对生物体中氨基酸分子都是左手征的一种解释
by zqyin on 11月 4, 2008
我们都知道,生物体中氨基酸分子都是左手征的,原因是什么,还有争议。一种可能是,圆偏光的照射,引起了这种对称性的破缺。可是地球上自然的圆偏光源非常罕见。而天文学家发现,星系间的物质能够产生圆偏光。因此有人提出,地球的生命来自外太空。另外一种可能是,自旋极化的电子引起了这种不对称。而自旋极化的电子源在原始地球上就相对容易实现了。只需要软X射线照射磁化的铁镍金属。
据《PhysicsWorld》报道,美国俄勒冈国家实验室的科学家研究表明,自旋极化的电子可能是自然界中氨基酸分子的手征性不对称得根源。他们发现当极化的电子存在时,两种手征的分子发生化学反应的速率有差别。他们在磁化的铁镍合金表明附着上丁醇,然后用软X射线照射。此时会发生丁醇分子断裂或者离解的化学反应。这是由于X射线能够打出金属中的电子(光电反应),电子与丁醇分子碰撞,引起了化学反应。由于合金是磁化的,所以初射的电子也会带有一定的极性。前人的文献报道极性大概为10%。他们仔细分析了右手征和左手征丁醇分子的反应,发现当电子极化方向为+时,右手征分子的反应速度比左手征的快,极化方向反向时,左手征的反应快。二者有10%的速率差。
接下来,他们希望在谷氨酸(一种氨基酸)中重复这个实验。另外他们也希望用极化率更高的电子来重复试验,研究极化大小对反应的影响。
纳米电机械与光机械系统
by zqyin on 4月 25, 2008
微米电机械(MEMS)系统广泛用于各种传感器和电路系统。随着技术的发展,系统进一步缩小,现在人们已经开始研究纳米电机械(NEMS)系统了。
为什么要研究发展NEMS系统?因为人们希望对微小的力和位移进行测量。超导器件约瑟夫森结中电流的震荡,迈克耳逊干涉仪等都可以归结为对微小位移的测量。集成化的NEMS系统能够对10^-21克的质量和10^-21牛顿的力进行测量。这么灵敏的探测器可以帮助我们测量单个核子的核自旋,进而对大分子的三维结构能够进行实时测量。
NEMS系统中的振子频率一般高达几十兆赫兹,最高的频率达到10^9赫兹。振子的震动是与电场耦合着的,可以受电场控制。纳米光机械系统(NOMS)也与此类似,不过与机械振子耦合的不是电场,而是光场。与NEMS不同,NOMS也可以用作光学器件,完成一些非线性光学的实验,或者作为一些特殊的光源。
目前大家最关心的问题是如何冷却这个振子,希望能够能却到能量的基态。对于不同震动频率的振子,基态对应的温度不同。对10^9赫兹的振子来说,温度也在50毫开尔文。随着振动频率的降低,临界温度也随之降低。因此对于一般的NEMS系统来说,是无法通过降低环境温度使得它处于基态的。只能主动的冷却它。最近2年来,这方面的实验进展比较大,但是并没有一个里程碑式的实验表明可以把振子冷却到了基态。
我还记得在杰克.威廉森的《CT飞船》和《CT幅射》里面幻想利用反物质产生能量,同时利用一个迷漫在空间中的场来无线的传输能量。作者希望由此实现能量自由的世界。小说里面那种无线传输能量的技术让我印象非常深刻,我没有想到这样一个幻想今天已经实现了,至少是部分实现了。
在最新《Sciencexpress》上,在线发表了MIT的André Kurs等人完成的一个名为“通过强耦合磁共振实现无线能量传输”的工作。他们展示了一个原理性的实验,能够传输的功率为60瓦,距离两米,效率可达40%。原理我这里就不解释了,语言都是苍白的,还是看看照片吧。
树叶也许就是一个量子计算机
by zqyin on 4月 15, 2007
Nature报道的一个有意思的实验:叶绿素的光合反应有可能伴随着量子相干演化,或者说有一个子搜索算法在里面。
PhysicsWeb新闻上是这么说的:光照射一个叶绿素分子,分子上的电子被激发。一般人们都认为,激发的分子会随机的把能量传递到最近的能量比较低的分子上,这个过程就是所谓的“downhill”。能量会不断的沿着下坡路往下跑,直到达到发生光合反应的中心。
问题在于,这个能量随机传递的模型无法解释光合作用效率为什么这么高:95%以上。在这个实验中,人们发现,能量的传递并不是这种经典的随机过程,而是一个量子运动过程。他们发现叶绿素分子被激发后,震荡信号维持了几百飞秒,这被认为是出现了量子拍(quantum beats),也就是说所有的能级同时相干的被联系到一起了。换句话说,激发态同时感觉到了所有的这些能态,但并没有真的访问这些能态,于是它可以通过最优的路径达到反应中心,而不损失能量。
这个过程,实际上就与1997年发明的Grover量子搜索算法思想上很类似。“在这个光合反应中,能量搜索它需要追随的路径,到达它发挥效用的地方。”密歇根大学的Roseanne Sension解释说。
争议仍旧存在,因为实验是在77K的低温下进行的,所以对处于300K的常温下的树叶来说,是否也会出现这个效应,人们不能肯定。
我为什么会成为一个Physicist
by zqyin on 4月 7, 2007
相应号召,我也写一篇短文吧。
我觉得自己选择物理是很自然的。小学时我就对自然这门课很感兴趣,还参加了自然兴趣小组,我记得当时的一个活动是记录天气情况,我天天用一个小本子做记录。小时候我的问题也很多,喜欢看《十万个为什么》等科普书籍。
上初中时,开始学物理。当时我的成绩是全班最好的。老师上课所讲的东西我理解得很快,考试也是第一个完成。我记得老师给我们推荐了一个初中物理的演示实验器材,可以在家中做物理实验的。我让父母给邮购了一套。那段时间对这套仪器我很着迷,把里面的力学,光学和电学实验都做了一遍。跟其他物理成绩好的人一样,我也参加过物理竞赛。初三时在老师的辅导下做了不少竞赛题,顺利的通过了初试,然后去武汉参加复试。不过竞赛的成绩并不好,拿了个安慰人的三等奖。但不管怎么样,这些经历激发了我学习物理的兴趣和信心。