超级计算机模拟实验：核聚变反应和黑洞探戈

[导读]近日，美国《探索》杂志列举了最具代表性的6项超级计算机模拟实验，其中包括：超新星爆炸、黑洞碰撞时的“探戈”舞蹈等。

据美国《探索》杂志报道，一些天文现象、物理反应以及药物原理通过超级计算机模拟不仅解开了家的谜团，也呈现出绚丽的色彩。比如：银河系内数千亿颗恒星、一个病毒中数十万个独立原子。以下是具有代表性的6个超级计算机模拟实验，帮助研究人员如何研制药物抵御流感病毒、黑洞出现“探戈”舞蹈式碰撞形成的时空扭曲。

1、低质量双恒星

低质量双恒星

如图所示，这张图像是美国国家能源部SLAC国家加速装置实验室的超级计算机模型图，图中的低质量双恒星形成于宇宙早期，可能仅形成于宇宙大爆炸后2亿年。

这张模拟图包含着12.8×10^52立方公里的气体和暗物质弥漫于太空中，色彩轻淡的区域是宇宙物质高密区。

2、核聚变反应

核聚变反应

数十年以来，科学家一直致力于研究太阳提供能量的持续性核聚变反应产生洁净能源，在地球上这一方案需要使用1.5亿摄氏度的人工等离子体(带电气体)，这一温度是太阳内核的10倍。目前，斥资1000亿欧元的国际高热原子核实验反应堆(ITER)正在法国建造。

近期，计算机模拟实验结合国际高热原子核实验反应堆的炸面圈状反应舱以及高功率限制等离子体的磁场，该实验可以帮助研究人员预测机械装置内骚动等离子体的运动状况。该装置较长纤维中呈现等离子体中浓密电子流过反应舱，这些高密度电子呈现红色和橙色。由于等离子占宇宙99%可见区域，像这样的超级计算机模拟可以洞察较广范围的天体物理学现象，其中包括形成宇宙射线的恒星形成和宇宙活动事件。

3、“黑洞探戈”

“黑洞探戈”

迄今科学家在宇宙中未探测到的强大宇宙活动事件包含超大质量黑洞的合并过程，如图所示，这是科学家通过超级计算机模拟的黑洞合并过程，看上去颇似两个黑洞在一起跳探戈舞。

黑洞的质量相当于数十亿颗太阳，通常黑洞位于大型星系中心位置，当两个星系发生碰撞，黑洞经过螺旋形的“探戈舞蹈”便能结合在一起。图中彩色带状结构是延伸的重力场，而灰色球体是黑洞的边界，在黑洞边界区域甚至是光线也无法从中逃脱。

艾伯特－爱因斯坦(Albert Einstein)的广义相对论预测黑洞合并应当释放强烈的重力波，在时空中产生涟漪。目前科学家通过超级计算机模型正在研究如何探测和识别重力波，他们的实验地点位于美国宇航局两个基地，分别是加利福尼亚州艾梅斯研究中心和马里兰州戈达德太空飞行中心。[导读]近日，美国《探索》杂志列举了最具代表性的6项超级计算机模拟实验，其中包括：超新星爆炸、黑洞碰撞时的“探戈”舞蹈等。

4、闪烁，闪烁……超新星爆炸

闪烁，闪烁……超新星爆炸

如图所示，这是质量是太阳10倍的衰老恒星步入死亡阶段的模拟图，这颗衰老恒星正在耗尽光芒，逐渐熔化恒星物质，处于熔化状态的铁质内核逐渐崩溃。这颗恒星内部将像一个球形活塞发生反弹，以II类型超新星形式爆炸。

天体物理学家使用田纳西州橡木脊国家实验室的先进超级计算机进行了图像模拟，图像显示至关重要的中微子对撕裂恒星的冲击波提供能量，模拟图像显示流动状态的宇宙物质位于这颗巨大恒星内核。图中黄褐色区域是高热量区，蓝色和绿色是相对冷却的物质。

5、检测H1N1病毒

检测H1N1病毒

2009年春季，H1N1病毒在全球范围内泛滥，人们对这种病毒产生恐惧感，美国伊利诺斯州立大学和犹他州立大学的研究人员授权在德州高级计算中心进行H1N1病毒超级计算机模拟实验，他们的实验目标是测试H1N1病毒对泰米弗氯(Tamiflu)是否产生抵抗性，泰米弗氟药物是图像中心位置的白色颗粒。

这种抗病毒物质结合在一种叫做神经氨酸苷酶(neuraminidase)的表面蛋白质上，神经氨酸苷酶能够感染宿主细胞。所谓“H1N1”是病毒名称的缩写，其中H指的是血球凝集素（Hemagglutinin）、而N指的是神经氨酸酶（Neuraminidase），两种都是病毒上的抗原名称。

超级计算机为期两周的模拟显示，神经氨酸酶结合的红色区域呈现阴性，神经氨酸酶周围的紫色区域呈现阳性，泰米弗氯施加在蛋白质的狭窄路径呈现阴性，沿着药物施用路径将产生变异，使H1N1病毒对药物产生抗性。

6、揭示帕金森氏症神秘分子

揭示帕金森氏症神秘分子

帕金森氏患者十分痛苦，由于这种病症会杀死控制协调移动的化学多巴胺的大脑细胞，患者将遭受肌肉震颤和僵硬。科学家最初认为一种叫做阿尔法核素的蛋白质分子能够形成束状，具有破坏性的纤维物质，然而其具体的形成过程尚不清楚。

为了进行深入调查，美国加利福尼亚州立大学圣地亚哥分校科学家962757个小时运行超级计算机，勘测能够形成的阿尔法核素分子。这项模拟显示阿尔法核素分子可以在大脑细胞膜上穿孔(图像中绿色区域)聚集形成环状结构，从而导致大脑细胞死亡，引发帕金森氏症。这些模拟研究有助于研发新一代预防疾病药物。

光速可能隨時空改變

國際天文物理學界最近有一項重大發現，可能會徹底改變人類對物理學的認知，改寫許多在以往被認定為亙古不變的自然定律，首當其沖的問題將是：「光速」可能并非一個固定的常數。不過由于相關的影響實在太過深遠，物理學界對這項發現多半持保留態度，認為仍有待進一步的實驗證明與理論分析。

中國時報報道，一群來自澳洲、美國與英國的物理學家經由天文觀測發現，「光速」這個愛因斯坦相對論中的常數，有可能會隨著時間而變化，其變化幅度雖然極其細微，但仍不可忽視，而且一旦科學界證明光速並非常數，其他的自然定律也將岌岌可危，必須大幅修正。這項驚人的發現將刊載於本月廿七日出版的「物理學評論通訊」，這份期刊在物理學界的地位相當崇高。

澳洲雪梨新南威爾斯大學天文物理學家韋布博士是這項研究計畫的主持人，他與同僚運用全世界最大的光學望遠鏡－夏威夷茂納開亞的凱克望遠鏡，觀察約一百廿億光年外的一顆「似星體」或「類星體」，（quasar），分析其光線中鎂、鋅、氫等元素的吸收光譜，並與這些元素在地球上實驗室中的光譜做比對，結果發現兩者有差異。科學家以基本物理常數「精細結構常數」（fine-structure constant = 0.00729735253）來衡量似星體与地球的差異。

由於似星體是距離地球最遠的天體，它發出的光線可以讓我們一窺一百廿億至一百四十億年前，宇宙在「大霹靂」那一刻誕生的光景，因此一百廿億年前一顆似星體與現今地球的「精細結構常數」出現差異，可能就意味著光速與其他物理定律會隨著時間演進、宇宙擴張而改變。韋布博士說：「如果我們的觀測結果正確，其理論意涵將有深遠影響。」不過韋布也強調，他們大約還需要二到三年時間來對其觀測結果做最終確認，因此物理學界不必急著推演新理論。

另一方面，「費米國家加速器實驗室」的天文物理學家柯布指出，這項觀測結果或許也可以用「超弦理論」（superstring theory）來解釋。「超弦理論」是一种尚未獲得證實的基本粒子理論，它認為宇宙原本是具有十個次元的時空，但是在宇宙「大霹靂」發生後幾秒鐘內，其中六個次元收縮到基本粒子的空間之中，使今日人類只能測量到時間與三度空間等四個次元。但是六個次元在收縮時（就是似星體發出光線的時刻），可能會改變精細結構常數等物理量，造成天文物理學家觀測到的差異。

“左撇子”的科学新发现

唐若水　发布时间： 2007-05-24 03:53　来源：光明日报

★左撇子的形成。

一说遗传。有研究表明，如果父母两人都是左撇子，生下子女也是左撇子的几率为26%。若父母两人中有一人为左撇子，其子女也是左撇子的几率便下降为19%。而若父母两人都不是左撇子，其子女为左撇子的几率仅为9%。二说社会。在规矩愈严厉或愈迷信的社会，左撇子的比例往往愈低甚至绝迹，很多在婴儿时期 习惯于用左手者被长辈打骂成惯用右手就是一个最好的例证。三说子宫环境。北爱尔兰研究者曾对1000名胎儿进行了超声扫描，并在他们出生后跟踪调查了他们的发育情况，结果发现，在孕期第10至12周时，如果当时的子宫环境允许胎儿更多地吮吸他们的左手，那么他们出生后就是左撇子，而且这一与生俱来的习惯将伴随其终生。

★左撇子记忆“事件”更优。

曾经流传过一种说法，称左撇子的记忆力要强于惯用右手的一般人。但美国托兰多大学的一个由行为学家和神经心理学家参加的研究小组的一项新研究证实，说得更精确些，其实应该是：左撇子只是在记忆“事件”方面比惯用右手的一般人更牢固些，然而在记忆“数据”等“具体事实”方面，却明显弱于一般人。专家们在新一期的《神经心理学》杂志上发表的论文披露，他们是根据对德州圣安东尼奥附近的某空军基地的共180名新兵作了记忆测试后得出上述结果的。专家们认为，对左撇子而言，大脑左右半球的相互作用可能更多也更为频繁。有迹象显示，事件型记忆是与大脑左右半球的相互作用密切相关的。为了进一步证实他们理论的正确性，专家们又对84名男女大学生作了记忆测试，在测试时特意向他们显示了一些事件和数据，同时对他们大脑的一侧或两侧进行刺激，结果发现：那些大脑左右半球均得到刺激者在“事件”的记忆上表现良好，而那些只有大脑一侧得到刺激者则在“数据”的记忆上较为优秀。

★左撇子有个部落。

左撇子在世界人口中无疑只占少数，大约每20人中只有1人。但居住在俄罗斯北极地区的泰玛尔部落中，和我们常人一样惯用右手者却仅占20%，而其余的80%竟全是左撇子。由此，当地人设计制造的家具、渔网等用具的“样式”均为左撇子提供方便。这使得外族人往往感到十分别扭和不便，而更使前去考察的科学家们大感惊讶的是，那儿的左撇子普遍比惯用右手者不怕严寒。在一次发生于多年前的气温低至零下50度的大雪暴中，死者多为惯用右手者，相反左撇子则大多平安无事。此外，他们大多体质较为强健，平均寿命也要高上10岁左右。科学家们虽然对其中的奥秘还不能作出科学的解释，但可以确定的是，左撇子具有的特别生理结构较能适应寒冷的坏境，而且正是由于物种的“优势选择”，左撇子在当地人口中比例越来越大，最后发展为一个以左撇子为主的部落！

★左撇子儿童容易心理失衡。

美国的一些儿童心理治疗专家、儿童行为学家和儿童教育专家，最近通过一项最新专题研究惊讶地发现，在“左撇子”儿童中，出现心理失衡者所占的比例竟然比一般同龄孩子高出约26个百分点之多！而显示“心理失衡”的症状可能五花八门，其中包括：程度不一的自卑、自惭，较为强烈的孤独感或失落感，不合群，轻度抑郁，而且这些消极心理如果长期难以克服便容易引起尿床、失眠、食欲不佳、经常头疼、记忆力差等表现异常，最终还可能导致智力发展迟缓，并进而使得学习能力低下，与此同时还可能明显影响身体的正常生长和发育。

★乌鸦中也有左撇子。

新西兰奥克兰大学动物行为学家嘉温·亨特通过一项最新专题研究发现，左撇子并非人类独有的行为现象——甚至在一些非高等动物，如乌鸦中也显然存在着左撇子。亨特曾对当地的一种新加利多尼亚乌鸦作了观察和研究。他发现，这种乌鸦常常把长而窄的树叶啄成一头粗、一头细的工具，然后用它来从洞中挖昆虫吃。在他收集到的总共19件这类工具中，有12件是从树叶左边开始啄制的。《自然》杂志称：此系头一次发现人类以外的动物存在这种左右偏好的现象。

百度百科 ：左撇子