出这个帖子的想法是为了满足同学们在吃喝玩乐之余对科学知识的了解。
我想同学们各自的知识背景各不相同，有工程、自然科学、商业、文史、艺术的等等，每个人对现代科学的理解不一。但是正是科学深刻的在改变我们客观世界，影响我们的精神认知甚至社会形态，希望有更多的同学能够了解当代科学的进步。
其实自然科学领域与人文艺术领域的互相交流和激励是非常奇妙的，如前面的光子波粒二象性实验就是受到了一幅画作的启发，这在科学史上屡见不鲜。
我们将陆续登录一些科学新发展新发现和新认识，以享大家，也欢迎大家点评和讨论。





科学家同时观察到光的粒子性与波动性(图)



　　
上面的想象图演示的是单光子穿过干涉仪时的情景，干涉仪的输出端装有量子分光镜。图中远处可以看到正弦振荡的波形，表示的是单光子干涉，是一种波动现象。而在图片近处，观察不到振荡，说明只表现出粒子的特性。在两种极端之间，单光子的行为连续不断地从波的形式向粒子形式转变，图中显示了这两种状态的重叠。
　　
受艺术家毛里茨·科内利斯·埃舍尔作品的启发绘制的艺术图，显示了光在粒子态和波形态之间的连续变化。

　　长久以来，人们都知道光既可以表现出粒子的形式，也可以呈现波动的特征，这取决于光子实验测定时的方法。但就在不久之前，光还从未同时表现出这两种状态。
　　关于光是粒子还是波的争论由来已久，甚至可以追溯到科学最初萌芽的时候。艾萨克·牛顿提出了光的粒子理论，而詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的电磁学理论认为光是一种波。到了1905年，争论出现了戏剧性的变化。爱因斯坦提出光是由称为“光子”的粒子组成，借此解释了光电效应。他也因此获得了诺贝尔物理学奖。光电效应的发现对物理学影响深远，并为后来量子力学的发展作出了重大贡献。
　　量子力学在对微小粒子，如原子和光子的行为预测上，具有惊人的准确性。然而，这些预测非常违反直觉。比如，量子理论认为类似光子的粒子可以同时在不同的地方出现，甚至是同时在无穷多的地方出现，就像波的行为一样。这种被称为“波粒二象性”的概念，也适用于所有的亚原子粒子，如电子、夸克甚至希格斯玻色子等。波粒二象性是量子力学理论系统的基础，诺贝尔奖获得者理查德·费曼将其称为“量子力学中一个真正的奥秘”。
　　刊于《科学》杂志上的两组独立研究，利用不同的方法对光从波形态向粒子态的转变进行了测定，以揭示光的本质面貌。两组研究都来源于理论物理学家约翰·惠勒于上个世纪80年代进行的经典实验。惠勒的实验提出，观察光子时应用的方法，将最终决定光子的行为是像粒子还是像波。
　　阿尔贝托·佩鲁(Alberto Peruzzo)佐是布里斯托大学量子光子学中心的研究员，在他的带领下，一个由物理学家和量子理论物理学家组成的团队根据惠勒的实验设计了新的方法，以同时观测光的粒子性和波动性。他们利用光分离器使一个光子纠缠另一个光子。通过对第二个光子的测定，来决定对第一个光子的测定方法。这一过程使研究者得以探索光从波的形式向粒子态转变的过程。
　　“这种测量装置检测到强烈的非定域性，证实了实验中光子同时表现得既像一种波又像粒子，”佩鲁佐说，“这对光或者是波形态，或者是粒子态的模型是非常有力的反驳。”
　　量子光子学中心的主管杰里米·奥布莱恩(Jeremy O’Brien)说：“为了进行这项研究，我们使用了一项新颖的量子光子芯片技术。这种芯片具有可重构性，即它可以根据不同的电子环路来进行编程和操控。这项技术在今天的量子计算机研究中处于十分领先的地位，而在未来，它还将带来更多有关量子力学尖端研究的重要成果。”
　　尼斯大学国家科学研究中心的弗洛里安·凯瑟(Florian Kaiser)利用纠缠光子对实现了惠勒的实验。一个光子通过干涉仪被探测到，使研究者能够测定第二个光子的状态，是像波的形式还是粒子形式，或者是二者之间。他们的实验也实现了光子从波的形式向粒子状态的连续转变。(任天)

  唉！量子力学中最难理解的就是这波-粒二相性，是粒又同时是波，怎么想象得出？还有就是电子的运动状态：没有轨迹，在所有空间点同时出现，这怎么想象？当时学的是百思不得其解，真想把自己这个大脑扔掉
  其实比量子力学还要难的一门课是热力学，学习时你根本不能使用大脑，只能靠方程推演，讲的是宇宙总熵值恒定的情况下热量值的各种变化过程。
所以我觉得起码在微观尺度内可能没有“空间”一说

对于“空间”这一词语，我现在是越来越模糊，地理学上有“空间”说，建筑学上有“空间”说，物理学上也有“空间”说，美术领域也有“空间”的概念，现在还有“化时间为空间”的论点等等，真是被搞倒了。

狗儿念经  发表于 1 小时前
你想证明什么然后再证明什么吗？哈哈哈！

一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一

         猜猜看

狗儿念经  发表于 9 分钟前
哈哈，其实我知道，属于明知故问。
一一一一一一一一一一一一一一一一
哈哈！   原来还可以这样的，元芳，这里面肯定有猫腻儿，你怎么看？

狗儿念经  发表于 9 分钟前
哈哈，其实我知道，属于明知故问。
一一一一一一一一一一一一一一一一
哈哈！ ...
ssjj 发表于 2012-11-8 23:11

其实我想说的是：上帝的砂锅是没有底的，或者说是无限的深不见底！所以，对于科学家打破沙锅问到底的精神俺们只能表示钦佩并由衷地更加赞叹这口无底的砂锅！

其实，有些事情本来不必计较空间之有无，有或者无都不妨碍你我怎么着地，是吧，你怎么看？

小弟的简单理解：
光介于粒子和纯能之间，随时在物质（粒子）与纯能（波）之间转换，所以光看得见但摸不着。
这也揭示了世界开初先有光的原因。。。

小弟猜想：光有高能量光（激光），应该也有固态光。。。

出这个帖子的想法是为了满足同学们在吃喝玩乐之余对科学知识的了解。
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其实自然科学领域与人文艺术领域的互相交流和激励是非常奇妙的，如前面的光子波粒二象性实验就是受到了一幅画作的启发，这在科学史上屡见不鲜。
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2012年诺贝尔化学奖：G蛋白偶联受体

    2012年诺贝尔化学奖被授予两位美国科学家：罗伯特•莱夫科维茨（Robert J. Lefkowitz）和布莱恩•科比尔卡（Brian Kobilka），以表彰他们在G蛋白偶联受体（G-protein-coupled receptors，GPCRs）研究上所做的突出贡献。G蛋白偶联受体是环境信息进入细胞内部的门户，并触发细胞内一系列响应。大约半数药物通过G蛋白偶联受体产生效应。

背景解析：细胞表面的灵巧受体

    数十亿细胞精密地协调工作，构成了你的身体。每个细胞通过微小的受体感知环境，以适应新情况。罗伯特•莱夫科维茨和布莱恩•科比尔卡对这类受体中的重要一族——G蛋白偶联受体——取得了突破性的研究成果，因此获得2012年诺贝尔化学奖。
长期以来，细胞如何感知环境一直是个迷。科学家早已知道，肾上腺素（adrenalin）等激素可以产生显著的效果：提升血压、加速心跳。他们怀疑，在细胞表面有这些激素的某种接收器。但在20世纪的大部分时间里，人们并不清楚这些接收器由什么组成，以及它们如何工作。
    1968年，莱夫科维茨开始利用放射性同位素追踪这些受体。他将碘同位素结合到多种激素上，然后通过观测同位素的放射性，他发现了若干种受体，包括一种肾上腺素受体即β-肾上腺素受体（β-adrenergic receptor）。他的研究团队从细胞膜上提取到这种受体并初步阐明其工作机制。
    在1980年代，该研究团队取得了下一个重大突破。新加入的科比尔卡开始尝试从庞大的人类基因组中分离出编码β-肾上腺素受体的基因。为此，他采用了一种创造性的方法，并由此获得成功。研究人员在分析β-肾上腺素受体基因的同时，发现这种受体与眼睛中捕获光线的一种受体相似。这使他们意识到存在一大类受体，它们结构相似并以同样的方式实现功能。
    这就是我们今天所知的“G蛋白偶联受体”，对应大约一千个基因。这些受体种类繁多，感受对象涵盖光、味道、气味、肾上腺素、组织胺（histamine）、多巴胺（dopamine）和血清素（serotonin，即5-羟色胺）等。大约半数的药物通过G蛋白偶联受体产生效用。
    莱夫科维茨和科比尔卡的研究对于我们认识G蛋白偶联受体的功能有重要贡献。在2011年，科比尔卡取得又一突破。他和他的研究团队成功地捕获到β-肾上腺素受体被一个激素分子激活并向细胞内传递信号的瞬间图像。这幅图像本身就是分子研究的杰作——数十年探索的结晶。

甲米  发表于 21 分钟前

量子力学所指的微观粒子的波动性不是声波也不是电磁波，而是指几率波
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对，测不准原理吗，哈哈！

通俗的说：好比你的唱机唱针或者光头是你的音响系统的传感器元件一样，音乐信号通过这些传感器进入系统，最后发出声音。
G蛋白偶联受体就是细胞的传感器元件，细胞的生理信号也要通过它传入细胞内影响细胞的功能发挥。

专访诺贝尔奖得主萨斯坎德—“真实”或许不可理解

真实是什么？也许你认为很简单，我们看到的就是真实的，但实际上，真实世界可能远远超出我们的理解力。就连美国物理学家伦纳德·萨斯坎德都认为，人类也许永远也无法理解真实世界。
　　

     美国斯坦福大学的物理学家伦纳德·萨斯坎德（Leonard Susskind）着迷于发现一些能改变物理学现状的想法。40年前，他参与创立弦理论（string theory），最初受尽嘲笑，但最终，该理论成为大统一理论的首要候选者。多年来，他一直很怀疑霍金关于黑洞的一种推测：黑洞不仅吞噬物体，还会把物体撕碎，使它们无法复原。萨斯坎德认为，这种推测违反了量子力学，结果以霍金认错而告终。此外，基于“弦景观”的理论，他还参与提出了平行宇宙的现代概念，而这个概念的提出，打碎了很多物理学家的美梦：我们这个宇宙并不是基本物理原理的唯一结果，那样解释是错误的。

　　在很大程度上，那些试图了解真实世界最深层本质的物理学家，其实都是在萨斯坎德构建的理论框架下工作。但现在，这个研究领域却发生了一件很有趣的事情：萨斯坎德怀疑，物理学家能否真正理解真实世界。

　　萨斯坎德担心，真实世界的本质可能已经超出了人类的理解能力。他并非首个提出这种观点的人。上世纪二三十年代，建立量子力学的那批科学家就分裂为实在论和反实在论两大阵营。以爱因斯坦为代表的实在论者认为，物理学的全部意义在于，描绘出一些能够反映客观现实的思维图像（mental picture，尽管这些图像可能并不完美）。而玻尔（Niels Bohr）之类的反实在论者则认为，描绘这类思维图像是一件很冒险的事，科学家作出一些经验性预言，然后来检验预言就足够了。在萨斯坎德看来，现代物理学中的矛盾和悖论证明，玻尔的谨慎是有道理的。

　　导致萨斯坎德得出这个结论的，是他的黑洞互补原理（black hole complementarity）。这个原理是说，对于落入黑洞的物体，它的最终命运是不确定的。如果从下落物体本身来看，它能无障碍地穿过黑洞视界，在到达黑洞的中心（即奇点）时被毁灭。但在一个外部观察者看来，下落物体在视界上即灰飞烟灭。那么，到底发生的是哪种情况？根据黑洞互补原理，这个问题是没有意义的：两种解释都成立。  

　　还有一个类似的、倾向于反实在论的观点是全息原理（holographic principle）。该原理是由萨斯坎德和1999年诺贝尔物理学奖得主、乌得勒支大学的杰拉德·特霍夫特（Gerard 't Hooft）在上世纪90年代分别提出的。他们认为，发生在任意时空区域内的事情，都可以等价地解释为发生在该区域边界上的事情。尽管我们通常认为，物体总是在三维空间中运动，但我们也可以把它们等效地看成是在二维表面上滑动的扁平斑点。那么，哪种情况才是真实的：边界还是内部？全息原理并没有告诉我们。在全息猜想中，真实与我们看问题的角度有关。

　　为了更好地理解前沿物理研究中“确凿证据”与“未证实的猜想”之间的关系，我们请萨斯坎德讲述了他的思想是如何演化的。



《科学美国人》：一个管道工的儿子是怎么走上质疑真实本质之路的？

萨斯坎德：高中时，我不是一个乖学生。我很擅长数学，却是一个“坏小子”，惹过很多麻烦。结果，这让我失去了接受正规物理学教育的机会，只能去学汽车物理专业。我就读的大学是一所工程类院校，但我的第一门物理学课程，就是从这里开始的。我在物理学上表现出的天分远超其他人，甚至我的物理学教授都不如我。幸运的是，虽然我能做一些连教授也做不到的事，但我们之间从没有发生争论。后来，一个工程学教授告诉我，他认为我不应该去当工程师，我的路没有走对。我问他：“那我应该做什么？”他说：“你不是一般地聪明，应该成为一个科学家。”


《科学美国人》：你上过什么哲学课程吗？

萨斯坎德：我在大学上过。我对一些哲学概念非常着迷。当我真正迷上物理学的时候，我对哲学就没有太大的兴趣了。


《科学美国人》：你有没有喜欢的科学哲学家？

萨斯坎德：就我所知，我是少有的喜欢托马斯·库恩（Thomas Kuhn）的物理学家。他是一位研究科学史的学者，同时也是一位社会学家。他提出了一个基本理论，可以描述当科学范式发生改变时会发生什么情况。新的科学范式建立起来以后，我们看问题的角度会立即转变。一些全新的观点、概念、抽象过程和图像也会变得彼此相关。相对论就是一次很大的范式转变，量子力学也是。所以，我们在不断创造新的实在论理论。虽然它们不会完全取代旧有观念，但在新理论中，那些能更好发挥作用、能更贴切地解释自然本质、不为人们所熟知、会使人们质疑“真实”是什么的概念，仍会在很大程度上替代旧观念。然后，下一轮的范式转变又会到来，如此周而复始。我们常会感到惊讶的是，旧有思维方式，也就是我们建立的那些理论框架，或者数学工具，能轻易束缚我们的思维。


《科学美国人》：在思维的整个重塑过程中，有没有“客观实在”存在的空间？

萨斯坎德：每个物理学家都会有这种感觉：这个世界存在着一些客观规律，而我们的工作就是弄清楚这些客观规律是什么。如果没有这种“存在客观规律”的感觉，你就很难成为一名物理学家。客观规律存在的证据就是，实验是可重复的。如果你踢一块石头，会伤到你的脚趾。如果你踢一块石头两次，你的脚趾就会受伤两次。不管你在这块石头上做多少次相同的实验，你总会得到相同的结果。

　　这就是说，物理学家几乎从不谈论“真实”。问题在于，人们通常更倾向于用生物学、进化论，以及我们的身体结构和神经架构来解释“真实”，而不是用物理学。我们是自己的神经架构的“囚徒”。我们能想象出一些事物，但想象力是有限的。

　　爱因斯坦那抽象的四维几何概念很难凭空想象。通过数学描述，它就会变得直观、形象。当相对论突然出现时，很多人都感到困惑：“真实”的时间怎么了？“真实”的空间又怎么了？虽然相对论因此陷入这些可笑的争论之中，但“游戏规则”没变：我们已经从相对论中提取出了清晰而准确的数学规则，这些规则存留至今，而那些关于真实的陈旧观念却已消失不见。

　　所以我说，不要理睬“真实”这个词。让我们在不提“真实”这个词的情况下来进行讨论。这个词不会给我们多少帮助。“可重复”比“真实”这个词要有用得多。


《科学美国人》：那量子力学呢？根据那个理论，用同样的方法踢同一块石头会产生不同的结果。

萨斯坎德：那是个大问题，不是吗？在量子力学中，有两个概念颠覆了我们对真实的传统看法。一是所谓的纠缠，一个非常怪异的现象：你可以知道一个复合系统的一切特性，却无法了解系统中那些单个组成的任何事情。这是一个很好的例子，说明我们的生理结构有多么简单，以至于抽象能力如此孱弱，也说明了我们对真实的感觉为何容易受到影响。
　　另一个真正重创传统“真实”观念的概念是海森堡不确定原理。如果你想同时描述一个物体的位置和动量，你会发现根本做不到。你应该考虑的是，确定这个物体的位置，或者是它的动量，别想同时确定这两个物理量。


《科学美国人》：这就是物理学家所谓的“互补性”？

萨斯坎德：完全正确。事实证明，黑洞视界的数学原理与不确定原理极为相似。这又是一个“或”与“和”的问题。在传统观念看来，我们可以同时说，有些东西落入了黑洞，有些东西没有落入黑洞；或者说有些东西在黑洞外部，有些东西在黑洞内部。我们得到的教训是，这是一种错误的思考方法。不要尝试同时去想发生在视界内外的事情，它们是对同一件事的不同描述。你可以这样描述它，或者那样描述它。这意味着我们必须放弃“在某个确定的位置上，存储着一比特的信息”这样的旧观念。


《科学美国人》：如果我没理解错，全息原理把黑洞的互补性原理推广到了整个宇宙。

萨斯坎德：对。假设我们想精确描述一些系统。为了以极高的精度探测系统，你需要很多能量。当你尝试获得越来越高的精度之时，你最终会发现，你将开始制造黑洞。一个黑洞内部的信息都在这个黑洞的表面上。所以，当你对系统的描述越细致、越精确时，你最终得到的结果是，信息都存在于边界上。

　　对真实这个概念，有两种不同的描述：真实是环绕着边界的时空区域，或者环绕这个时空区域的边界。那么，到底哪个描述是正确的？这个问题没法回答。我们既可以把一个物体看成是时空区域内部的一个物体，也可以把它看成是一个由时空区域的边界信息拼凑出来的、复杂的集合体。两种描述不可以同时考虑。只能是第一种或第二种描述。这就像一个东西是另一个东西的不规则映射，令人感到不可思议。


《科学美国人》：弦论的最初目标是要对真实世界给出一个唯一解释。但现在，它告诉答案却是多重宇宙。这当中到底发生了什么？

萨斯坎德：很大一部分物理学家已经不再执著于把我们的世界解释成一个独一无二的、数学上唯一可能存在的宇宙。现在的答案是多重宇宙。在物理学界，不仅每天都有人研究这个理论，而且已经没有一致性的、强烈的反对意见了。   

　　1974年，我有一段有趣的经历，那是关于科学共识如何形成的。当时，人们正在研究还未得到证实的强子（一种亚原子粒子，如质子和中子）理论，也就是所谓的量子色动力学（quantum chromodynamics），简称QCD。在一个物理学会议上，我做了一次调查：“在场的各位，我想知道你们觉得QCD正确的概率有多大？”。结果，没有一个人认为QCD正确的概率会超过5%。我再问，“那你们现在都在研究什么呢？”QCD，QCD，还是QCD。他们全都在研究QCD。共识已经达成，但出于一些奇怪的原因，人们有时候喜欢展现自己善于怀疑的一面。他们想表现得严谨、认真、不那么容易妥协。对多重宇宙理论，物理学家也有类似的态度。很多物理学家不愿意直接承认说，“看，我们不知道还有其他理论”。

　　宇宙非常非常大。根据经验，我们知道它的体积至少要比我们看得见的部分大1 000倍。暴胀宇宙理论的提出，告诉了我们这样一种可能性：宇宙在足够大的尺度上是千奇百怪的。对我们来说，弦论就像一个万能工匠，让我们可以将一堆积木用数不清的方法堆积在一起。所以，试图解释“为什么我们这个世界恰好是这样的”是没有意义的。这是因为，在其他地方，还有着很多很多与我们不同的世界。不可能存在可以解释一切事物的万能理论，就像不可能有一种理论会说，一颗行星的平均气温是15℃一样。任何想通过计算来说明行星气温是15℃的人都是愚蠢的，因为很多行星的温度明显不是15℃。

　　但是，没有人知道多重宇宙的基本规则。它只是一幅图像。没人知道如何利用它来作出预言。永恒暴胀的过程只是不断产生“泡泡”，而且每种“泡泡”的数量都可以不受限制。这就意味着，一种宇宙与另一种宇宙的比例，可以是无穷比无穷。由于我们太想得到一个概率分布图，从中获知某种宇宙的形成概率是否比另一种大，从而据此作出预言，因此我们已经逐渐远离那幅原本令人信服的图像，踏上了歧途：妄想测量无穷的概率。如果暴胀理论最终崩溃，那么这就是它崩溃的原因。

《科学美国人》：有没有可能在没有哲学思考的情况下做理论物理研究？

萨斯坎德：大多数伟大的物理学家都有相当强的哲学立场。我的朋友费曼虽然讨厌哲学和哲学家，但我很了解他，他有很深厚的哲学背景。你有什么样的哲学倾向，就会选择思考什么样的问题。但是，我也有一种强烈的感觉，就是在科学发展过程中，令人惊奇的事情发生时，常会面临哲学偏见的阻碍。人们普遍认为，科学研究就是一种流水线式的工作：做实验，得出结果，分析结果，然后你就有了科研成果。但实际上，科学进程与其他任何事情一样，都有人为因素，同样混乱、充满争议。


采访 彼得·伯恩（Peter Byrne）