2.看穿分子魔镜

　　生物学中，存在着一种奇特的不对称性。很多分子具有“手性”（chiral），即分子中的原子存在两种互为镜像的排列方式。当化学家合成此类分子时，往往得到的是包含两种手性的混合物，为简单起见，分别称它们“左手分子”和“右手分子”。奇怪的是，生物细胞通常只由“左手分子”构成，但没人知道其中缘故。

　　有一种解释认为，这是自然界中4种基本力中的弱力决定的。粒子物理学的标准模型预言了4种基本力，其中弱力（weakforce）是核子和电子间相互作用的传递者，它对左手和右手分子有着不同的作用，而包括引力在内的其他3种基本力，对两种手征分子的作用都是相同的。法国巴黎第13大学的贝努瓦·达尔基耶（BenotDarquié）解释说，理论上，弱力会导致手性分子一种手征结构的能态（energystate）稍弱于另一手征结构，这种差异通常为1/1015～1/1020。因此，如果一种手征结构的振动频率是30THz（1THz=1012Hz），那另一手征结构的振动频率会差上几毫赫兹（mHz，10-3Hz）甚至几微赫兹（μHz，10-6Hz）。

　　达尔基耶说，测量两种手征分子间的微小差异，将有助于解释，为何生物偏好左手结构，而他的研究小组也为此努力。这类测量甚至能为标准模型中，弱力理论部分的某些参数提供准确值。

　　如果实验结果没能解开生物手征谜团，该怎么办？达尔基耶说，他不会太在意，因为他们建立的技术将为检验基本的物理理论提供很多新方法。“通常，大多数精确的物理实验都是用高能粒子或低能原子开展，而分子更复杂，所以能解决更复杂的问题”。

　　3.寻找额外维度

　　对于现实世界，我们有一个非常基本的认识，几乎没人对此有所怀疑，那就是我们的世界恰好有三个空间维度：左右、前后，还有上下。但超弦理论（superstringtheory）及其他一些构造“万物理论”的尝试，已经让很多物理学家相信，空间的维度远不止于此。他们认为，这些额外的维度是高度卷曲的，所以我们根本感觉不到，但它们会在很小的尺度上影响引力，使得两个物理间的作用力，稍稍偏离牛顿引力理论的经典结果。因此，如果能在实验中探测到微小尺度上的引力变化，也许就能证实这些额外维度的存在。

　　美国华盛顿大学实验核子物理与天体物理中心的埃里克·阿德尔贝格（EricAdelberger）第一次听到这样的说法，是在1999年的一个讲座中。“有些人认为这个想法很愚蠢，也有人认为它很酷，”他回忆道。但他和同事决定要用实验来检验这种说法。“如果能证实，我们对宇宙维度的认识一直是错的，还有比这更令人激动的事吗？”他说。

　　阿德尔贝格的“武器”是扭秤（torsionbalance），其实就是18世纪90年代末，英国物理学家亨利·卡文迪许（HenryCavendish）首次测量万有引力常数所用装置的“升级版”。在这个“现代版”的扭秤中，一根金属杆用丝线悬挂起来，可以自由扭动，金属杆的底端安放着一个探测圆盘，圆盘上钻有一系列小孔。在探测圆盘下方几微米处，还有一个钻有类似小孔的圆盘——这是吸引盘。当吸引盘转动时，小孔之间的盘体会对探测盘的盘体施加一个微弱引力，使探测盘和金属杆转动，从而扭转悬丝，使之转动大约十亿分之一度的微小角度。

　　精益求精的设计让研究人员可以排除其他影响因素，如果这样仍能观察到探测盘的扭转，他们知道肯定有好戏上演。到目前为止，阿德尔贝格的研究小组可以断定，在44微米及以上尺度肯定没有额外维度存在。他的两个研究生，以及全球其他10多个小组，都正在想方设法继续向微观尺度进发。不过，究竟要多久才能有所发现，取决于这些额外维度的大小。阿德尔贝格认为，如果额外维度卷曲得太厉害，“那答案可能是永远也发现不了。如果在30微米上有可见的卷曲，那就只需一年就能发现”。

　　4.捕捉引力波

　　斯科特·雷森（ScottRansom）那孩子似的劲头与他正在从事的研究似乎有些不相符：这个研究可能要等上十来年才能初见端倪。雷森是美国国家射电天文台（NationalRadioAstronomyObservatory）的天文学家，在谈到星系中最精准的天然钟表——脉冲星（pulstar）时，他嘴里蹦出了一连串的“太棒了”、“酷毙了”这样的词来，并认为脉冲星能让他和其他科学家验证爱因斯坦广义相对论中一个最基本的预言——引力波（gravitationalwave）。“它将为我们打开一扇观测宇宙的全新窗口，”他嚷嚷着，“除了‘光之眼’，我们还有‘质量之眼’。”

　　雷森解释说，按照爱因斯坦广义相对论，引力波是由质量运动引起的时空结构的涟漪，比如说一对互相绕转的中子星（neutronstar）就能产生引力波。雷森说，这就像抖动一个电子，会让电子周围的电场和磁场以光及其他形式的辐射向周围传播一样，“当你抖动某个有质量的物体，你就制造出了引力波”。

　　这项研究是由国际脉冲星记时阵列协会（InternationalPulsarTimingArrayconsortium）组织的，除了雷森外，还有10多位科学家参与。好消息是，他们无须购买任何新设备，波多黎各的阿雷西博射电望远镜（Areciboradiotelescope）就可担此任。但坏消息是，大概要持续观测十年，才能捕捉到由转动黑洞发出的引力波，目前他们只对6颗脉冲星进行了连续5年的准确计时测量。

　　5.重塑千克标准

　　1千克，这本应是一个不变的常数。但实际上它会变化，这是因为旧有质量标准规定，1千克等于巴黎郊外的一间库房中，那个有120年高龄的铂铱合金圆柱的质量。谁也不知道这位“千克原器”（LeGrandK）究竟是由于原子落在表面变重了，还是由于原子从表面脱落变轻了，唯一能肯定的是，它的质量肯定在变化——证据是，它的那些重量曾完全一致的复制品，现在已经有了可测量的质量差别。

　　“我们需要弄清楚这件事，”美国标准与技术中心（NIST）的工程师、致力于重新定义质量标准的计量学家琼·普拉特（JonPratt）说。他介绍说，千克是唯一一个目前还用实物来定义的基本单位。

　　重新定义千克的基本思想是，将千克与某个精确测量的基本物理常数联系起来，就如同今天用真空中的光速来定义米一样：1米是光在真空中1/299792458秒内通过的距离。这意味着，要定义千克，就必须确定普朗克常数h，因为后者是量子力学中能量量子（energyquanta）的大小，它乘上光的频率ν就得到能量，即着名的光电效应方程E=hν；接着，再用更着名的质能方程E=mc2，就可以得出千克质量的定义了。

　　不过，确定普朗克常数的准确数值是个精细活，而且目前常用的两种测量方法得到的结果还存在差异，这让上述方法止步不前。在这两种方法中，一种是使用“瓦特秤”（wattbalance）。这种装置其实是一架简单的天平：一端承载着1千克质量的物体，该物体质量用巴黎的千克原器精心校准过；另一端是一个放在磁场中的通电线圈。调整磁场，直到1千克质量与线圈所受的电磁力精确平衡，接下来就可通过一连串方程，把1千克质量和普朗克常数联系起来。但说起来容易做起来难，研究者不仅需要避免任何测量偏差，还需要排除其他干扰，比如最容易导致误差的地球引力场等。

　　面对这些挑战，研究者们默默无闻，愿意用数年或是数十年的时间来操作研究，实验过程中，他们要求尽可能减少可疑数据的出现；面对可能扰乱探测信号的背景噪声，这些研究人员与之进行了锲而不舍的斗争。他们在朝着更高的目标奋进，改变未来面貌与他们息息相关。