2014 — 顛覆你想像的科學年-物理篇

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普朗克衛星將揭開早期宇宙的奧祕
普朗克望遠鏡於2013年完成任務，但它資料蘊含的科學驚奇才正要揭曉。
普朗克望遠鏡於2013年完成任務，但它資料蘊含的科學驚奇才正要揭曉。
普朗克衛星現在已經停止運作，在太空中漂流，但它蒐集的資料將延續下去。2014年中，歐洲太空總署將釋出下一批資料，讓我們進一步了解宇宙的大尺度結構是如何誕生的。

普朗克衛星已於2013年底完成任務，描繪了源自大霹靂的輻射（即宇宙微波背景輻射，簡稱CMB）分布圖。這幅圖呈現了宇宙僅三十七萬歲時留下的光。現在宇宙學家正在從圖中取得更精細的訊號，這種訊號稱為「偏振」（polarization）。預計今年，這些資料將讓我們進一步了解宇宙的溫度擾動，以及這些擾動如何形成龐大的星系團。明年，宇宙學家預料將可找到B模式偏振。這種偏振可供我們檢驗一件重要的事：宇宙在大霹靂後不到一秒時，是否經歷了一段「暴脹」時期。

更仔細地研究這些資料，或許還有助於解釋重力為何和其他三種基本作用力不一致。重力一直缺乏量子層級的完善解釋，但普朗克衛星將可改變這種狀況，使我們對宇宙的理解更接近統一的「萬有理論」。瑞典北歐理論物理研究所（NORDITA）的莎賓‧赫森菲德（Sabine Hossenfelder）表示：「量子重力效應通常相當微弱，但在早期宇宙中相當強。CMB光譜的偏振圖形可能帶有宇宙早期階段的印記。普朗克衛星應該能分辨理論模型的好壞，讓我們知道宇宙是如何誕生的。」

日本將布建量子網絡
量子物理學相當奇特。它認為兩個粒子即使分別位於宇宙兩端，也可互相纏結：其中之一改變時，另一個會立刻出現對應的改變。這類「量子纏結」最明顯的用途應該是即時通訊，但它在加密領域似乎更有前景。量子可產生無法破解的金鑰，只要一遭到攔截就會被發現。日本JAXA將於今年內發射「太空光學通訊研究先進科技衛星」（SOCRATES，縮寫即蘇格拉底），朝量子纏結加密發展踏出第一步。這枚衛星將配置纏結粒子對來當成量子金鑰，可說是全球纏結網絡的先驅。

隱形斗篷使東西無形又無聲美國杜克大學的超穎材料專家納森‧藍迪（Nathan Landy）展示以超穎材料製作的隱匿裝置。
美國杜克大學的超穎材料專家納森‧藍迪（Nathan Landy）展示以超穎材料製作的隱匿裝置。
隱匿物體的方法有兩種。第一種是在物體的一側裝置攝影機，再以螢幕覆蓋物體的另一側，把物體後方的影像顯示在螢幕上。這種方式只適用於從單一方向觀看物體。不過，某種具有特殊結構的超穎材料（metamaterial）可使光線彎曲繞過物體，使物體完全隱匿。2013年的最新實驗已能使微波繞過半徑7.5公分的圓柱體，2014年隱形技術應該會更進一步，同時擴展到隱匿聲音。這項技術可使外界聽不見隱匿目標發出的所有聲音。美國杜克大學的史蒂芬‧卡默教授（Steven Cummer）表示：「用來操縱聲波的聲學超穎材料領域發展得相當快，我想2014年應該會出現一些有趣的應用。」

核融合技術可望更上層樓
美國國家點燃設施的核心。雷射光會射擊此處的一小粒材料，引發核融合反應。
美國國家點燃設施的核心。雷射光會射擊此處的一小粒材料，引發核融合反應。
為太陽提供能量的核融合是能源生產者的夢想：不排放碳、廢料少，而且燃料幾乎用之不竭。然而，要使核融合反應爐成真十分困難。美國長期支持的核融合實驗是以高功率雷射射擊標靶：雷射光使材料瞬間汽化，加熱並壓縮材料內部，引發核融合反應。
全世界最先進的此類實驗位於美國加州的國家點燃設施（NIF）。這裡有192束雷射光共同瞄準一枚小小的標靶。2013 年，NIF製造了釋出能量大於射擊標靶能量的核融合反應，立下小小的里程碑。不過，輸入系統的能量比用於射擊標靶的能量多出許多，因此距離反應器產出可用能量的「損益兩平」目標仍然很遠。核融合在2014年無法達到損益兩平，但有希望靠α 粒子加熱取代雷射，這樣一來，核融合產生的能量就能讓反應持續進行。2013年已觀察到數回α加熱的現象，但如果2014年能加強這部分的比重，核融合能量將朝完全自給自足再邁進一步。

尋找反重力來擴展物理定律Alpha-2實驗裝置已經安裝好，準備開始探索反物質的奧祕。
Alpha-2實驗裝置已經安裝好，準備開始探索反物質的奧祕。
由於大型強子對撞機2014年將暫停運作，歐洲核子研究組織（CERN）的反物質研究計畫第二階段「Alpha-2」將有獲得注目的機會。

為了製造反物質，CERN的質子同步加速器會把質子加速到極快，然後撞擊一塊金屬。撞擊能量會製造出成對的質子與反質子。反質子是反物質粒子，以接近光速行進時，受磁力作用而進入反質子減速器中。反質子在減速器中因行經電子雲而減慢，接著再與正電子結合形成反氫原子，也就是氫原子的反物質。
Alpha-2將以雷射測量反氫原子的光譜，並與一般氫原子的光譜比對，探討反氫原子對物理定律的反應與一般氫原子有何不同。科學家也將試著評估反氫原子對重力的反應。
反物質可能具有負重力的質量，會受到地球重力場的推斥。在這項實驗中，偵測器將觀察反原子的漂移方向是朝上或朝下。假如Alpha-2實驗發現反物質的質量重力為負，物理定律就將改寫：廣義相對論認為加速和重力兩者密不可分，倘若反物質在重力下的加速度反應與一般物質不一致，科學家就必須重新審視廣義相對論。
這項嘗試或許成功機會不大，但CERN的物理學家傑佛瑞‧杭斯特（Jeffrey Hangst）抱持樂觀態度：「我們相當期待未來的發展，正在努力讓Alpha-2實驗動起來。」

作者：布萊恩‧克雷格（Brian Clegg），科學類作家。
譯者：甘錫安，專職譯者，長期翻譯科學類雜誌及書籍。

本文選自《BBC知識國際中文版》第30期（2014年2月號）。版權所有，轉載請註明出處。