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2017年,十大科学发现
2017-12-14 2:19:00           作者: 原理

2017年9月15日,土星探测器卡西尼号朝地球发出了最后一个信号,以高速冲向土星大气层,终结了自己的生命。

从启程、旅途、抵达到终章,在近20年的时间内,卡西尼号航行的距离超过49亿公里,执行了超过250条的指令,产生了635GB的科学数据,以及拍摄了453048张图片。毫无疑问,卡西尼号为我们探索太阳系,揭开土星的层层谜题做出了无与伦比的成就。

2017年,十大科学发现

NASA

正如所有的科学故事一样,每一个伟大的谢幕都意味着新的开始。今年,我们在科学上的不懈努力,取得了许多突破性的成就。但没有人因此而懈怠,因为每一次的成功都意味着有更多的谜题等待着我们去探索、发现、揭开。

在2017年即将迎来它的谢幕之前,我们一起来回顾一下今年科学中有哪些令人激动人心的时刻:

1. 幽灵般的粒子

2017年,十大科学发现

JEAN LACHAT/UNIVERSITY OF CHICAGO

作为基本粒子之一的中微子,有一个臭名昭著的特征:它们像幽灵一般,几乎不与物质发生反应!科学家为了捕捉它们的踪迹通常需要建造包含几万或数十万吨的探测材料的巨大探测器,才能增加中微子和物质间的反应几率。然而,今年八月,美国橡树岭国家实验室设计了一种可以随手携带,并且只有14.6公斤的小型中微子探测器,第一次捕捉到了43年前就被预测的一个反应:低能量的中微子与原子核内所有的核子发生散射。这个过程被称为“相干弹性中微子-原子核散射”。此次的发现不仅验证了物理学家Daniel Freedman在1974年的预言,也为便携式探测器开辟了道路。

2. 当“粒子物理学”遇上“考古学”

2017年,十大科学发现

SCANPYRAMIDS

在探测中微子的道路上,科学家为了隔绝来自外太空的宇宙射线的干扰费尽心思。尽管宇宙射线在某些场合不受欢迎,但当科学家利用这些高能粒子来探索古埃及金字塔的时候,却有了令人意外的收获:科学家发现了胡夫金字塔内一直隐藏着一个巨大的中空结构!虽然我们还无法得知该结构的具体细节,但此次的发现本身就令人充满敬畏。试想一下,如果你是一名考古学家,走进这间4000多年都没有人踏足的神秘空间,定会感到不可思议吧!更重要的是,此次发现所采用的μ子成像技术在未来或许能够更好的被利用在全球各地的考古遗迹,特别是那些隐藏在深山老林或传统方式难以企及的遗迹。

3. 雷电中的核聚变

2017年,十大科学发现

LEONID BABICH/NATURE

我们自以为对闪电已经足够的熟悉,但事实证明,我们仍有一些需要了解的事。日本京都大学的Teruaki Enoto和他的同事首次提供了强有力的证据表明,闪电可以导致大气中的放射性同位素的合成。Enoto和他的同事发现,雷暴能产生高能伽马射线,将中子从氮-14的原子核中击出,产生不稳定的氮-13同位素。同位素会衰变成一个中微子、一个正电子和一个稳定的碳-13原子核。最后,正电子与一个大气分子的电子湮灭,产生一对伽马射线,每一个射线都有一个特征能量(即0.511兆电子伏特)。此次的研究结果展示的是一种之前未知的地球大气中的同位素来源,包括碳-13、碳-14和氮-15,未来的研究还可能揭示更多,如氢、氦和铍的同位素。

4. 量子竞赛

2017年,十大科学发现

NANALYZE

量子计算机要在真正意义上影响我们的生活还有很长的路要走。但2017年却是量子计算里程碑的一年,世界各大实验室(比如谷歌、IBM等)不断地刷新这一领域的记录,竞相在研发第一台能够实现“量子霸权”的量子计算机。值得一提的是,我国也在这一领域也不落于人后:潘建伟团队制造出了第一台超越最早期经典计算机的基于单光子的量子模拟机。而在量子通讯方面,科学家在不用传输任何粒子的情况下,实现了信息传递这一反事实量子通讯。令人欣喜的是,“墨子号”量子卫星成为了2017年的超新星,分别在量子纠缠分发量子密匙分发量子隐形传态领域做出了傲人成就。

5. 时间晶体

2017年,十大科学发现

PETER CROWTHER

2012年,诺贝尔物理学得主Frank Wilczek有了一个疯狂的想法:时间晶体!我们知道,物质在静止状态时保持不动,并且只有势能。而时间晶体最神奇的地方在于,当它处于“静止状态”或“基态”(也就是原子处于最低的能量状态)的时候也是在运动的。这怎么可能呢?其实,这其中的魔法就在于自然的一个基本对称性需要被打破,那就是时间对称性。一般晶体在时间这个维度上是连续分布的,也就是说在任何时刻观测它们都会看到同样的晶体,而时间晶体在不同的时间却有着不同的基态。许多物理学家都认为打破时间对称性是不可能的。然而,2016年8月,Norman Yao在arXiv上发表了一篇有关如何证明时间晶体存在的文章。很快,来自马里兰大学和哈佛大学的两个团队依照Norman Yao所描绘的基本蓝图试图制造时间晶体。结果是令人惊喜的,两个团队用不同的方法得到了相似的结果,从而印证了时间晶体是广泛存在的一种新的物质状态。发现时间晶体就像是发现新大陆,我们期待能够在它身上发掘更多关于自然界的秘密。当然,科学家认为时间晶体的一个更实际应用是量子计算机,它可以被用作量子储存器。

6. 原子尺度下的生命

2017年,十大科学发现

VERONICA FALCONIERI, SRIRAM SUBRAMANIAM

2017年可谓是冷冻电镜的一年。三名欧洲科学家因发展冷冻电镜技术而分享了诺贝尔化学奖。他们的努力不仅提高了生物分子的成像质量,并且提供了有关三维显微成像更加直观简化的有效方式,将生物化学引入新纪元。在新型计算机软件的加强辅助下,今年,它为许多与生命相关的关键分子提供了新的洞见,并迅速重塑结构生物学领域。就在获得诺奖的不久后,崔屹带领的团队在十月末的《科学》杂志上发表的他们的最新研究成果:利用冷冻电镜技术揭示了敏感性的电池材料和界面的原子结构,从而开启了冷冻电镜材料学研究的新篇章

7. 基因治疗的曙光

2017年,十大科学发现

MIKE SHANAHAN

1型脊髓性肌肉萎缩(SMA1)是一种进行性的单基因运动神经元疾病,被诊断为患有SMA1的婴儿一般会在2岁左右死亡。在一个小型的临床试验中,美国森特维尔弗吉尼亚州一名患有SMA1的小女孩,接受了一种基因疗法,取得了巨大的初步成效。基因疗法是一种注入到静脉中的一次性疗法,在以往的治疗实践中效果并不总是理想。而这次的试验展示了一种新载体在运送基因穿过脑血管屏障的能力。此次的成功使一度陷入困境的基因治疗研究再次成为焦点。

8. 最古老的智人化石

2017年,十大科学发现

PHILIPP GUNZ, MPI EVA LEIPZIG

在过去的20年内,科学家一直认为人类起源于大约20万年前的东非大裂谷附近。直到今年,古人类学家又有了令人惊喜的新发现,刷新了对早期人类研究的记录。科学家在摩洛哥发现了智人的头骨化石,将智人的历史再往前推进了约10万年之久。因此现在我们所知道的是,早在30万年前,智人就已经存在了。在此之前,就有一队科学家曾在摩洛哥的一个山洞里找到了4万多年前的化石,这使得其他团队的研究人员决定回到那里去做进一步的挖掘。他们在一个采石场附近的山洞里发现了五个化石标本,与此同时还发现了动物的骨头和一些工具,他们使用了一种新的技术来精确地测量化石的年龄。这次的发现说明了人类的起源地并非仅限于东非一带,而是遍及了整个非洲大陆。

9. 人造子宫内的奇迹

2017年,十大科学发现

The Children's Hospital of Philadelphia

这不是黑客帝国里的桥段,而是一项在费城儿童医院实现的科学突破。现在,我们可以通过一个充满液体的塑料袋,来维持极度早产羊羔的生存。袋子里装满了人造羊水,以此创造一个与子宫内状况相似的环境。在这之前,也有其他团队进行过类似研究,但是这一次是由羔羊自己的心脏为子宫提供动力。每只在这些充满了液体的袋子里能存活下来的羔羊,都是基于一个能将血液通过脐带泵入一个特殊的充氧装置的系统。研究中,科学家使用的是约105-115天的早产羊胎,相当于约23周的人类早产婴儿。未来,我们希望这项技术能够用于庇护那些提前来到人世间的早产儿。

10. 天文界的狂欢

2017年,十大科学发现

ESO/L. CALÇADA/M. KORNMESSER

在发现引力波的短短两年之内,几度成为了焦点,而且一次又一次的推向高潮。就在摘得今年诺贝尔物理学奖的不久后,LIGO和VIRGO,以及全球多家知名天文台同时召开了发布会,这次,天文学家看到了宇宙中最激烈的事件之一——两颗中子星的并合。它们的并合搅乱着时空,辐射出的引力波经历了1.3亿光年的旅程到达了地球。不仅如此,天文学家同时还探测到了中子星并合产生的短伽玛射线暴,确认了千新星事件,发现了重元素形成之谜,测量了宇宙的膨胀率,以及引力波的传播速度。自此,我们正式迎来了多信使时代。这是一个多么令人兴奋的开始。此次的发现也被《物理世界》评选为2017年年度突破。

除了以上提到的十大突破,科学家也在许多其它研究领域有了新的发现或突破,比如在南极的荒芜地区采集到了迄今最古老(270万年)的冰芯;在印度尼西亚的苏门答腊岛上发现了一种新的类人猿;在缅甸找到了琥珀中的恐龙标本;人工智能成为扑克大师AlphaZero横扫围棋、国际象棋和日本将棋界;基因编辑技术CRISPR取得了重要进展;天文学家找到了更多可能存在生命的星球;首次发现来自太阳系外的雪茄状小行星;皮埃尔·奥格天文台确认了极高能宇宙射线来自银河系之外;一颗“不死”的超新星挑战现有理论;天文学家发现了最遥远的超大质量黑洞,加深了类星体的形成之谜;物理学家制造出一种新型激光——拓扑激光;中国“悟空”暗物质探测卫星获得了迄今最精确的高能电子宇宙线能谱等。

科学家在进行学术研究时抱有不同的出发点,有的为了满足纯粹的好奇心,有的为了寻访自然界之美,有的为了让自己的发现能在未来造福人类,有的为了填补知识宇宙中的空白……无论是何种心境,相同的是他们都在为追寻科学的真理而默默付出。

感谢他们的付出,才有了如此精彩的2017。

责任编辑: 蔚 蓝 文章来源:
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