遗憾的是,我们永远没有足够的时间去报道遇到的所有有趣科学故事。所以每个月,我们都会挑选出几篇险些被遗漏的精彩报道。九月的清单包括:LUX-ZEPLIN探测器中令人期待的暗物质线索;大型强子对撞机中纠缠的Z玻色子;晚更新世时期可能使用精神活性物质的证据;以及一份归于伽利略名下的望远镜技术描述的有趣发现。
暗物质的一丝线索?
物理学家认为暗物质约占宇宙物质的85%,其中最有力(但非唯一)的候选者是所谓的弱相互作用重粒子(WIMP)。但直接探测WIMP或其他假设的暗物质粒子,几十年来一直困扰着物理学家。不过,我们或许已经首次窥见了端倪,这要归功于深埋于南达科他州一座金矿中的LUX-ZEPLIN探测器。这些可能令人兴奋的结果在日本举行的2026年TeV粒子天体物理学会议上公布,预印本已发布于arXiv(该论文已提交给《物理评论快报》进行同行评审)。
此次公告附带了强烈的警示:该信号仅是一个线索,远低于确认发现所需的阈值,可能只是统计上的偶然。任何关注暗物质新闻的人都知道,过去令人期待的异常信号最终都随着更多数据的积累而消散。但LUX-ZEPLIN团队无法解释这一事件,因此决定将结果公布给更广泛的物理学界。他们仍在继续收集数据,意大利格兰萨索国家实验室的XENONnT探测器也在如此。中国的PandaX探测器目前正在建设中。
如果这确实是一个WIMP撞击氙原子核的结果,那并非物理学家所预期的情形。该事件的核反冲能量高于预期,这意味着探测器本应同时探测到多个低能量的WIMP,但事实并非如此。这让理论物理学家们纷纷寻求替代模型:也许相互作用率会随碰撞能量增加而提高;也许WIMP像原子一样拥有内部结构,只有碰撞力足够大时才会发生相互作用;又或者它与普通物质的耦合强度取决于其动量。
大型强子对撞机中的"幽灵作用"
康奈尔大学物理学家N. David Mermin曾将量子纠缠描述为"我们所拥有的最接近魔法的东西",因为它意味着宇宙一处的扰动可以瞬间影响遥远另一处,仿佛绕过了光速这一宇宙极限。爱因斯坦曾著名地称其为"幽灵般的远距作用"。如今,纠缠是量子计算和下一代传感器等应用的基础。
维持量子纠缠通常是一个精细的过程,任何干扰都可能导致纠缠粒子迅速失去相干性。尽管如此,2023年,物理学家在大型强子对撞机ATLAS实验中发现了顶夸克对之间存在纠缠的证据,这提升了利用大型对撞机作为研究"幽灵作用"的工具的可能性。现在,根据发表在《物理评论快报》期刊上的一篇论文,ATLAS的物理学家们观测到了Z玻色子对之间的纠缠现象。
Z玻色子是希格斯玻色子衰变时产生的,它们本身也是极短寿命的粒子,会衰变为电子对和缪子对。ATLAS探测器精确追踪了这些衰变模式。物理学家利用这些数据重建了电子和缪子发射的角度,从而推断出其前身Z玻色子的自旋。作者称,这是迄今观测到的能量最高的纠缠实例。
酵母是3D打印火星住宅的关键吗?
鉴于火星严酷的(对人类而言)环境条件,殖民火星的梦想面临诸多重大障碍,其中就包括住房问题。从地球向火星运送任何物品都代价高昂,建筑材料更是如此。这就是为什么香港的工程师设计了一种配方,将火星岩石与地球上的明胶和酵母结合,使其硬化为一种耐用的"活性"建筑材料,其性能可与廉价混凝土相媲美,相关论文发表在《化学循环》期刊上。
论文共同作者、香港科技大学的邱继圣从冷冻干燥水果硬化的过程中获得灵感,他指出火星环境具有极低的温度和压力,与冷冻干燥的条件相似。团队试验了多种砂与胶的混合物,其中胶由明胶和酵母制成——但这是一种特殊的酵母,涂有类似贻贝用来附着在岩石表面的黏性蛋白质。明胶为细胞生长提供支架,而砂子则提供结构和质量。邱继圣等人在模拟火星环境中测试了这种混合物,用3D打印技术制作了酒瓶塞大小的小型穹顶结构。
他们发现,这种混合物在挤出喷嘴后会进行冷冻干燥,留下一种轻质多孔的泡沫,其抗压强度为10至12兆帕。据作者介绍,这足以在地球上建造一到两层的建筑,而火星的重力只有地球的三分之一,因此理论上可以用这种材料在火星上建造更高的结构。相比将火星岩石或月壤加热熔化成砖的方法(这是另一种曾被提出的方案),这种方式能耗更低。而且拆除结构后回收的酵母也可以轻松循环利用,用于建造新建筑。
冰河时代的人类使用过精神活性物质
大量证据表明,历史上许多文化中的人类都曾在宗教仪式或萨满仪式中使用各种致幻物质,至少从新石器时代、农业和发酵酒类饮品(如大麦啤酒)出现时就已如此。这不仅包括古埃及,还包括古希腊、吠陀、玛雅、印加和阿兹特克文化。例如,2024年,考古学家发现一个形似神灵贝斯的古埃及花瓶上留有已知会产生致幻效果的化学植物化合物痕迹。而在2022年,考古学家也发现证据表明,古代秘鲁人曾在宴会上供应掺有致幻剂的啤酒。
现在,格里菲斯大学的考古学家发现,人类可能早在约25,000年前的晚更新世时期就通过吸吮和咀嚼槲榔(betel nut)来使用精神活性物质,相关论文发表在《科学进展》期刊上。槲榔消费在印度和南太平洋地区十分常见,通常是将种子与熟石灰(能释放其中的精神活性化合物)以及其他一些成分混合制成"咀嚼块",然后咀嚼食用。其效果包括轻微的欣快感和高度的警觉性。
格里菲斯团队在印度尼西亚苏拉威西岛发现了两具罕见的早期人类觅食者骸骨,推断一具的年代为25,000至16,000年前,另一具为7,600至6,300年前。两具骸骨的牙齿上都有深深的圆形凹槽,显然是由于持续吸吮整颗槲榔所致。通过将槲榔浸泡在人造唾液中,作者得出结论,这足以释放出足够的槟榔碱来改变大脑功能,尽管其精神活性效果会较为温和。
作者推测,那个时期的人们吸吮槲榔可能是为了缓解牙痛,因为已知这些人群牙齿状况不佳,而槟榔碱是一种天然镇痛剂。但这些种子具有磨蚀性,长期使用会严重磨损觅食者的牙齿,以至于露出内部的牙髓腔。论文共同作者亚当·布鲁姆表示:"所以,尽管这种习惯可能最初是用来缓解牙痛的疗法,但多年持续吸吮坚果最终导致了更严重的牙齿健康问题,从而形成了持续使用的恶性循环。"
关于伽利略望远镜的新见解
历史学家普遍认为,一位出生于德国、在荷兰从事眼镜制造的工匠汉斯·利普希(Hans Lippershey)在16世纪90年代发明了第一台真正的望远镜。此后,其他发明者制造的类似仪器很快涌现,到1609年,人们已经可以在巴黎当地商店购买"望远镜"。几个月内,这一现象便传到了意大利,并引起了伽利略·伽利雷的关注。他制作了自己的望远镜,进行了开创性的天文观测,这些观测有助于哥白尼的太阳系模型取代了统治了数百年的托勒密世界观。
伽利略曾誓言绝不出售自己的任何望远镜,他也没有为自己的仪器留下任何技术分析文档;目前仅存八台此类望远镜,没有一台能被明确归属于这位天文学家。但爱尔兰利默里克大学的一位历史学家发现了一份此前未知的17世纪文献,其中描述了一台归于伽利略名下的四镜片望远镜,该文献来自一位西班牙多明我会修士1666年所写的手稿,相关发现详述于发表在《科学年鉴》期刊的一篇论文中。
这份文献名为《De Tellescopiis Stellarum》,作者是修士伊格纳西奥·穆尼奥斯。论文作者何塞·玛丽亚·莫雷诺·马德里在研读这份论著时,发现了这位修士对该望远镜的分析,其中还附有仪器的图示和绘图。这项分析是新西班牙总督特别要求进行的,作为对这位修士科学才能的测试。穆尼奥斯曾向国王腓力四世提出改进西班牙舰队的建议,希望借此结束他被流放至葡属印度的处境。穆尼奥斯在手稿中指出,这台望远镜归国王所有,是由伽利略制造的。
据马德里所述,伽利略曾向腓力四世及其王后赠送过一台大型望远镜和两台小型望远镜,以博取好感,当时他正在研究经度问题。因此,穆尼奥斯所描述的可能正是这三台望远镜中的一台。已知最早的四镜片望远镜出现于约1643年,但如果马德里的分析属实,这意味着这项创新发生的时间要早得多——最迟不超过1630年——并可能归功于伽利略。而穆尼奥斯1666年的这份描述,可能是迄今为止"被证实为伽利略所制"望远镜中最为详尽的技术分析。
19世纪的"宇宙全景图":虚拟看房的先驱
"偷窥箱"(又称raree show)在17、18世纪的欧洲曾风靡一时,是流动艺人提供的一种沉浸式娱乐形式。图片或物品被安置在一个箱子或木柜内,通过一个小孔或放大镜观看,营造出景深的幻觉,有时还会用蜡烛照明以制造特殊的光影效果。到19世纪,偷窥箱演变为"宇宙全景图"(cosmorama),这类展览被收藏于英国和爱尔兰各地城市集市中的画廊里。根据发表在《早期大众视觉文化》期刊上的一篇论文,宇宙全景图不仅用于娱乐,还被当作一种房地产营销工具。
埃克塞特大学历史学家约翰·普伦基特,作为一项更广泛的欧洲研究项目的一部分,正在研究宇宙全景图及类似视觉技术在英国和爱尔兰的历史。在梳理1820年代以来的报纸广告和文章档案,以绘制宇宙全景图在全球兴起使用情况的过程中,他偶然发现了一家伦敦的拍卖和测量公司——布鲁克斯与赫杰公司(Brooks and Hedger),该公司在1830年代曾利用宇宙全景图来推销待售的各类房产,提供房屋及周边场地的视图,其中还包括"空中视角"。
该公司的办公室位于老邦德街,靠近摄政街的宇宙全景展厅,显然这家公司是在借势当时的流行潮流。据普伦基特所言,制作宇宙全景图对这家公司来说是一项代价高昂的投资,需要请艺术家到每一处房产现场,从不同角度绘制画作或素描,因此这种策略很可能仅用于高档地产和豪华房产。这种做法似乎在1860年左右便被放弃,但普伦基特将其类比为如今Redfin、Zillow等在线房产中介平台(在英国则是Rightmove)所采用的虚拟看房或漫游浏览功能。
Q&A
Q1:LUX-ZEPLIN探测器发现的暗物质信号是否已经确认?
A:没有确认。这只是一个线索,远低于确认发现所需的统计阈值,可能只是统计上的偶然。研究团队仍在继续收集数据以验证结果。
Q2:香港团队研发的火星建筑材料是用什么制成的?
A:这种材料由火星模拟岩石、地球明胶和一种涂有黏性蛋白质的特殊酵母混合而成,经冷冻干燥后形成轻质多孔的泡沫,抗压强度可与廉价混凝土相当。
Q3:穆尼奥斯1666年手稿中描述的望远镜为什么重要?
A:这份手稿中描述的四镜片望远镜被归于伽利略名下,如果属实,意味着这种四镜片望远镜的发明时间比此前认为的1643年要早得多,最迟不超过1630年,是现存最详尽的伽利略望远镜技术分析。
