2016 前沿探索刷新認知高度

1 探到引力波 登上精細測量的高峰

年初一則消息，從宇宙深處傳來，震動了世界。這個信號只有一秒鐘，卻證明了愛因斯坦的預見：引力是一種波，是有漣漪的。

此次美國第一次直接探測到引力波的存在，是物理學界的里程碑。人類利用激光干涉引力波天文台（LIGO），首次探測到宇宙引力波引起的地球物體形變。

LIGO的核心，是十字型交叉的兩條幾公里長的尺子，引力波會讓這兩把尺子變形，但幅度不同，極其微小的形變會產生干涉條紋，被人們捕捉到。

科學家經過大量複雜的計算和分析後得出結論，在距地球13億光年處存在兩個黑洞，其中一個黑洞的質量相當於29個太陽質量，另一個黑洞質量相當於36個太陽質量。這兩個黑洞不斷旋轉靠近，最終相撞，合并成一個相當於62個太陽質量的黑洞，而相當於3個太陽的質量轉化為引力波，向四周輻射，於去年9月掃過太陽系，為人類首次提供了直接的引力波存在證據。

2 誰是太陽系「老九」 眾說紛紜的第九大神秘行星

今年，美國科學家發現一個巨大的天體正沿著奇怪的、高度拉長的太陽系外圍軌道溜達。儘管尚未直接觀測到這顆天體，但通過計算，確認它是名副其實的第九大行星，其質量約為地球10倍，公轉一圈要一萬多年。當然也有人質疑「行星X」。不論如何，這是多年來人們對太陽系認識的一次巨大刷新。

近年來，科學家在海王星外側發現越來越多的冰冷岩石星體，例如：2005年美國加州理工學院發現「厄里斯」，由於它個頭大，直接把冥王星從行星的中央委員會裡給擠出去了。而此次發現「第九行星」，也是源於在柯伊伯帶天體觀測中發現4個最長周期的天體軌道，這種奇特軌道現象暗示了一隻幕後黑手的存在。

有人認為這顆神秘星體跟海王星差不多，直徑大約為地球的4倍；也有人猜測它與火星相當，直徑約為地球的一半，但運行軌道是極高偏心率的橢圓軌道，從而大大牽動了柯伊伯帶。

還有科學家猜測，這個不露面的傢伙可能是被某個外星系拋了出來，成了流浪行星，被太陽「招降納叛」了。但也有說法恰好相反：它原來是誕生於太陽跟前的「內臣」，只是後來與其他大行星的推拉一番，「宮廷鬥爭」後，被放逐到了黑暗的邊緣地帶。

3 火星上埋藏著巨大冰層 不光有水，還夠你喝一壺的

去年，美國人在火星上一個山坡上發現了滷水流過的痕迹，證實了火星上曾經有液態水，現在則冰凍著。而今年11月，NASA再度公布重磅消息：火星上一塊地區，含有與地球上最大淡水湖蘇必利爾湖一樣多的水，該含水的冰沉積層面積比美國新墨西哥州的面積還大。

位於火星北半球的烏托邦平原，地下儲藏了大量的冰。研究人員們使用火星勘測軌道飛行器上的淺地層探地雷達，分析了600多次飛越期間探地雷達取得的數據，研究發現此處沉積物厚度在80米到170米，混合著灰塵或較大的岩石顆粒，其中50%至85%是冰。今天的火星表面，大氣稀薄且乾燥，冰會很快會升華成水蒸氣。但烏托邦區域的沉積物覆蓋了幾米厚的土壤，隔絕了火星大氣，冰就避免了幹掉。

烏托邦平原是火星上最大的平原，直徑約3300公里。儘管這裡的冰不到目前火星已知水資源的百分之一，但是它的地下冰超過任何一個地區。並且埋藏淺，最可能供應給未來登陸火星的宇航員們。

科學家們現在認為，古代火星表面是有海洋的，還覆蓋了火星20%的表面。水量比地球的北冰洋還多。40億年前的火星，也是有藍天白雲的。但現在80%多的水已經蒸發到宇宙了。或許在某個深處還存留了液態水，也許還有倖存的微生物。

4 發現最近類地行星 「攝星」計劃瞄上「比鄰星b」

歐洲南方天文台今年發現，比鄰星周圍有一顆類地行星。比鄰星是距離太陽系最近的恆星，僅4光年多一點。

新發現的行星被命名為比鄰星b（Proxima b），質量約為地球的1.3倍，是小型岩石行星，位於宜居帶，表面溫度理論上允許液態水存在。歐洲科學家們認為，它甚至有可能是一顆「海洋星球」，整個星球被水（或者甲烷，或其他液體）覆蓋。比鄰星b的結構可能類似於水星，三分之二由金屬核構成。當然如果是不那麼重的結構，它的液體將會散發殆盡。

比鄰星b距離恆星的距離只有太陽與水星距離的十分之一。但它不會太熱，因為比鄰星是顆紅矮星，亮度不到太陽千分之一。

就在消息公布的第二天，霍金背書的「突破攝星」計劃宣布將自己的目標對準比鄰星b，該團隊希望能在20多年後發射飛行器，再飛20年後抵達比鄰星b。也就是說2060年就能拍攝到這顆類地星球。

2016年4月，霍金聯合互聯網投資人尤里·米爾納宣布啟動攝星計劃。這些微小的飛行器將展開光帆，地球上的激光器對準它們發射，逐漸使它們加速。它們速度最高能達到光速的五分之一。但消息一出，大多數評論者都認為不可能，甚至認為超出了物理定律限制。有人讚賞它想法的大膽，但認為無論是光加速還是傳回照片，都是工程上難以實現的。

5 「三父母」嬰兒出生 編輯人類胚胎爭議仍將繼續

在人體科學領域，撲面而來的震撼性的消息，是首例紡錘體核移植技術「三父母」嬰兒的出生。9月底，一個美國醫生團隊利用紡錘體核移植技術，將捐獻者的線粒體取代攜帶雷氏綜合征變異基因的母親卵細胞線粒體，在墨西哥成功幫助一對約旦夫婦生出健康的男嬰。這是首例利用紡錘體核移植技術誕下的擁有三個父母遺傳信息的嬰兒。

所有人的基因都來自父母雙方，這個娃娃的基因卻是一個爸爸與兩個媽媽的結合。截至目前，孩子相當健康，無異於其他嬰兒。

孩子的母親由於攜帶萊氏症候群基因，經過四次流產，生下兩名小孩都不幸夭折。萊氏症患者幾乎不可能擁有自己的孩子。在病人的申請下，科學家實驗了極具爭議的「紡錘核移植」技術，因在美國不合法，所以手術都在墨西哥進行。

紡錘核移植，意思是將母親卵子中的細胞核移植到捐贈者已移除細胞核的卵子。新卵子有母親的細胞核，也有捐贈者的粒線體DNA。此次計劃孕育了五顆胚胎，將最正常發展的一顆放進母體成長。小孩目前並沒有出現萊氏症候群的病徵，細胞中的變異幾率也低於1/100，基本宣告擺脫了萊氏症候群。

另外，英國人類受精和胚胎管理局宣稱，經過20年的研究，「線粒體置換療法」已經做好進行臨床試驗的準備。12月15日，英國做出一個謹慎的決定——允許「三父母」嬰兒出生，成為史上第一個明確允許開展「線粒體置換療法」的國家。線粒體疾病指那些由線粒體功能異常所導致的疾病，主要影響大腦、心臟和肌肉。不少致命的遺傳性疾病都與此相關，且無法治療。

值得注意的還有，英國今年首次批准了在人類胚胎上使用基因編輯技術。研究人員將由此改善體外人工授精培養的胚胎的發育質量，為不孕患者提供更好的治療方法。一面是突飛猛進的解除病痛的醫療技術，一面是宗教、倫理和習俗的約束，爭議仍將繼續。

6 量子衛星上天中國「搶先一步」震驚世界

8月，世界首顆量子科學實驗衛星「墨子號」發射，讓世界目光聚焦中國。「墨子號」是中國科學院首批科學實驗衛星之一，主要科學目標是星地高速量子密鑰分發實驗。此前歐洲科學家曾為此項目奔走多年，但中國搶先一步，成為未來可能的全球量子通信網路的最有力建構者。

墨子號在距離地面500公里高的太陽同步軌道，大約90分鐘繞地球一圈。衛星設計壽命為兩年。它將在太空中分發糾纏光子，也就是向地面站射出一個個光子，地面站要準確測量光子的偏振態。這就好比從空中丟下一枚枚高速旋轉的硬幣，硬幣要正好通過存錢罐的扁口。出現一點偏差，信息的傳遞便會落空。

量子通信的安全性基於量子物理的基本原理：單光子不可分割、量子態不可複製，保證信息不可破解，保證沒有不被發現的竊聽者。它從原理上確保身份認證、傳輸加密以及數字簽名等的無條件安全，根本上解決信息安全問題。利用安全的網路，可以傳遞金融和軍事的絕密信息。

量子衛星發射後，有外國媒體稱，中國在自然科學研究領域已經趕上甚至超越西方；在獲得國家支持方面，量子通信領域的中國科學家更加幸運。首席科學家潘建偉說，期望未來會發射多顆衛星，形成北斗一樣的網路，建立第一個全球通信安全網路。

今年的量子科學領域大事不少，比如奧地利物理學家用4個「量子比特」的量子計算機第一次模擬了完整的高能物理實驗。他們在真空中的電磁場排列4個離子為一行，每個離子蘊含1個量子比特，然後證實了量子電動力學的一個簡化版預測：能量轉化成物質，誕生一個電子和一個正電子。儘管這是一台原始的量子計算機，但大有升級的空間。

科學家今年還製造出狀態更加奇異的「薛定諤貓」，同時存在於兩個箱子之中，或者說是一隻「薛定諤貓」跨越兩個箱子，為研製實用可靠的量子計算機提供了啟示。

7 500米口徑球面射電望遠鏡 望向宇宙的最大「天眼」

中國西南的深山裡，一口白色巨鍋成了今年世界科學界的明星。500米口徑球面射電望遠鏡FAST今年9月在貴州建成投用，成為目前人類望向宇宙的最大眼睛。

FAST建成後，能看到137億光年外的宇宙邊緣，將研究宇宙的起源、演化和未來。其中包括很多天文現象，比如脈衝星。目前人類發現的脈衝星約有2500顆。FAST的應用目標之一是增補脈衝星的數量。

在FAST之前，美國科學家設在波多黎各的阿西雷波望遠鏡是最大的眼睛，它也成為一些諜戰電影的壯觀背景。但FAST比它更壯觀，圍著FAST走一圈至少得用半小時。FAST500米的大鍋可以聚焦微弱的宇宙無線電信號，聚焦如此精準，即使你在月球背面打手機，FAST也可以聽得清清楚楚。人們可以用它聽到宇宙邊緣放射的電波，還能夠監聽外星人發來的信號——如果有的話。

儘管多天線陣列也是一種重要觀測手段，但觀測脈衝星這樣的點源，或者搜尋地外文明的多頻率電波，單天線更有優勢。由於這口大鍋不能有形變，所以為了克服自重，應該找一個完美的球形去承載它。中國科學家在貴州喀斯特高原上找到了一個極好的溶坑。

今年9月中旬以來，FAST已經開始試驗性觀測。9月17，FAST望遠鏡成功接受到了來自一顆1351光年外的脈衝星的高質量電磁波。但讓這樣大的望遠鏡全天候高效率運轉，難度同樣不小，FAST還面臨挑戰。

8 全新人類腦圖譜 大腦最細緻的肖像畫

一個包括中國和美國科學家在內的國際團隊經過多年努力，今年6月宣布他們繪製出了一張全新的人類腦圖譜，包括246個精細腦區亞區，以及腦區亞區間的多模態連接模式。傳統的布羅德曼圖譜，是百年前德國人在單個人屍體組織標本上利用細胞構築繪製的。此次科學家突破傳統腦圖譜繪製的瓶頸，提出 「利用腦結構和功能連接信息」繪製腦網路組圖譜的思想，引入了腦結構和功能連接信息對腦區進行精細劃分和腦圖譜繪製的全新思想和方法，並從2010年開始研究。

這份迄今最全面的人類大腦圖譜，包括從未描述過的97個人類大腦皮層區域。科學家在在收集了200多個健康人類的大腦樣本後，藉助磁共振掃描儀不斷計量大腦褶皺的厚度和褶皺數量，不同區域執行不同的活動時的反應，依靠機器學習演算法，繪製出新的全腦圖譜。

無獨有偶，9月份，美國一個團隊也發布了另外版本的人類大腦圖譜，來自對一位因事故離世的34歲健康女性大腦的深入研究。科學家用磁共振成像和彌散加權成像兩種技術全方位掃描大腦，獲得了整個腦結構和神經纖維連接處的圖像。他們還將該大腦解剖成2716個超薄切片，先將一部分切片染色，獲得總體細胞結構，再用另兩種染色技術選擇性標記出大腦特定區域，包括構成細胞的成分、白質內的神經纖維和特定類型的神經元。還有862種腦部結構首次被發現，包括新的丘腦亞層區和杏仁核亞層區，還有兩個結構此前被認為在其它靈長類動物中才有。此次人腦圖譜被認為，將宏觀高清圖像和解釋大腦結構的細胞層面的數據結合起來，就像谷歌地圖一樣。

有了這些新大腦圖譜，今後研究腦與人類行為的關係就容易了，還方便設計類腦人工智慧。此外，今後做手術也好操作，比如腦中風損傷和癲癇病灶的定位，腦膠質瘤的精確切除等手術都會受益。

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