酷炫动图,超薄隐形斗篷问世

参考文献:

  1. Xingjie Ni, et al. An ultrathin invisibility skin cloak for visible
    light. Science Vol. 349 no. 6254 pp.
    1310-1314DOI:10.1126/science.aac9411
  2. Adrian Cho. Skintight invisibility cloak radiates deception.
    Science Vol. 349 no. 6254 pp. 1269
    DOI:10.1126/science.349.6254.1269

物理动图又与大家见面了,本期介绍的不少现象比较接地气,在生活中也有机会观察哦~

图片 1经过两年的休整,大型强子对撞机(LHC)即将重启,物理学家准备通过新的实验,在物理学的标准模型之外获得突破。图片来源:《环球科学》

如果我们希望更好地把饺子藏起来,那我们可以试图减小光线照射到饺子上时的变化,令人觉得桌布还是平的。这项研究中的“隐形斗篷”即是如此:光路被凸起物体影响所导致的相位变化能被纳米天线“抹去”了。由于光线没有发生变化,人们无法察觉到隐形斗篷下存在的突起,也就实现了“隐形”的目的。

原子动画

图片 2

原理:《男孩和他的原子》是 IBM 在 2013
年发布的一部“世界上最小”的定格动画,影片长约 45
纳米,宽约25纳米,用一台两吨重的扫描隧道显微镜在5开氏度的低温下将一氧化碳分子排列在铜基板上,总共扫描了
242 张图片,构成了这段一分多钟的电影,花费4位研究员2周时间制作完成。

这种能看到原子的图片并不是用多么强大的光学手段拍摄,而是用一个极细的针尖在材料表面“摸”出来的。针尖也并非直接和材料表面接触,而是悬空了很小一段距离,此时在材料和针尖之间加上电压的话,就会有微弱的电流流过(在量子力学中叫作隧穿电流),并且这一电流的强度对针尖和材料表面的距离十分敏感。因此我们就可以慢慢地移动针尖,如果测到电流开始增强,说明我们在接近一个凸起的表面,于是我们就把针尖调高一些,让电流回到原来的大小。这样保持电流大小不变不断调整针尖的高度一路扫描下来,我们就能得到材料表面的“高度图”。

图片 3

上面讲的是扫描隧道显微镜的恒电流工作模式,另外还有恒高度工作模式,即保持针尖高度不变,然后根据隧穿电流大小的变化得到材料表面的高度。这种模式的优点是扫描速度快,缺点是有可能碰坏针尖。

针尖不仅能“摸”出原子,也能移动原子,移动的方法有横向操纵和纵向操纵两种。横向操纵是调高隧穿电流,然后针尖就会“吸”着原子在材料表面游走。纵向操纵则是把原子提起再放下,一般是通过加强电场然后改变电场的极性来实现。通过探针移动原子,就拼出了图中的小人。

花絮:除了这部电影外,团队还为《星际迷航》系列电影制作了三张图片,分别是《星际迷航》的标志、瓦肯手势、以及世界上最小的企业号手办:

图片 4图片来自:research.ibm.com

危险:对一般人没有什么风险。但如果你是操作人员而一不小心搞糟了……

录制者:Ibm
Research

冷却巨型磁铁

从控制中心开车出发,行驶不久,莱蒙特就到达了目的地。他带上头盔,穿上包裹着金属的靴子,背上应急呼吸设备,走进了一部能够直达地下100
米深处的电梯。电梯出口正对一条维护通道,从那再走一小段路程,就能到达LHC
的隧道。

莱蒙特说,即使已经在CERN
待了25个年头,对这台仪器的威力和复杂性,他仍然怀有敬畏。这里与控制室那种平静的氛围完全不同,LHC
嗡嗡作响,咔嚓声、嘶鸣声不断响起,隧道里充斥着金属、灰尘和炽热电路的气味。重型千斤顶将多块15
米长、35
吨重的磁铁,从混凝土地面上抬起,磁铁中塞满了错综复杂的线材和管路,这些线材和管路包裹着密封的束流管道从磁铁中心穿过。为了避免再次短路,研究人员为LHC
装备了各种传感器和数千千米的电缆,哪怕是最微弱的电压起伏,都能被侦测到。更关键的是,连接这些磁铁的10000
个超导连接器都已经得到了加强或替换,光这一项任务,250
多位工作人员用了一年多时间才完成。

2014 年6
月起,莱蒙特团队开始冷却磁铁,他们要将磁铁冷却至最终的运行温度:1.9K。在这个温度下,用以产生磁场的载流电缆会进入超导状态。为了让整个降温过程可控,LHC
的加速环被划分成8
个部分,每部分都可以单独冷却,而每部分需要花费两个月时间。一旦所有磁铁都冷却下来,就可以进行电气测试,确保磁铁在高能量状态下正常运行。莱蒙特清楚,事情不可能一帆风顺。有一批磁铁在地面上测试时表现得十分完美,但由于某种原因,当其产生的磁场相当于产生6.5TeV
的束流时,这些磁铁就失去了超导性。这算不上灾难,修复这样的磁铁只需让它们循环多运行几次,直到稳定下来进入正常状态。但这需要时间,莱蒙特说道,“更何况有几百个这样令人讨厌的家伙”。

无论如何,质子束都将被再次注入LHC,这将是一起划时代的事件,目前研究人员将这一时间设定在2015
年3
月。在那之后,再经过几周测试,物理学家会开始操控束流进行碰撞,然后确认探测器是否安全,之后就可以开始搜集数据了。

隧道里飘浮着一种淡淡的烧焦的气味。莱蒙特解释说,这是在加热真空管道,从而驱散其中的分子。他走过几块磁铁,来到一面巨大的铜钢金属墙面前,裸露的束流管在这里穿墙而过。墙的另一边就是ATLAS,LHC
四台主要粒子探测器之一(见“休整后的环形轨道”)。很快,一束束高能质子就会从这里呼啸而过,飞向ATLAS,它们将在那里猛烈撞击,并向其他方向偏折,碰撞残骸也会通探测器向外喷射。

也许在你看来,盖住一个36微米的东西并不是什么大的突破,本来嘛,这个尺寸的东西就算是堂而皇之地摆在房间正中,你趴在那儿拿放大镜也看不着它。但是,这种“隐形斗篷”的未来却非常值得期待。研究者表示,随着纳米加工技术的进步,这件斗篷将可以变得比现在大得多,能够掩蔽的东西也将会越来越多。

玩坏显像管

图片 5

原理:老式电视机和电脑使用的都是显像管屏幕。高中时同学们大概没少算过电子在电磁场中偏转的题吧,这就是显像管(CRT)的原理:首先阴极发射出电子束,在阳极的吸引下加速,然后在电磁场中偏转指定角度,最后打在荧光屏上发光。不同能量的电子可激发出不同颜色的光,形成电视屏幕上的彩色图像。

大块钕磁铁能产生很强的静磁场,根据磁铁正面在电视机上制造的画面我判断这个磁铁是轴向磁化的,磁铁的两面分别把画面推到右上角和右下角,受力分析图如下:

图片 6

图片 7

花絮:强磁铁会让显像管屏幕出现故障,小时候拿磁铁在电视屏幕上玩结果把电视画面玩坏了的一定不止我一个
。有外国网友说他在一侧把电视玩坏后,把磁铁放另一侧玩试图把画面调回来……
于是后来他成了电子及计算机工程师……

电视画面出现误差的原因是电视内部的一些金属器件被永久磁化了,正确的修复方法是消磁(degauss),有的电视机自带这个功能,即产生一个方向快速变化的磁化场,然后磁化场的强度慢慢减弱,最后任何方向的剩磁都被抹平了。

危险:强磁铁是危险物品,这样大块的磁铁你要没点臂力根本把持不住。如果你手里拿着这货然后它把附近什么东西吸过来了(比如另一个磁铁),那效果就跟一锤砸在手上一样。另外,小磁珠吞下肚子或吸入也会带来危险,不要给太小的孩子玩。

图片 8土豪的游戏:
强磁铁夹坏Apple  Watch,你肯定不希望夹在中间的是自己的手吧。

录制者:brainiac75

升级探测器

在LHC 环形轨道的另一侧、离ATLAS大约8.5 千米的地方,蒂齐亚诺·
坎波雷西(Tiziano Camporesi)抬头凝视着12 500 吨的紧凑μ子线圈(Compact
Muon Solenoid,CMS),30
年前设计它的那些物理学家,其胆魄令坎波雷西惊叹不已。“他们一定是群疯子,”坎波雷西说道。CMS
是一个巨大的圆柱,里面有大量的粒子硅探测器、超导磁铁和约束磁场用的厚重钢铁。很多人宣称这台装置太过复杂,根本无法运行,但它不但运行了起来,“而且远超我们的预期,”坎波雷西说道。正是CMS
和ATLAS在2012 年确认了希格斯玻色子的存在。

2014 年初,坎波雷西被选为CMS 的发言人,代表在使用该探测器进行合作研究的3
800 位科学家。眼下,他正在为LHC的重新运行做协调工作。像LHC
所有主要探测器(包括位于其他位置的更为复杂的ALICE 和LHCb
探测器)的实验团队一样,他的团队已经在中断期内对CMS
进行了一些必要的维修和升级。他们得到了幸运女神的眷顾:在CMS
探测器的中心区域,也就是束流交汇以及新粒子从碰撞点喷涌而出的位置,敏感的硅示踪器没有受到辐射损伤,可以继续使用。但是,CMS
的物理学家还是换掉了一些失效的光电倍增管,它们会产生虚假信号,显示产生了一个新的奇异粒子,但事实上,这个粒子并不存在。

坎波雷西尤其对在CMS 末端新增的四个碟形腔感到自豪,它们能够增强CMS
对μ子(muon)的探测能力。这项升级最终能提升探测器的“触发器”水平,也就是一连串电子设备及软件,它们可以引导碰撞后产生的粒子喷流通过探测器,并在粒子喷流中搜寻特定模式,然后判断其中是否有值得进一步研究的东西。但LHC
下一次运行时,不仅束流能量会提高,其中携带的质子数目也将增加。最终,在CMS
中每秒将发生10 亿到20
亿次碰撞。也就是说,当上一次碰撞产生的微粒还在奔向探测器的途中时,身后已经又发生了50
次新的碰撞。触发器需要对这么多事件进行分析和判断,哪些信息值得存储下来,以备后续研究。研究人员的目标是,将触发器记录信息的频率降低到每秒几百次,“这项工作现在占用了我们大量时间,”坎波雷西解释道。

图片 9LHC休整后的环形轨道。点击图片查看大图。图片来源:《环球科学》

有多少人像我一样,在看《哈利·波特》时梦想自己也有一件能够隐形的魔法斗篷?在经历了一系列艰苦卓绝的努力之后,和我们拥有同样梦想的科学家们,终于又将向梦想的实现前进了……嗯,小小一步。

半锅煎蛋

图片 10

原理:电磁炉的工作原理并不是让自己升温,而且利用电磁感应加热。电磁炉首先将市电转化为高频交流电(20~40
kHz,对于交流电属于高频,但对于无线电波属于低频,所以电磁辐射少),然后交变电流通过线圈建立交变磁场,交变的磁场感应出涡旋的电场,此时将导体放在线圈上的话就会形成涡电流,涡电流流过导体时因电阻产生焦耳热。空气、蛋白质、陶瓷等非导体有很高的阻抗,因此电磁炉几乎不在它们上面输出功率。所以,直接把鸡蛋打在电磁炉上是熟不了的,陶瓷或玻璃锅也不能被加热。

花絮:原理上,电磁炉可以加热所有导体锅,但市面上的电磁炉仅适用于加热铁锅(以及不锈钢等具有铁磁性的锅)。
铁锅的特点是导磁性强,漏磁少,并且除了涡电流之外还有磁滞损耗效应(即上一张图中提到的转着方向磁化的过程,那个过程是会放热的)来产热,因此使用铁锅有更高的加热效率。

而铜或铝不行的原因是电阻太小了(高中学理科的童鞋应该体会过阻抗匹配,即外电路电阻和电源内阻相等时输出功率才最大,太大或太小都不行)。铜铝的趋肤效应(交变电流喜欢贴在导体表面流动的现象)比铁弱,意味着涡电流在锅底流通的厚度更宽,所以阻抗更小,加热效率更低。市面上的电磁炉都是为铁锅设计的,如果要加热铜铝的话需要设计不同的工作频率。实验室中使用的感应电炉就有更多频率可供选择。

危险:低。与普通炉灶相比,电磁炉造成烫伤的风险更小。电磁炉的电磁辐射不会危害健康,不过它有可能干扰心脏起搏器。电磁炉应远离收音机、电视机、手表、磁带、铁质的餐具等,安全起见也不要放在任何金属平台上使用。

录制者:Yuppiechef.com

在LHC
的休整期,拉蒙特和同事需要进行大量的测试,这只是其中一项。这次大休整开始于2013
年3 月,现在已接近尾声。目前正在进行的工作是,将加速器中27
千米长的超导体磁铁环冷却,为2015 年加速器的重启做准备。而一旦LHC
重新投入运行,两束质子束流会在圆环轨道中相向运动,拉蒙特和同事就要拼尽全力,让质子束能量逼近其设计能量:每束7
万亿电子伏特(TeV, 1012 eV),这几乎是LHC
此前运行能量的两倍。每束质子束流都满载着相当于一辆飞驰火车的巨大能量。

图片 11与照射到平台表明时相比,光线照射到凸起的物体后,反射回来的波阵面(Wave
fronts)发生了弯曲。人们的肉眼可以察觉这种变化并判断物体的存在。图片来源:参考文献[2]

滴水成冰

图片 12

原理:圆圆的水滴结冰时会发生什么?它们总是会形成一个尖顶,上图中显示的就是这一现象。研究者把水滴滴在两块平行的玻璃板之间,然后拍摄它结冰的截面图,从而避免了球形水滴会使画面扭曲的问题。他们的结论是最后形成的锥尖的顶角与液滴的大小无关,与底板的温度或浸润角(液体表面和容器壁接触时形成的角度)无关,与结冰的速度亦无关,因此这个现象是普遍的。论文随后定量地推导出锥顶角的大小为131°,多次实验验证显示,理论值与实际结果相符。

图片 13图片来自原论文

在这项研究以前,人们对小冰珠尖顶的定性解释就是水在结冰时体积会增大。这篇论文的主要贡献是得出了定量的解释:结冰面总是和液滴表面保持基本垂直的,因此它往上推进时就会由凸变凹,最终收出一个尖顶来。也就是说,尖顶现象主要是几何上的结果而非动力学效应。

图片 14图片来自原论文

花絮:由于这个模型是普适的,作者在论文最后展望这项研究对飞机机翼的结冰过程,以及
3D 打印的凝固过程会有帮助。

危险:非常低。研究者表示,这是一个“请务必在家尝试”的实验(’do try
this at home’ experiment)。有兴趣就来观察下吧~

录制者:A. G. Marín et
al

理论物理学家对这类奇异粒子的预言已经持续了数十年。20 世纪70
年代早期提出的超对称(supersymmetry)理论,是标准模型的扩展理论,该理论认为,每个粒子都有一个更重的超对称粒子(sparticle),或称超伴子,而理论上,普通粒子与其超伴子之间存在可以判别的差异。暗物质可能是由这些粒子中的一种或几种构成的。暗物质虽然看不到,但其质量非常大,可以操控星系运动,但标准模型却对它只字未提。假如这些粒子的质量不是太大,
不超过LHC
的最高设计能量,那么寻找这些粒子就是加速器重启后的主要目标之一。甚至还有可能得到更奇怪的结果,例如发现三维空间之外的更高空间维度的蛛丝马迹。但首先,莱蒙特和他的团队要让LHC能够全力运转起来。

图片 15依靠隐形斗篷上的金纳米天线,原本理应弯曲的波阵面得以恢复。因此物体的存在难以被人们察觉,从而实现了“隐形”。图片来源:参考文献[2]

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浩如星海的数据

重新休整的LHC
一旦开始运行,CMS和其他探测器上获得的原初电子信号,将直接汇集到CERN
大本营,然后通过光纤传递到计算机中心。那是一间密不透风、没有窗户的房间,布满了密密麻麻的机架,那里一共装配有约10
万台处理器,散热风扇呼呼作响,控制着房间温度。

这些处理器将用算法分析汇集而来的数据,判断每个从碰撞中喷射出来的粒子的特性、能量和其去向。分析结果将存储在磁带上,比起数字存储方式,这种老式的存储介质更便宜、储存时间更久。

但是,只是将信息存储起来,已经远远不能满足研究人员对实验结果近乎“贪婪”的胃口了。今天的粒子物理学家将大部分时间用在了编写计算机代码上,他们编写了成千上万行代码,用于在数百万个事件中搜寻不同寻常的信号。为了将数据传递至这些研究人员手中,CERN
搭建起了一个全球计算网格(Worldwide Computing
Grid),计算机中心将数据备份下发到分布在全球的13 个“1
级”电脑中心,然后再由1 级节点下发至150 个规模小一些的2级节点,大部分2
级节点都设在大学中。

幸运的是,对终端用户而言,他们无需为这些细节操心,只要将程序上传到网格上,指定要检查哪些碰撞事件即可。网格软件会自动将任务分配给有足够计算能力和存储空间的中心,计算结束后再将结果返回。我们到访的这天,在CERN
的电脑中心,实时大屏幕上就显示,单在CERN就有10 500
个程序正在运行,CERN仅占网格资源的6%而已。作为英国网格协调员,剑桥大学的物理学家杰里米·科尔斯(Jeremy
Coles)说,要没有网格,他的同事可能还在如大海捞针般寻找希格斯玻色子。

在科尔斯看来,未来的挑战是,如何处理即将到来的浩如星海的数据。在LHC的第一次运行期间,尽管探测器的触发器已经过滤掉了大部分数据,但数据还是以每年15
拍字节[petabyte,1 拍字节(PB)= 210
太字节(TB)=220
吉字节(GB)=230兆字节(MB)]的速度累积,这比每年上传到YouTube
上的视频总量还要多。而当LHC 在2015
年重启时,加倍的碰撞率将每年产生大约30PB 的数据,几乎相当于每秒产生1GB
的数据。

全球计算网格是否有能力应对数据的激增,科尔斯对此抱有信心。这不仅是因为技术上的进步让各计算中心之间的集成度更高,而且“在过去的10
年,网络的传输速度已经大大提升,”他补充道。比如在2013
年,在受到现有空间和能耗限制之下,他们通过两根传输速率高达每秒100G
的光纤,将位于布达佩斯的设备连接进来,扩充了CERN
数据中心的处理能力。科尔斯说,从运行上看,布达佩斯的设备和放置在隔壁的设备没什么区别。

但数据暴涨不会就此止步,计划中的对LHC 的各项升级工作,将会使LHC
产生的数据量继续增长,2020
年初将达到每年110PB,最终将到达每年400PB。“我们现在还无法处理这么多数据,”科尔斯感叹道。更糟糕的是,计算机芯片的运行速度正在进入平台期,目前最好的商用芯片通常会使用2
个、4 个或8 个处理器来提高运行能力,未来的芯片可能会有更多处理器,但LHC
上的代码只能在单处理器上运行。要让代码在这么多处理器上并行运行,要将约150
万行代码重新编写,这需要数千人花费数年时间才能完成。

在20 世纪80
年代末,当CERN的物理学家需要一个更好的方式来分享数据时,他们发明了万维网(WWW),而在上世纪90
年代,当他们需要一种更好的方式来访问计算机存储资源时,又发明了世界上最大的计算机网格。因此对于上述问题,LHC
的科学家似乎也应有信心解决。

在谈及“下一代大型加速器”时,莱蒙特看上去也有着同样的信心。尽管CERN才刚庆祝完60
周岁生日,而LHC 也还有20
年时间来进行质子碰撞,但实验室已经开始探索建设80 ~ 100
千米左右的加速器的可行性了,那将会进一步深入探索物质的结构。莱蒙特同时也指出,LHC
虽然在2008 年才开始第一次运行,但实际上,早在1984
年,研究人员就开始规划了,因此,“我们现在必须开始考虑下一代加速器的事情了”。(编辑:Steed)

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