。但幾十年以後科學家們在實驗上真的發現了這種現象。
科學家們原以為粒子的這種量子纏繞會因為它們與其它物質的相互作用而被破壞掉。但荷蘭雷登(leiden)大學科學家厄爾文·阿爾特維切爾(Erwin Altewischer)研究組發現這種觀點不正確。他們用一塊單晶把光子分成一對能量較低的極化互相纏繞的光子，然後他們把這些光子打在厚度足以擋住光子的金箔上。在這些金箔上面布滿很多直徑為200納米(一納米等於10億分之一米)的小孔，雖然因為這些小孔太小光子無法直接通過，但他們發現光子在金箔表面產生的一種被稱為等離激元(plasmon)的表面電子波可以穿過金箔上的小孔並在金箔的另一面湮滅而發射出光子。他們對打到金箔以後的光子進行的測量表明，無論是一個光子還是兩個光子同時被轉化成等離激元，經過這一過程後的這些光子仍然處於量子纏繞態。
阿爾特維切爾認為光子的量子纏繞在光子被轉化成等離激元以後還能保持，這一發現可能被用於開發一種新型的量子計算機或量子編碼系統。
“這是一個好兆頭，因為它表明量子纏繞在我們原先以為它不能保持的一些過程可以繼續被保存，”厄克色特爾(Exeter)大學光子學(photonics) 專家比爾巴爾內斯說，“如果他們在這一過程中能保持，那麼它能在另外的什麼過程中可以保持嗎？”
對量子纏繞現象的本質目前科學家們仍然沒有什麼線索。量子力學的多世界理論倒是可以解釋這種現象：多世界理論認為粒子同時存在於很多個不同的世界中。在我們這個物質空間中相距遙遠的粒子，在另外的空間中可能近在咫尺，所以對一個粒子的擾動，另外粒子可能會即時受到影響。無論這種量子纏繞的本質是什麼，有一點是肯定的，這就是現代科學對物質之間聯繫的認識還很不全面。這種聯繫可能不僅存在於微觀世界，也存在於宏觀世界。中國古人可以利用天象的變化預測人事的變遷，而這種天象發生的地點離我們地球可以非常遙遠，可能就是對這種聯繫的認識和運用。這些聯繫對現代科學來說現在仍然是個迷。
科學家發現粒子間的纏繞依賴於它們的相對運動狀態藝術家想象中的量子纏繞粒子
據Science Daily網站報導，美國國家航空航天局(NASA)噴氣動力實驗室的科學家發現神秘的量子纏繞態與觀察者相對於微觀粒子的運動有關，這種量子纏繞可以由觀察者的相對運動來產生或者破壞掉。這一發現已經發表在2002年12月號的《物理評論快報》上。
“量子纏繞”是科學家們在微觀粒子世界中發現的一種神秘的現象。處於量子纏繞態的粒子，相互之間似乎“心有靈犀”，無論相距多遠，對其中一個粒子的干擾會瞬時地影響到量子纏繞態中的其它粒子，也就是說這種關聯的傳播好像不需要時間。這顯然違反了愛因斯坦的狹義相對論“光速不可逾越”的結論，因此當初他從量子力學理論中推導出這一結論時，他並不相信這種現象真的存在，而是試圖利用這一結論來證明量子力學的不合理，並稱之為“幽靈式”的聯繫。但是後來的實驗證明這種量子纏繞現象的確是存在的，它是目前熱門的量子超光速傳輸研究的基礎。
NASA的克利斯托弗.阿達米博士(Christoph Adami)和羅伯特.金里切(Robert Gingrich)博士是最先用愛因斯坦的相對論來研究粒子之間的量子纏繞。他們比較了粒子在靜止時和被加速時的纏繞程度，發現當通常纏繞的粒子在被加速會失去這種纏繞聯繫，一些特殊製備的粒子對在被加速時則增加這種纏繞聯繫程度。
了解一些靜止時不纏繞的粒子之間如何僅僅通過運動就可以獲得量子纏繞，可能有許多潛在的重要應用。比如，處於纏繞的粒子可以用來校對原子鐘，這對於太空飛船的在太空深處的旅行至關重要。另外，量子纏繞在對量子通訊和量子計算都扮演着重要的角色，這一發現對這些領域也會產生重要的影響。
量子纏繞態是迄今科學家們仍然無法圓滿解釋的一種現象，它暗示事物之間的聯繫能力也許遠遠超出現代科學的認識。對其本質的認識可能會使現代科學在一些關鍵問題上取得重大的突破。
粒子物理始終是理論物理的一個非常活躍的前沿。從夸殼理論的提出到粒子物理發展到今天，人們似乎難以知道夸殼以下究竟是什麼。實際上，粒子物理的發展除了受現有觀測技術，實驗技術的制約外，更主要的是同樣受到人們認識觀念的制約。打個比方說“如果把一個氫原子放大到地球這麼大，那麼此時在觀測圍繞着氫原子運動的電子時會出現什麼情況和結果呢？那麼此時又用那些物理量來描述電子的運動的特徵呢？那麼此時 在來研究質子和電子的結構結論又會如何呢？”反之，如果把地球縮小到只有一個乒乓球那麼大拿在手中，你可曾想到手掌大的一個小球裡面竟生活了幾十億人呢！事實上，是認識的方法和觀念上的障礙導致現有粒子物理面臨難以迴避的挑戰和缺陷。其實，豈止是粒子物理，這個現代科學都面臨着同樣的問題。
科學家利用中子星的熱核爆發研究其內部結構
美國航空航天局網站11月7日消息，在一個中子星 (Neutron Star) 表面發生28次系列熱核爆發（thermonuclear blast）期間，科學家利用歐洲太空總署（ESA）的XMM牛頓X-線探測衛星對這種神秘的物體進行了許多關鍵的測量。中子星是由中子直接組成的緻密星體。我們眼睛所見的地球上的物質通常是由分子組成，分子由原子組成。和中子相比，分子之間，原子之間以及原子和分子內部都有巨大的空隙，因此和我們日常接觸的物體相比，中子星的密度大得驚人。一個典型的中子星的密度約是地球密度的100萬億倍左右，一個火柴盒大小的中子星物質質量高達幾十億噸。
這次測量到的這個中子星是雙星系統EXO 0748-676的一部分，位於飛魚星座。科學家估計這個中子星質量約為太陽的1.4倍，直徑為16公里左右。基恩·科塔母(Jean Cottam)博士和他的研究組首次利用光在中子星的極端引力場中穿過其大氣層時發生的頻率偏移現象（即引力紅移）研究了中子的內部結構，首此獲得到了這個中子星質量和半徑的比率，這一結果發表在《自然》雜誌11月7日號期刊上。科塔母博士說：“只有在中子星發生熱核爆發引起其臨近區域大放光彩時我們才能測到射出的光與中子星極端引力場相互作用而留下的特徵。”
因為光線的引力紅移直接決定於中子星的質量和半徑，其質量和半徑比又決定了其內部物質所遵從的狀態方程，所以這類測量對於了解中子星的性質有着非常重要的意義。如果能夠得到中子星精確的質量半徑比，科學家可以確定中子星內超流體（superfluid）的特性及其相互作用--類似於粒子物理學家在粒子加速器中尋找的現象。這次測量得到的結果還首次證明了中子星在自然界中是的確存在的。
“不象太陽的內部結構已經被我們清楚地了解，中子星對人類來說象是一個黑盒子，”論文的合作者，哥倫比亞大學的弗里茲·培雷爾斯(Frits Paerels)博士說，“我們在中子星這個黑盒子上開了第一個小孔。現在理論工作者們可以憑着我們提供的數據繼續探索。”
重要的是，論文的另一合作者，荷蘭空間研究所的馬里亞諾·門德茲博士(Mariano Mendez)指出，這一工作開創了利用引力紅移研究緻密星體的新方法。也許可以利用它來尋找新一類的緻密天體，如夸剋星等。
現代科學的新發現特別是天體物理學所觀測到的現象極大地開拓了我們人類的視野。一些物質如中子星，黑洞等，因為它們都遠遠超出了人們在日常生活中的經驗，在幾十年前甚至更近的時間內，人們都曾經懷疑它們的存在，而今天都已經相繼被實驗觀測所證實。人們在日常生活中所固守的一些觀念，如看不見，或者現代科學還沒認識到就一概加以否認甚至反對，已經一再被證明是不“科學”的。現在科學不能解釋，不能觀察的一些現象，將來可能是人們的常識。
