科学松鼠会 » Sheldon http://songshuhui.net 剥开科学的坚果,让科学流行起来 Sun, 10 Dec 2017 22:59:25 +0000 zh-CN hourly 1 http://wordpress.org/?v=4.3.14 http://songshuhui.net/wp-content/uploads/cropped-songshuhui-32x32.jpg » Sheldon http://songshuhui.net 32 32 漫画 | 中国建成量子通信京沪干线,多家银行银监已启用 http://songshuhui.net/archives/98952 http://songshuhui.net/archives/98952#comments Thu, 09 Nov 2017 22:52:30 +0000 http://songshuhui.net/?p=98952 1联合标题头

别看量子力学处处古怪,
关键时候它能帮你保密呢。

封面

京沪干线 (1)

2017年,由中科院领导、中国科学技术大学作为项目建设主体承担,中国有线电视网络有限公司、山东信息通信技术研究院、中国科大先进技术研究院、中国银行业监督管理委员会等单位协作建设的量子保密通信“京沪干线”顺利开通

这是世界上首条全长2000公里级别的,能够实现“天地一体化”的量子保密通信网络。

京沪干线 (2)

 1  为什么要搞量子保密通信?

网上买买买的时候你有没有想过,
你的手机向银行发起的交易信息,
真的安全吗?
答案是暂时安全,
因为网络交易信息都经过了加密(RSA加密)

京沪干线 (3)

要想破解RSA加密的密钥,
就要把一个很大很大的数,
(例如一个1024位的大数)
用暴力方法分解成
两个质数的乘积。
这个破解过程非常漫长,
用超级计算机太湖之光,
加上目前最优的算法,
大概还是需要50年
如果位数再增加几位,
想要破解就得100年起了。

 

京沪干线 (4)

如果将来有了量子计算机
运用量子计算的肖尔算法,
别说1024位的密钥了,
就连破解2048位的密钥,
它都只需要几秒钟

京沪干线 (5)

所以,
为了未来的信息安全
许多国家需要研究和应用
量子保密通信技术

 2  什么是量子保密通信?

量子保密通信说白了,
就是利用量子力学的幺蛾子性质,
先发送、后产生一组完全随机的密钥,
供通信双方加密和解密时使用。

整个过程不可窃听,
产生的密文不可破解,
在物理上是绝对安全的。

京沪干线 (6)

网上传输所有的信息时,
都要先把信息转换成比特0和1。

假如你用传统的方法,
在光纤中传输一段密码,
就得用很多光子组成的脉冲表示1,
用没有光子的空白状态表示0。

这么多光子在光纤中跑,
想要窃听而不被发现,
一点儿也不难。

京沪干线 (7)

但是在量子保密通信中,
科学家表示0和1的方法,
单个光子的偏振状态。

京沪干线 (8)

比方说,
如果跑来一个0度偏振的光子,
我们就会接收到比特0;
如果跑来一个90度偏振的光子,
我们就会接收到比特1。

京沪干线 (9)

量子通信的科学家非常鸡贼,
他们不但用0度和90度表示0和1,
还制定了一个奇葩的规定:
45度的光子也可以表示比特0,
135度的光子也可以表示比特1。

所以,
他们发送的0和1的序列,
必然随机包含两种类型的光子。

京沪干线 (10)

当一个45度偏振的光子,
跑到测量0度和90度偏振的
接收器面前时,
又会得到什么结果呢?

量子力学中有个幺蛾子,
叫做量子叠加态
简单地说,
45度的偏振,
可以看作是0度和90度偏振的叠加。

京沪干线 (11)

但是,
接收器显然不会
同时探测到0度和90度的偏振,
而是随机得到其中一种结果
要么是0度偏振(比特0)
要么是90度偏振(比特1),
两种结果都有一定概率发生。

这就是量子力学的另一个幺蛾子:
上帝掷骰子”!

京沪干线 (12)

所以,
我们得到一个经验:
如果接收器和光子偏振方向不一致
就无法接收到正确的比特

京沪干线 (13)

只有接收器和光子偏振方向一致时,
才能接收到正确的比特。

京沪干线 (14)

假设有人不自量力,
非要在半路窃听,
由于他不知道每个光子发出的方向,
就算他接收到了一堆比特,
其中也会有大量的错误。

如果他自作聪明,
把含有大量错误的比特,
重新发送出去。
接收方收到比特后,
发现错误很多,
自然会知道有人在窃听!

京沪干线 (15)

所以,
量子保密通信
在通信的过程中不可窃听

当科学家产生和发送量子密钥时,
他总是先随机发射两类光子,
接收方则会随机摆弄接收器的方向,
这会导致很多光子的接收失败。

然后,
科学家会和接收方通个电话,
交流一下哪些光子失败,
哪些光子成功。

京沪干线 (16)

把失败光子的比特统统删除,
剩下的比特就组成了量子密钥。
因为每串秘钥都是随机产生的,
由此加密的信息便统统不可破解

京沪干线 (17)

3 如何建造量子通信的京沪干线?

2016年8月,
我国发射了一枚量子实验卫星,
这是通向量子保密通信的关键一步。

不过,
由于卫星并不在同步轨道上,
而是不断在天上跑来跑去,
它不能24小时为我们提供服务,
所以,我们还要建造
地面量子通信系统:京沪干线

京沪干线 (18)

京沪干线的建造方法,
看起来非常简单。
就是用你上网用的光纤,
把量子通信收发装置连起来。

由于在远距离通信中,
单个光子很容易被光纤吸收或散射,
所以在京沪干线上,
每隔一段距离,
就要建一个可信中继站

京沪干线 (19)

在可信中继站之间,
量子密钥会接力传递。
如果有敌人潜入了中继站,
密钥就有可能被窃听。

但是,
相比经典通信的处处设防
可信中继的重点设防容易多了,
所以,
这种量子通信的实现方案,
在现有的技术手段下,
极大地提升了通信的安全性

京沪干线 (20)

4 京沪干线有什么意义?

首先,
京沪干线的建成,
服务了国家的战略需求,
使我国在信息安全领域
达到世界领先水平。

京沪干线 (21)

其次,
京沪干线吸引和培育了
量子通信的制造业和服务业。
其中的很多关键设备,
都是由中国企业自主研发和制造的。

例如,上转换单光子探测器
用的铌酸锂波导芯片
就是由济南量子技术研究院
和山东量子科学技术研究院有限公司
共同研制的。

京沪干线 (22)

京沪干线 (23)

除此之外,中国企业还制造了
能够快速产生大量量子密钥的
GHz高速量子网关

京沪干线 (24)

在接入站点进行大规模加密和解密的
密钥管理机

京沪干线 (25)

能够扩展网络的光量子交换机

京沪干线 (26)

还有能够从一个局域网
接入另一个局域网的
量子VPN

京沪干线 (27)

在京沪干线的分阶段建造中,
银监会地方银监局银行
就已经在各自的系统中,
尝试应用量子保密通信了,
这会为量子通信的应用起到示范效果。

京沪干线 (28)

量子实验卫星的发射,
和量子通信京沪干线的建成,
标志着中国正在努力成为,
下一代信息技术的“领跑者”。

量子通信应用的大幕,
正由中国和世界各地的科学家一起,
徐徐拉开。

京沪干线 (29)

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排版:胡豆

鸣谢:周飞,袁骁,周自恒

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漫画 | 十张图盘点2017搞笑诺奖(附赠往届精选) http://songshuhui.net/archives/98986 http://songshuhui.net/archives/98986#comments Fri, 03 Nov 2017 23:53:47 +0000 http://songshuhui.net/?p=98986 1标题头

1封面

在这个地球上,有一个奇怪的科学奖项。

它不求重大发现,不求意义深远,只为博你一笑,顺便让你思考。

它叫搞笑诺贝尔奖,实际上跟瑞典的诺贝尔奖没什么关系。不过,它的颁奖人都是货真价实的诺奖得主,甚至常年在活动结束后扫地的老大爷也在2005年时获得了诺贝尔奖。

前段时间,第27个“第一届”搞笑诺贝尔奖获奖研究揭晓了。今年获奖的10个研究到底搞不搞笑呢?

请掏出保暖的衣服,备好纸巾,往下滑滑滑~~

2017搞笑诺奖 (1)

2017搞笑诺奖 (2)

2017搞笑诺奖 (3)

2017搞笑诺奖 (4)

2017搞笑诺奖 (5)

2017搞笑诺奖 (6)

2017搞笑诺奖 (7)

2017搞笑诺奖 (8)

2017搞笑诺奖 (9)

2017搞笑诺奖 (10)

好啦,如果今年的搞笑诺贝尔奖并没有打动你,美编带你感受下往年的一些奖项…恩,






往期搞笑诺奖 (1)

往期搞笑诺奖 (2)

往期搞笑诺奖 (3)

往期搞笑诺奖 (4)

往期搞笑诺奖 (5)

往期搞笑诺奖 (6)

往期搞笑诺奖 (7)

往期搞笑诺奖 (8)

往期搞笑诺奖 (9)

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漫画 | 这水甜甜的咋这么好喝?是你的尿做的 http://songshuhui.net/archives/99010 http://songshuhui.net/archives/99010#comments Sat, 28 Oct 2017 23:51:23 +0000 http://songshuhui.net/?p=99010 标题头

国际空间站的宇航员不但喝“尿”,
而且喝了好几年呢。

封面

这水甜甜的咋这么好喝?是你的尿做的 (1)

这水甜甜的咋这么好喝?是你的尿做的 (2)

什么叫渗透

1748年,法国牧师诺莱(Jean-Antoine Nollet)发现,猪的膀胱有一种神奇的功能:水能透过它渗到外面去,但是水里溶解的物质却透过不去。

这水甜甜的咋这么好喝?是你的尿做的 (3)

如果把猪膀胱这样的薄膜横在中间,一边是某种物质的高浓度溶液,一边是它的低浓度溶液,水就会自动从低浓度溶液,渗透到高浓度溶液中。这就是渗透现象

这水甜甜的咋这么好喝?是你的尿做的 (4)


在日常生活中,渗透现象很常见。比方说咱们炒蔬菜的时候,往锅里撒一把盐,很快就会炒出汤汁,这是因为植物细胞内的盐分少,溶液浓度低,水只好从细胞里乖乖地渗透出来了。

这水甜甜的咋这么好喝?是你的尿做的 (5)

正渗透法

在正常人的尿液中,95%-97%都是水。在茫茫的太空中,如果不把这些水分重新利用起来,宇航员要不了多久就没水喝了。

这水甜甜的咋这么好喝?是你的尿做的 (6)

为了从尿液中提取水分,在薄膜另一面的溶液必须比尿液的浓度更高。聪明的科学家想出一个好办法,他们在另一端放上高浓度的糖水,而不是更高浓度的尿液。

这水甜甜的咋这么好喝?是你的尿做的 (7)

从化学的角度讲,糖分子对水分子的“吸引力”大,尿素对水分子的“吸引力”小。所以糖水可以轻松地从尿液中提取水分,变成干净的饮用水。

这水甜甜的咋这么好喝?是你的尿做的 (8)

这水甜甜的咋这么好喝?是你的尿做的 (9)

反向渗透法

这水甜甜的咋这么好喝?是你的尿做的 (10)

在20世纪50年代,为了解决水资源紧张的问题,美国科学家开始研究如何淡化海水。

他们发明一种高分子化合物做的薄膜,可以像猪膀胱一样,只让水分子通过,不让水中的盐和杂质通过。

这水甜甜的咋这么好喝?是你的尿做的 (11)

他们向高浓度的海水中加入压力,强行让其中的水透过薄膜,变成淡水流出来。这就是海水淡化和饮用水净化时最常用到的RO反渗透法

这水甜甜的咋这么好喝?是你的尿做的 (12)

反渗透技术的关键就是中间那层薄膜。

在通常的过滤程序中,水中的各种杂质,比如细菌、病毒、沉淀物,都无法通过滤芯。但水中可能含有的微量的重金属离子,比如砷、锌、镍、镉、铬、铜、铅等等,都有可能滤芯的缝隙钻过去。

在饮用水净化的时候,反渗透薄膜的小孔可以做的比水分子还小,水分子是在压力的作用下,强行从薄膜上的小孔挤出来的。

这水甜甜的咋这么好喝?是你的尿做的 (13)

这个时候,别说重金属离子了,就连钙、镁这种比水分子还小的轻金属离子,都没有办法通过薄膜。

这水甜甜的咋这么好喝?是你的尿做的 (14)

在生产饮用水的时候,为了将其中的杂质赶尽杀绝,有的厂商会连续使用两级反渗透过滤,这样就能保证饮用水几乎不会再含有杂质了。

这水甜甜的咋这么好喝?是你的尿做的 (15)

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漫画 | 生物分子:伦家就想拍一张高清无码大图 http://songshuhui.net/archives/98870 http://songshuhui.net/archives/98870#comments Fri, 20 Oct 2017 23:08:02 +0000 http://songshuhui.net/?p=98870 1联合标题头

2017诺奖化学奖 (1)

1封面

2017诺奖化学奖 (2)

2017诺奖化学奖 (3)

2017诺奖化学奖 (4)

亨德森让它们穿衣服

2017诺奖化学奖 (5)

注:亨德森留下蛋白质分子(视紫红质)原有的细胞膜不是为了保护它们,是为了固定它们的方向,相当于脚手架的作用。本文因情节需要做了改编。

严格地说,细胞膜不是裹在视紫红质外面的一层,而是视紫红质“插入”到了相对而言很厚的细胞膜中间,被膜固定成整齐的姿态,因此很容易成像。

2017诺奖化学奖 (6)

弗兰克让它们脱光

2017诺奖化学奖 (7)

脱掉细胞膜后,蛋白质分子会东倒西歪,无法拍出正常的无码高清大图。

2017诺奖化学奖 (8)

由于生物分子的姿势乱了,电子显微镜分析不出它们的三维结构,最后只拍出了一堆2D投影。

2017诺奖化学奖 (9)

2017诺奖化学奖 (10)

于是,弗兰克发明了一个非常厉害的数学方法,用电脑程序实现了给蛋白质分子拍3D裸照。

杜波谢发明了不结冰的水

2017诺奖化学奖 (11)

2017诺奖化学奖 (12)

2017诺奖化学奖 (13)

2017诺奖化学奖 (14)

于是,分子生物学教授亨德森、生物化学及分子生物物理学教授弗兰克和生物物理学教授杜波谢,由于发明了“测定溶液中生物分子的高分辨率结构的低温电子显微镜”,而获得了2017年诺贝尔化学奖

2017诺奖化学奖 (15)

附录一

诺贝尔化学奖为什么又叫做理综奖?看一下化学所处的位置就知道了,这真是前有追兵后有堵截啊!(原图作者Max Tegmark)

2017诺奖化学奖 附录1

附录二

玻璃化的水不是指擦玻璃的水,而是指水变成了一种固体,但是没有结冰。

  1. 在常温下,水是液态,水里的分子都是随机排列的。
    2017诺奖化学奖 附录2-1
  2. 在低温下,水会结冰,水分子会按照一定规则整齐地排列。
    2017诺奖化学奖 附录2-2
  3. 所谓玻璃水,就是利用特殊的技术给水降温,让水变成了固体,但是水分子的排列还是乱乱的。
    2017诺奖化学奖 附录2-3
  4. 我们来对比一下,左边是结了冰的肾,右边是低温玻璃化的肾。
    2017诺奖化学奖 附录2-4

厉害不厉害?

附录三

关于显微镜的笑话~PS:美编原创

2017诺奖化学奖 附录3

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本文已发表于果壳网。

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漫画 | 物理什么的我不听,我要听引力波的10个八卦! http://songshuhui.net/archives/98842 http://songshuhui.net/archives/98842#comments Tue, 17 Oct 2017 23:06:52 +0000 http://songshuhui.net/?p=98842 1联合标题头

2017诺奖物理学奖0

 

2017年诺贝尔物理学奖,
授予美国物理学家
雷纳·韦斯、巴里·巴瑞希
和吉普·索纳,
以表彰他们直接探测到了引力波。

1封面

 

OK,本次诺奖解读到此结束。
下面进入八卦时间,
咱们就来唠一唠引力波的10个八卦!

 

啥是引力波?

中学物理课之牛魔王牛顿听说过吧?就是他,提出了万有引力理论。这种理论认为,时间和空间是绝对不变的,就好比一种施工质量爆表的舞台。舞台上的物质演员不论怎么蹦跶,都不会影响舞台本身的形状。

2017诺奖物理学奖2

但是,爱因斯坦不同意了。根据广义相对论,时间和空间做成的舞台,其实是个豆腐渣工程!舞台上的物质演员,稍微动弹一下,舞台就压变形了。

2017诺奖物理学奖3

如果物质演员动作太大,整个时空舞台就会跟着一起晃。一边晃,还会向四面八方传播,让整个宇宙跟着一起晃。这就是:

2017诺奖物理学奖4

爱因斯坦曾因不信引力波而被拒稿

引力波是爱因斯坦的广义相对论的一大预言,可是你知道吗?引力波刚算出来的时候,爱因斯坦自己都不信!

1936年,爱因斯坦和助手罗森,给美国期刊《物理评论》投了一个稿子,说“引力波不存在”。因为他们觉得,引力波的数学公式在忽悠他们,引力波应该不是真的。

结果,论文被审稿人拒了。

2017诺奖物理学奖5

爱因斯坦气坏啦。因为他以前在欧洲期刊混时,从没听说过写稿还要找人审稿。于是,他对编辑说:

2017诺奖物理学奖6

结果,爱因斯坦把稿子撤回来,找了一本欧洲期刊《富兰克林研究所杂志》,打算发表。眼看稿子开始校对,就要发表了,一位美国物理学家忽然让爱因斯坦想通了。

爱因斯坦连忙在文加了一句“感谢我的同事罗伯特逊教授在澄清原文中的错误时给予的亲切帮助”。这才避免犯下大错!

2017诺奖物理学奖7

引力波是真实存在的吗?

 

想当年,物理学家都觉得引力波是真实存在的,但不知道怎么说才说的有理。

1957年,著名风流物理学家费曼提出了一个例子。

假如有一根粗糙的棍子,棍子上有一滴水珠。当引力波经过这个棍子时,由于时空乱震,水珠也会跟着震,进而跟棍子产生摩擦。摩擦生热。但这热量是从哪儿来的呢?只能是从引力波来。所以,费曼证明,引力波带有能量,是真实存在的。

2017诺奖物理学奖8

引力波的能量从哪儿来?

爱因斯坦有个公式,叫做E=mc^2。说的是物质的质量可以转化成能量,反之亦然。

科学家探测到的引力波的能量,通常就是从天体的质量转化来的。比如,在LIGO的探测实验中,一个黑洞,质量是太阳的29倍,还有一个黑洞,质量是太阳的36倍太阳,俩黑洞转着转着突然合体了!成了一个质量为62倍太阳的黑洞。

2017诺奖物理学奖9

29+36-62=3,也就是说,在这次合体中,相当于3倍太阳质量的物质转化成了能量,以引力波的形式震出来了。

引力波长什么样?

这种扭来扭曲的东东就是引力波。

2017诺奖物理学奖10

2017诺奖物理学奖11

2017诺奖物理学奖12

这种不断蠕动的东西是什么鬼?这才是引力波!引力波就是这幅模样!

2017诺奖物理学奖13

垂直传播轴,切开引力波空间的剖面,你就明白啦。引力波就是把一堆小点点挤扁、拉长、再挤扁、再拉长的波。这些小点点代表的是空间形状,所以说,引力波的效果之一是让空间扭曲。

2017诺奖物理学奖14

比方说,如果一股来自宇宙的引力波经过地球,LIGO实验4千米长的实验臂,就会由于空间的弯曲,一会儿变长一会儿变短。变化的幅度特别小,只有质子直径的万分之一。

2017诺奖物理学奖15

如果把LIGO的实验臂变成几光年长,比如4.2光年长,也就是地球到比邻星的距离,那么引力波引起的长度变化,也只有一根头发丝那么细。

引力波会被吸收吗?

引力波的能量非常难被吸收。换句话说,引力波的穿透性非常好。

如果把4000个宇宙首尾相连,在其中堆满番茄酱(因为宇宙空间大部分是真空),当一个引力波穿过之后,也不过才损失了1%的能量。顺便提一下,这个过程需要花上400万亿年。

2017诺奖物理学奖16

所以,我觉得完全不用买淘宝上的防引力波辐射服。

《三体》中设想的引力波天线可以实现吗?

物理学家李淼曾经设想,有一种密度极高的细丝,叫做宇宙弦,可以做成《三体》中那种引力波天线。

宇宙弦像头发丝一样细,每厘米的重量是10万吨。你拨动它一下,它每秒辐射的能量相当于1万颗美军投下的原子弹的能量。

2017诺奖物理学奖17

以前有没有人探测到引力波?

上世纪50、60年代,美国物理学家韦伯曾经造了一根直径1米、长度2米、质量1吨的圆柱形铝棒,叫做韦伯棒,用来探测引力波。

2017诺奖物理学奖18

1969年,韦伯宣称,他放置在两个不同地方的韦伯棒,同时测到了引力波信号。其他科学家赶紧跟风测引力波,但是他们都没有测出来。于是,很多人开始怀疑韦伯是骗子。

后来还有没有人探测引力波?

从1984年起,基普·索恩、已故的罗纳德·德雷福和雷纳·韦斯开始打算建一个引力波探测器,也就是今天的主角LIGO探测器。

2015年,LIGO正准备开始探测引力波。结果在9月14日时,他们就成功探测到了引力波。

2017诺奖物理学奖19

就在2017年9月底,意大利引力波探测器Virgo宣称,他们和LIGO一起,探测到了第三个引力波事件。

Virgo在星座达人眼中的意思是:处女座

(以下为脑补:还记得“中微子超光速”事件吗?那次是粗心大意的意呆利人把电缆弄松了,所以,中微子根本没有超光速。这次他们吸取教训,用处女座三个字鞭策本国科学家,这才有了引力波实验的重要突破。

引力波拿过诺贝尔奖吗?

 

拿过!!!

1993年,美国物理学家约瑟夫·泰勒和拉塞尔·赫尔斯,因为间接发现了引力波,而获得了诺贝尔奖。他们是怎么间接发现的呢?

2017诺奖物理学奖20

2017诺奖物理学奖21

所以,约瑟夫·泰勒和拉塞尔·赫尔斯就是这样,间接地发现了引力波。

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漫画 | 解读2017诺贝尔生理学奖,如何制造一台生物钟? http://songshuhui.net/archives/98831 http://songshuhui.net/archives/98831#comments Sun, 15 Oct 2017 23:54:59 +0000 http://songshuhui.net/?p=98831 1联合标题头

封面

2017诺奖生理学奖1

2017诺奖生理学奖2

2017诺奖生理学奖3

2017诺奖生理学奖4

2017诺奖生理学奖5

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