科學快報 重磅！核聚變已突破極限，並進入密度自由區，【科學快報】第254期

研究團隊在常規的託卡馬克核聚變裝備中 成功使等離子體密度超過了格林沃爾德極限 並通過控制邊緣雜質的方式 進入了一個預言中的密度自由區 實現了1.3到1.65倍的穩態運行 研究成果於1月1號發表在了科學進展雜誌上 格林沃爾德極限是給託卡馬克核聚變反應中的 等離子體密度劃定的一個上限 一旦超過這個連接點 系統立刻就會變得不穩定 這個概念自從1988年提出以來 就一直是核聚變研究的核心準則 爲什麼核聚變都要講密度 因爲密度和反應率是平方正比的關係 理想狀態下 密度提高兩倍 聚變功率就能提高四倍 它是最核心的參數 因此提高密度是獲取高效能量輸出的必經之路 其實格林沃爾德極限並不是一下子就突破了 2022年《物理評論快報》上的一項研究 給出了新方程 將格林沃爾德極限提高了將近兩倍 提高之後 託卡馬克就可以加更多的燃料 2024年中美又聯合在《自然》雜誌上 發表了一項研究成果 等離子體密度比格林沃爾德極限提高了20% 並且穩定運行了2.2秒 同時能量約束水平比標準的高約束模式高出了50% 而剛公佈的這項研究更進一步 不僅打破了格林沃爾德極限 實打實的解決了工程難題 更關鍵的是 實驗進入了一個理論上預言 但從未被實驗驗證的密度自由區 密度自由區的意思是通過精密控制 將裝備內部特定位置的溫度 控制在某個臨界點以下 防止雜質建設 從根本上切斷雜質產生的惡性循環 一旦系統跨過臨界點進入自由區 密度上限將不再受格林沃爾德極限的束縛 可以大幅提升 大概可以理解爲 裝備從一個簡易的燒熱壺 變成了一個可以智能局部控溫的恆溫壺 另外去年7月份 威斯康星的團隊還通過協修的方式 將等離子體密度提升至格林沃爾德極限的10倍 不過它們那個屬於技術研究 基磁場低溫度也不具備核聚變產能 最近物理學界發現了一種非常有性格的晶體 叫做波幣二 它不是簡單的混合物 而是兩種金屬原子按一定比例 通過化學鍵結合形成的一種 具有獨特晶體結構的新材料 這種材料看起來就像是一個普通的晶體 但科學發現 它內部的電子依然像在普通金屬裏一樣運動 可一旦到了表面 電子就會手拉手配對 進入超導狀態 完全沒有電阻 研究成果已經發表在了《自然》雜誌上 內部導電錶面超導還不是它最厲害的地方 真正讓人激動的是 它是迄今爲止發現的第一個 具有I波特性的超導體 跟其他的超導材料相比 它的電子配對更加挑剔 科學家通過高分辨率測量發現 它的表面電子在六個特定的方向上不配對 呈現出了一種六重旋轉對稱性 在物理學上 這對應的是極爲罕見的I波對稱 這也是人類第一次 確鑿地觀測到這種配對形式 這種獨特的I波超導特性 讓伯比爾成爲了一種頂級的拓撲超導體 理論計算和實驗暗示 在這種材料表面的臺階邊緣 會困住一種神祕的粒子 馬約拉那費米斯 在量子計算領域 它們成對出線 抗干擾能力極強 如果我們能利用這種材料 像做臺階一樣 人爲製造出邊緣 就能夠批量生產這種粒子 用來製造容錯率極高的量子比特 一塊小小的塑料芯片 不僅長出了人類的肺部細胞 甚至還能像真肺一樣呼吸 最近弗朗西斯科裏克研究所的科學家們 考出了一個大動作 他們研發出了世界上第一個 完全由同一位捐獻者的細胞 構成的肺芯片 這不是普通的實驗室培養品 它能模擬人體真實的呼吸運動 還能用來測試肺結核等 傳染病的治療方案 不過這種器官芯片 以前不是也有嗎 這次有什麼不同呢 以前的肺芯片 上面的細胞往往是拼湊出來的 有的來自患者 有的是從商業公司買的 大家的基因都不一樣 這就像是不同品牌的積木硬拼在一起 很難完全還原真實的身體反應 但這次不一樣 營養團隊利用誘導多能幹細胞技術 把來自同一個人的幹細胞 分化成了肺泡表皮細胞 血管內皮細胞 甚至還有免疫細胞 這意味着這塊芯片上的所有細胞 基因都是完全一樣的 科學家還專門設計了一種機械裝置 讓芯片通過有節奏的拉伸 來模擬我們呼吸時的胸部起伏 然後科學家直接用它做了一場肺結核感染實驗 他們所觀察到的 和真實人體內的病理反應驚人的相似 感染5天之後 芯片裏的肺泡屏障崩塌了 模擬出了肺部功能的衰竭 這種早期的病變過程 以前在人體裏是很難直接觀察到的 現在我們在芯片上能看到一清二楚 這樣技術的最大意義在於個性化治療 以後可能只需要抽取一些細胞 就能在芯片上造出你的肺部提升 近期一個研究團隊在法醫學研究上 發表了一篇論文 彙總了他們所能找到的所有 利用苔蘚及其近緣植物協助破案的案例 該研究重點關注的一個案例是 2011年的一個女嬰被父親殺害 屍體下落不明 2013年科學家利用苔蘚降速的範圍 從最初的7個線縮小到了50平方英尺 最終其父被判監禁19到45年 在其他的一些案件中 苔蘚可以幫助確定一孩被掩埋的時間 發現自相矛盾的時間線 將被告人置於犯罪現場 另外苔蘚還能夠幫助確認一孩的歸屬問題 以及區分自殺或謀殺 法醫學的進步也很快 還記得我們前幾天說的 從子彈殼上取紙紋嗎 這在以前都是不可能實現的 很多人都看過美劇《紙牌屋》 這個詞原意指的是一個不穩定的系統 在普林斯頓大學近期發表的一篇論文中 研究人員利用這個詞 巨型星座是指由成千上萬顆衛星 協同工作組成的龐大衛星網絡 計算表明 在所有的低地球軌道巨型衛星星座中 近距離接近平均每22秒發生一次 就拿星鏈來說 每顆衛星平均每年 都必須進行41次軌道機動 以避免與軌道上的其他物體相撞 這聽起來好像沒什麼問題 但如果遇到極端情況就不同了 比如24年的甘農風暴 近地軌道上一半的衛星 都不得不消耗燃料來重新定位 而如果嚴重的太陽風暴破壞了通信系統 不能及時調整 那麼風險就會大大增加 一顆衛星解體就會引發連鎖反應 碎片會摧毀軌道上的其他衛星 並讓這部分區域成爲航天器禁區 無法部署新的航天器 根據他們的計算 截至2025年6月 如果運營商失去發送規避機動指令的能力 大約2.8天后 就會發生災難性的碰撞 而2018年這個數字爲121天