分类： 物理

2024 年，一种光的量子态在汹涌的互联网流量中，成功通过超过 30 公里（约 18 英里）的光纤实现了隐形传态，这一工程壮举曾被认为是不可能的。

美国研究人员的这一出色演示，或许无法帮你瞬移去上班以避开早高峰，也不能让你更快下载喜欢的猫咪视频。然而，通过现有基础设施实现量子态隐形传态的能力，朝着实现量子连接计算网络、增强加密或强大的新型传感方法迈出了具有里程碑意义的一步。

领导这项研究的西北大学计算工程师普雷姆·库马尔表示：“这太令人兴奋了，因为没人认为这是可能的。我们的工作展示了一条通往下一代量子与经典网络共享统一光纤基础设施的道路。从根本上说，它为将量子通信提升到新水平打开了大门。”

量子隐形传态与《星际迷航》中的传送系统有几分相似，能瞬间将乘客在时空之间传送。量子隐形传态获取一个物体在某一位置的量子可能性，通过小心地破坏它，将相同的可能性平衡施加到另一位置的类似物体上。尽管测量这两个物体的行为会在同一瞬间决定它们的状态，但纠缠它们量子特性的过程，仍需要在空间中的点之间发送单一信息波。

任何物体的量子态就像春日阵雨中的棉花糖，是一种模糊的可能性，在产生后不久就可能融入现实。如果不以某种方式加以保护，电磁辐射波以及移动粒子的热碰撞和摩擦，会迅速将量子特性降低为退相干。

在计算机内部屏蔽量子态是一回事，而在保护其量子态的同时，通过充斥着银行交易、猫咪视频和短信的光纤发送单个光子则要困难得多。这就好比把量子棉花糖扔进密西西比河，却指望它在另一端仍保持美味。

为了在每秒 400 吉比特的互联网流量中，保护他们单个光子的宝贵状态，研究团队应用了多种技术来限制光子通道，减少其可能与其他波散射和混合的机会。库马尔说：“我们仔细研究了光的散射方式，并将光子置于一个能使散射机制最小化的关键位置。我们发现可以在不受同时存在的经典通道干扰的情况下进行量子通信。”

虽然其他研究小组已在互联网模拟中成功将量子信息与经典数据流一起传输，但库马尔的团队是首个在实际互联网流中实现量子态隐形传态的。每项测试都进一步表明，量子互联网的到来不可避免，这为计算工程师提供了一套全新工具，用于以前所未有的方式测量、监测、加密和计算我们的世界，且无需彻底改造互联网。

库马尔说：“量子隐形传态能够在地理上相距遥远的节点之间安全地提供量子连接。但长期以来，许多人认为没人会建造专门的基础设施来发送光粒子。如果我们正确选择波长，就无需建造新的基础设施。经典通信和量子通信可以共存。” 这项研究发表在《Optica》杂志上。

大约41000年前 ，地球磁场发生了剧烈翻转 。如今 ，借助对欧洲航天局 “蜂群 ”卫星任务所收集信息的巧妙解读 ，我们得以体验这场史诗般的剧变 。

地球科学家将卫星数据与地球磁场线运动的证据相结合 ，绘制出了拉斯尚事件的地图 ，并使用如木头的嘎吱声和岩石碰撞的撞击声等自然声音来呈现它 。

2024年 ，丹麦技术大学和德国地球科学研究中心公布了这一成果 ，这是你从未听过的声音 。

地球磁场由地球核心中旋转的液态金属产生 ，延伸到太空数万到数十万公里 ，通过偏转剥离大气的太阳粒子来保护我们 。

随着地球内部铁和镍的移动 ，地球磁场也会移动 ，这意味着南北极也在不断移动 。最近 ，磁北极的位置正式发生了变化 ，它继续从加拿大向西伯利亚移动 。

在当前的方向上 ，磁场线形成闭合回路 ，在地球表面上方从南指向北 ，然后在地球内部深处从北指向南 。

然而 ，磁场偶尔会随机翻转其极性 。如果今天再次发生这种情况 ，我们指向北方的指南针将指向南极 。

上一次这样的灾难性事件发生在大约41000年前 ，在法国拉斯尚的熔岩流中留下了印记 。随着磁场减弱到目前强度的仅5% ，逆转过程使得过量的宇宙射线进入地球大气层 。

去年发表的一项研究表明 ，冰和海洋沉积物保留了这种高于正常水平的太阳轰击的同位素特征 ，在拉斯尚事件期间 ，铍 – 10同位素的水平翻倍 。

这些改变的原子是宇宙射线与我们的大气层反应时形成的 ，使空气电离并破坏臭氧层 。由于可能导致全球气候变化 ，有人推测澳大利亚巨型动物的灭绝以及人类洞穴使用的变化可能与这一事件有关 。

德国地球科学研究中心的地球物理学家桑贾·帕诺夫斯卡当时解释说 ：“了解这些极端事件对于预测它们未来的发生 、空间气候预测以及评估对环境和地球系统的影响非常重要 。”

拉斯尚逆转过程持续了250年 ，并在异常方向上保持了约440年 。在北磁极向南漂移时 ，地球磁场最多可能保持在当前强度的25% 。

近期如大西洋上空磁场减弱等磁场异常现象引发了关于当今是否即将发生逆转的疑问 ，但最近的研究表明 ，这些异常现象不一定与翻转事件有关 。

不过 ，南大西洋异常正在使该地区的卫星暴露在更高水平的辐射下 。

自2013年以来 ，欧洲航天局的 “蜂群 ”星座一直在测量来自地球核心 、地幔 、地壳 、海洋 、电离层和磁层的磁信号 ，以便我们更好地了解地球的地磁场并预测其波动 。

两个电流猛烈碰撞形成闪电的瞬间已被捕捉到，这首次揭示了该过程在地球上产生强大伽马射线中所起的作用。
这一观测证实了相关假设，即与闪电相关的地面伽马射线闪光（TGFs），是强大电场将电子加速到接近光速的结果。
在日本石川县金泽市进行的观测中，由大阪大学物理学家和田雄基领导的研究团队，使用了先进的多传感器装置，以慢动作捕捉了多个波长下相互碰撞的闪电。
和田解释说：“研究源自闪电的TGFs等极端过程的能力，使我们能更好地理解地球大气中发生的高能过程。”
虽然云地闪电的形成很快，但并非瞬间完成，它需要由先导闪电开辟出一条路径。空气天然导电性不佳，但风暴活动导致大气中电荷积累，能产生一条空气电离通道，电流可沿此流动。这就是先导闪电，它可以从云层向下出现，也能从地面向上产生。
TGFs被认为是雷暴产生的强电场将电子加速到接近光速的结果。这些级联过程被称为相对论逃逸电子雪崩，被广泛接受为TGFs的成因。
当电子突然减速，因与大气中的原子核碰撞而偏转时，能量损失以伽马射线的形式表现出来，这是一种减速辐射，称为轫致辐射。
研究人员搭建了一个地面设备，用于监测无线电、光学和高能波长的闪电，能够捕捉微秒级别的细节。
有趣的是，他们的结果表明TGFs和闪电并非同时发生，而是TGFs在闪电之前出现。但这里涉及的时间增量极小，在我们眼中绝对像是同时发生的。只有借助最先进的设备，我们才能看到这一事实。
研究团队观测到两个先导闪电，一个带负电，从雷云中向下冲向地面的电视广播塔，另一个带正电，从塔向上蜿蜒伸展。
就在两个带相反电荷的先导闪电相遇之前，它们之间出现了一个高度集中的电场，电子在其中被加速到相对论速度。
第一个伽马射线光子在先导闪电碰撞前31微秒（百万分之31秒）被检测到。整个TGF爆发持续到先导闪电相遇形成闪电后20微秒。
这是科学家首次观测并记录这一过程，为闪电风暴如何产生足够能量来创造伽马辐射（电磁光谱中能量最高的光形式），提供了全新且极为详细的见解。
日本原子能机构的物理学家土屋春文表示：“这里进行的多传感器观测是世界首创。尽管仍存在一些谜团，但这项技术让我们更接近理解这些迷人的辐射爆发机制。”
该研究已发表在《科学进展》杂志上。

费米实验室的物理学家对一个长期存在争议的值进行了有史以来最精确的测量，即被称为μ子的基本粒子的磁 “摆动”。
有些令人失望的是，该测量结果与标准模型高度吻合，这意味着它可能并不像一些人所希望的那样隐藏着任何奇异的新物理学。
μ子与电子类似，但其质量约为电子的207倍。理论上，μ子在磁场中的运动方式应该是非常可预测的，这可以用所谓的旋磁比（或g因子）来概括。
在简单的情况下，g因子的值应该是简洁的2，但当然事情没那么简单。μ子的磁运动存在一定的反常，就像圆周率略大于3一样，μ子的g因子似乎也略大于2。
有多小的差异呢？根据费米实验室μ子g – 2实验的新结果，这个差异仅为0.001165920705。该测量纳入了六年粒子加速器实验收集的数据。
研究团队表示，这个最终数值的精度达到了十亿分之127。为了说明这种精度水平，研究人员称，如果以这种精度测量美国的宽度，就能察觉是否少了一粒沙子。
但这项研究真正有趣的部分在于，它为解释这种反常磁运动的新力或新粒子留下了空间。
一个名为μ子g – 2理论倡议的相关项目着手检验标准模型对该值的预测。他们纳入了比以往更广泛的数据集，最新计算结果为0.00116592033。这使得它与实验得出的值极为接近，几乎没有为任何酷炫、奇异的物理学发挥作用留下空间。
“μ子的反常磁矩，即g – 2，很重要，因为它为粒子物理学的标准模型提供了一个敏感的测试，”美国能源部高能物理办公室的实验物理学家雷吉娜·拉梅卡说。
“这是一个令人兴奋的结果，很高兴看到一个实验以精确测量明确告终。”
当μ子在磁场中自旋时，其磁极本质上应该与磁场对齐。但事实并非如此，相反，它会有轻微的摆动，就像一个不平衡的旋转陀螺。如果这种摆动特别极端，可能意味着μ子受到了看不见的未知粒子的推动。
真空并非真正空无一物，由于量子涨落，虚拟粒子对不断地产生和消失。这些短暂闯入我们现实的粒子会以各种方式影响附近的其他粒子。
由于μ子相对较重，它对虚拟粒子的影响特别敏感。因此，通过精确测量μ子超出预期范围的摆动程度，物理学家可以计算出这些神秘虚拟粒子的性质，有可能开启标准模型之外的新物理学领域。假设性的解释可能包括暗光子或超对称性。
μ子的g因子几十年来一直是困扰物理学家的一个有趣难题。2001年，μ子g – 2实验的第一个版本揭示了理论与实践之间的巨大差异，这表明可能存在问题。
此后几十年的进一步实验带来了越来越精确的测量，同时计算标准模型预测的技术也在同步改进。然而，不匹配的情况仍然存在。
当前版本的μ子g – 2实验于2018年启动，每年进行一次新的实验运行，直至2023年。前三轮运行的数据分两批发布，每一批似乎都越来越指向新物理学。
最新测量纳入了全部六轮运行的数据，这使得数据集比上次发布时增加了两倍多。这些数据不仅更丰富，质量也更高，因为利用了设备的改进。
对于那些希望在物理教科书中增添新篇章的人来说，遗憾的是，在这种情况下，一切似乎都符合预期。但这并不意味着我们知晓了一切，暗物质甚至引力尚未纳入标准模型，所以仍有许多空白有待填补。
这项研究已提交至《物理评论快报》杂志，并可在预印本服务器arXiv上获取。

近二十年前，一个在南极洲高空漂浮的实验捕捉到了一个奇怪信号。2006 年，旨在捕获从上方落下的宇宙射线无线电脉冲的南极脉冲瞬态天线（ANITA）记录到了来自下方的短暂无线电波脉冲，这一事件看起来就像一场颠倒的宇宙射线阵雨，并非从表面反弹，而是从冰盖下发出。

2014 年，这个由气球携带的仪器套件记录到了类似事件，此后科学家们一直困惑不解。没有哪种解释完全说得通，这表明可能是一种科学界未知的粒子在作祟。宾夕法尼亚州立大学的天体物理学家斯蒂芬妮·维塞尔解释说：“我们检测到的无线电波与冰面夹角非常陡峭，大约在冰面以下 30 度。”

“这是个有趣的问题，因为我们实际上仍未找到这些异常现象的解释，但我们知道它们很可能并非代表中微子。”该信号本身，即一个非常短暂的无线电波脉冲，与我们可能从难以捉摸的陶中微子看到的信号非常相似，但有几个原因使得将该信号解释为中微子很难说得通。

科学家们曾认为，这样的中微子可能来自超新星，然后穿过地球，从另一侧穿出。然而，只有 2014 年的那次探测与可能产生该中微子的超新星时间相符，2006 年的探测则未发现此类事件。此外，探测到的陡峭角度意味着中微子在从冰中穿出之前必须穿过岩石。中微子一直能穿过物质，这是它们的特性，也是我们称它们为“幽灵粒子”的原因，但这并非问题所在。

维塞尔说：“任何时刻都有十亿个中微子穿过你的拇指指甲，但中微子实际上并不相互作用。所以，这是个双刃剑问题。如果我们检测到它们，意味着它们一路传播，没有与其他任何东西相互作用。我们可能检测到的是来自可观测宇宙边缘的中微子。”

为解开向上传播的无线电脉冲之谜，一个大型国际研究团队仔细研究了阿根廷皮埃尔·奥格天文台收集的数据，该天文台旨在研究高能宇宙射线。他们进行模拟，以确定 ANITA 事件在皮埃尔·奥格天文台的数据中可能呈现的样子，并梳理了 2004 年至 2018 年的观测结果，寻找类似信号。

他们没有找到能解释 ANITA 探测结果的东西。然而在科学领域，一无所获往往意味着有所发现，即便这个发现只是缩小了选择范围。在这种情况下，这意味着科学家们可以自信地排除中微子作为信号的解释。但这也不意味着我们看到的就是一种新粒子。我们需要进一步的观测，希望能有新的探测结果，以确定 ANITA 从南极冰中探测到的究竟是什么。

ANITA 已退役，其最后一次飞行在 2016 年。一个名为超高能观测有效载荷（PUEO）的新南极气球实验，作为 ANITA 的继任者，即将开始运行。维塞尔说：“我猜在冰附近以及地平线附近会发生一些我尚未完全理解的有趣无线电传播效应，但我们确实探索过其中一些，不过目前也尚未找到相关解释。”

“所以，目前这仍是一个长期存在的谜团，我很期待 PUEO 运行后能有更高的灵敏度。原则上，我们应该能发现更多异常，也许就能真正理解它们是什么。我们也可能检测到中微子，从某种程度上说，这会更令人兴奋。”最新研究结果发表在《物理评论快报》上。

当大多数人听到“铀”这个词时，他们会想到蘑菇云、冷战对峙，或者科幻作品中发出绿色光芒的棒状物。但铀并非仅仅引发世界末日般的恐惧，它还是一种相当常见的元素，在现代能源、医学以及地缘政治领域都起着关键作用。

2025年6月，铀重新成为全球焦点，当时美国对伊朗境内被认为储存高浓缩铀的地点发动军事打击，此举再次引发有关核扩散的紧迫讨论。许多新闻标题提到伊朗铀浓缩度达60%，但这究竟意味着什么呢？作为一名生物化学家，我对揭开这种常被误解元素的神秘面纱很感兴趣。

铀在元素周期表中位列第92位，是一种放射性金属元素。放射性是一种自然过程，像铀、钍和镭等一些原子会自行分解并释放能量。1789年，德国化学家马丁·海因里希·克拉普罗特首次发现铀，并以新发现的行星天王星为之命名。然而，直到20世纪，科学家发现铀原子可通过核裂变过程分裂，其能量才得以释放。

在核裂变过程中，原子核分裂成两个或更多个核，释放出大量能量。铀几乎无处不在，存在于岩石、土壤和水中，甚至在动植物体内也有微量铀元素。大部分铀存在于地壳中，人们通过开采和浓缩来增加其最有用的放射性形式——铀 – 235的含量。

铀 – 235是铀的一种同位素，同位素就如同同一棵树上的苹果，虽基本特性相同但重量略有差异，即同一种元素但质量不同。未经处理的铀大多是铀 – 238，仅含约0.7%的铀 – 235，而铀 – 235是最易发生核裂变的同位素，因此需要富集过程来提高其含量。

富集过程通常包含三个步骤。第一步是将铀转化为气体六氟化铀。第二步，气体被导入离心机，离心机快速旋转，由于铀 – 235比铀 – 238略轻，旋转时向外移动更慢，从而实现两种同位素的分离，这类似于沙拉甩干机分离水和生菜的原理。多次旋转后，铀 – 235得以浓缩。

通常，铀浓缩至3% – 5%即可为核电站提供动力并发电，此时3% – 5%的铀为铀 – 235。当浓缩度达20%，铀 – 235被视为高浓缩铀，90%及以上则被称为武器级铀。这种高等级铀可用于核武器，因其能维持快速、不受控的链式反应，相比其他同位素释放大量能量。

尽管许多新闻聚焦于铀的军事潜力，但它在现代生活中也至关重要。低浓缩度的铀为全球近10%的电力提供动力。在美国，许多核电站使用铀燃料，产生无碳能源。此外，一些癌症治疗和诊断成像技术也利用铀来治疗疾病。在海军技术方面，核动力潜艇和航空母舰依靠浓缩铀实现多年高效静音运行。

铀具有两面性，它是从古老岩石中提取的矿物，既能点亮一座城市，也能将城市从地图上抹去。它不仅是冷战或科幻作品的元素，而是真实且强大的，正塑造着我们的世界，从全球冲突到癌症诊疗，从能源网络到国际外交。最终，真正的力量不仅在于该元素释放的能量，还在于人们如何选择使用它。