2018十大國際科技新聞
科技日報記者 張夢然 劉霞
科技創新發現
改變著地球生活
並改變著我們對現實的看法
科技日報評出的2018十大國際科技新聞
再次向我們證明了人類思維能力的深刻
以及創造能力的無窮
石墨烯扭轉「角度」可變超導體
精確定位「幽靈粒子」起源
首次造訪小行星並發現水……
如果你還沒有了解這些最新的科學進展
現在是時候了
這些成果為新一代的科學家們提供靈感
帶領他們繼續突破人類能力的界限
01、49量子位超導測試晶元交付
又一家科技企業接近實現「量子霸權」目標。
英特爾公司今年宣布，已成功設計、製造並交付49量子位超導測試晶元「Tangle Lake」，這一名字源於阿拉斯加湖泊，意指這些量子位需在極冷溫度等條件工作，其將使研究人員能評估和改進糾錯技術，並模擬一些計算問題。
來源：英特爾官網
計算界「新秀」——量子計算潛力巨大，當前最好的超級計算機需數月或數年才能解決的問題，比如藥物開發、金融建模、氣候預報等，未來的量子計算機有望在較短時間內解決。
「量子霸權」被認為是量子技術發展史上的一個奇點。「量子霸權」指量子計算機的計算能力超過傳統計算機，實現對於傳統計算機的「霸權」。有觀點認為，超過50（左右）量子位後，量子計算機的能力將一騎絕塵，令傳統計算機望洋興嘆。目前，「量子霸權」已引英特爾、IBM和谷歌等巨頭競折腰。IBM去年底宣布成功研製出一款50量子位處理器原型；谷歌也計劃很快推出49量子位產品。
理想很美好，現實卻很骨感，目前量子計算仍處於初期階段，「欲擬飛騰未有因」。業內人士估計，量子計算離解決工程規模問題或許還有５到７年；而要想擁有商業實用價值，可能需要100萬甚至更多量子位。
「實現霸權」的量子計算機將掀起怎樣的「腥風血雨」？且拭目以待。
02、彎曲空間內首次實現激光束加速
這是曲面加速光束的第一次演示，操作卻很簡單，通過向白熾燈泡殼內發射激光得以實現。
美國和以色列物理學家團隊今年實現了光束軌跡偏移。此前，科學家已經證實光束可以在平坦表面上被加速，加速度使其沿著彎曲而不是直線的軌跡行進。新研究發現，被加速的光束也並非沿著測地線（又稱大地線或短程線，可定義為空間中兩點的局域最短或最長路徑）移動，而是發生了偏移。
在平面加速光束的軌跡，完全由光束寬度決定，而新研究表明，曲面加速光束的軌跡，由光束寬度和表面曲率共同決定。
這個看似「莫名奇妙」的實驗，其實是突破性的，它擁有各種各樣的潛在應用，其中之一就是模擬廣義相對論現象，以進一步研究諸如引力透鏡效應、愛因斯坦環、引力藍移或紅移等現象。此外，它還能提供了一種新技術，用於控制血管、微通道和其他彎曲環境中的納米顆粒。
這僅僅是個開始，這個聯合團隊現在已經開始研究光線在極薄的彎曲膜中傳播的可能性。
03、石墨烯扭轉「角度」可變超導體
根據1957年的超導電性理論，某些材料能夠以零電阻導電。然而，許多材料表現出所謂的非常規超導電性，無法用該理論解釋。
今年，美國麻省理工學院科學家發現，當兩層石墨烯以1.1度的「魔角」扭曲在一起時，可模擬被稱為銅酸鹽的銅基材料的超導行為。也就是說，研究團隊在兩層石墨烯中發現了新的電子態，其可以簡單實現絕緣體到超導體的轉變。
這種「神奇角度」的石墨烯除了會形成超導態，還會形成另一種電子態。在同時發表的第二篇論文中，團隊展示了纏扭的雙層石墨烯系統會出現一種新的絕緣態——莫特絕緣體態。
來源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock
兩個系統可以通過改變扭轉角度和電場來輕易調整。這意味著，該成果將提供一個全新的二維平台，以供科學家們理解曾長期困擾物理學界的高溫超導電性的起源問題，並打開了一扇研究非常規超導體的大門，同時也為全新電學性能的開拓和工程化鋪平道路。
這一發現轟動業界，被稱為石墨烯超導的重大進展。更令人驚訝的是，在傳說中斃稿率高達90%的《自然》雜誌連發兩篇論文的第一作者，當時年僅21歲，他就是年輕的中國物理學家曹原。
04、「基因剪刀」首次讓皮膚細胞變身幹細胞
2006年，格萊斯頓研究所的山中伸彌，用4種被稱為轉錄因子的關鍵蛋白處理普通的皮膚細胞，製造出了誘導多能幹細胞，標誌著未成熟的細胞能夠發展成所有類型的細胞。在上述研究基礎上，格萊斯頓團隊不使用轉錄因子，而是通過向細胞添加化學品混合物，製造出了誘導多能幹細胞。
而在2018年的研究中，格萊斯頓團隊提供了製造誘導多能幹細胞的第三種方法——使用CRISPR基因調控技術，直接操縱細胞的基因組，將老鼠的皮膚細胞變成了誘導多能幹細胞。新方法不僅有助於科學家更方便地獲得重要的細胞，也能進一步了解細胞的重編程過程。
其實，誘導多能幹細胞就像胚胎幹細胞一樣具備分化成多種細胞的潛力，可用於修復受損的組織和器官。而「基因剪刀」則能精確查找一串代碼在基因組中的位置，進行刪除或修改。
現在的新方法與之前的截然不同，可幫助人類更簡單快捷地製造出誘導多能幹細胞，未來也能將皮膚細胞直接重編程為心臟細胞或腦細胞等，它為治療多種疾病提供了巨大助力。
05、科學家首次精確定位「幽靈粒子」起源
2017年9月，來自太空的一個高能中微子橫穿南極洲「冰立方」中微子天文台，一石激起千層浪，科學家爭相為其追本溯源。今年7月，數十個科研團隊在《自然》、《科學》雜誌撰文稱，這個「落入凡間的精靈」可能源自一個距地球約37.8億光年的耀變體（Blazar）。耀變體是由星系中央的巨大黑洞吸積大量物質而產生的劇烈天文現象。
「冰立方」找到耀變體發射超高能中微子證據
科學家稱，產生中微子的耀變體可幫助解決天文學的一個百年謎團：不時拜訪地球的宇宙射線從何而來？
宇宙射線是由宇宙中的「爆發事件」拋射出的帶電粒子（主要是質子），是自然界中能量最高的粒子。100多年來，科學家一直希望為其找到源頭，但通過對其行進路徑進行反向追蹤不可能做到，因為在抵達地球前，其飛行路徑已被地球磁場嚴重扭轉，所謂「山無數，亂紅如雨。不記來時路。」
但無論宇宙射線起源何處，有「幽靈粒子」之稱的高能中微子都很可能與其「相依相伴」。中微子幾乎沒有質量，並可以保持穩定不變，這使其成為研究宇宙射線的極佳「信使」，「中微子給科學家指出了一條穿越迷霧的路」。不過，關鍵是要在它們抵達地球時捕捉到它們。
主要科學目標是藉助中微子尋找高能宇宙射線起源的「冰立方」天文台此次立下大功。如果結果正確，那麼，這個耀變體可能是宇宙射線首個「驗明正身」的來源。
06、火星極地冰蓋下存在液態水體
「沒有水，就沒有生命。」至少在目前，當人們尋找地外生命時，這仍是圭臬。
2015年，火星勘測軌道飛行器告訴我們，紅色星球的溝壑，很可能是高濃度鹹水流經所產生的，這是火星存在流動液態水「迄今最強有力證據」。但還不是實證。
直到今年，義大利科學家報告在火星上首度發現了一個地下鹽水湖，這座湖位於火星南極冰蓋之下，直徑約20千米。研究人員稱，這是火星首次發現持久水體存在的痕迹，解決了關於火星上是否存在液態水的曠日持久的爭論。
這處水體的發現，不僅僅是增加了人們對火星上存在生命的期待。
從長遠角度來看，火星雖然溫度不太好、大氣不太足，但也不會像一些奇葩的星球那樣完全不可改造，且火星與我們距離適當，表面積也與地球的陸地面積相當，當人類考慮到移民外星球，火星經常是第一選擇。現在，液態水的發現使這種情況變得更加可能。
從近處來說，這對科學家利用冰蓋解讀火星氣候變化歷史十分關鍵，是未來數年天體生物學研究的科學目標，同時，它也將是本世紀人類登陸火星前，基地建設的最重要資源。
07、反氫內基準能量躍遷首次實現
物理學中最大的謎團之一就是：反物質去哪兒了？
物理定律表明，宇宙大爆炸產生的巨大能量應該創造了等量物質和反物質。等量物質和反物質相遇，就會「同歸於盡」，但大爆炸之後到現在，宇宙仍充滿由物質組成的各種天體。既然物質還在，那反物質去哪兒了？
氫原子最簡單，所以反物質研究由反氫原子開始。
100多年前，科學家首次在氫原子內觀察到其最基本、最重要的躍遷——萊曼-α（Lyman-alpha）躍遷，即當氫原子的一個電子從低軌道轉移到高軌道時，會發出一系列紫外線輻射。
鈦藍寶石激光系統。來源：University of British Columbia
8月22日，加拿大和歐洲核子研究中心（CERN）的物理學家在《自然》雜誌撰文稱，他們首次在反氫原子內實現並觀察到了萊曼-α躍遷，向冷卻和操縱反氫原子邁近了一步，有望開闢反物質科學的新時代。
操控反氫原子有何意義？從理論上來說，500克反物質產生的破壞比世界上最大的氫彈威力都要大，雖然科學家已能製造並抓獲反物質，但其存在時間太短，且代價太過昂貴。反物質如能操控，將能成為人類用之不竭的新能源！
08、科學家創造出了一種全新的光物質形式
光學行為能「彎曲」物理規則嗎？
光子作為一個幾乎沒有質量的基本粒子，是一種"超然"的存在——如果你把兩束激光相對，光子只會連個招呼都不打，互相穿過。但在2013年，麻省理工學院和哈佛大學的聯合團隊，讓光子相互作用產生一種物質形式，人們不知道它是什麼，都說這就像一個真實版的"光劍"——光束之間會彼此推拉產生對抗。
2018年，仍然是這組團隊在《科學》上發表論文，宣布他們實現了三個光子構成的組之間相互作用，即粘在一起形成了此前未被觀察過的一種全新光子物質。
研究人員發現，利用弱激光照射，它們不是作為單個、隨機分離的光子通過緻密的超冷銣原子云，而是成對或者三個光子結合在一起——這表明在光子之間發生了相互作用。結合後的光子，實際上得到了電子質量的一部分，這些有質量的光粒子傳播速度變慢，比沒有相互作用的常規光子速度慢10萬倍。
這個團隊的「主業」，其實是量子計算機的研究。他們的實驗結果告訴人們，光子確實可以相互吸引或者彼此纏繞的。並且，如果它們可以其他方式相互作用，那麼未來一定會被用於超快的量子計算以及由光組成的複雜晶體中。
09、探測器首次造訪「貝努」並發現水蹤跡
我是誰？從哪裡來？要到哪裡去？人類所有的追尋，都只不過是回答這三大「天問」的嘗試。
我從哪裡來？也即生命如何起源的？傳說約45億年前，太陽系剛剛形成，地球還是一顆充滿熔岩的星球，恍如地獄。突然，一顆不知鄉關何處的小行星「誤入藕花深處」，闖入太陽系，與地球進行了一次猛烈的撞擊。這次撞擊引發的「蝴蝶效應」可能帶來了有機物和水，為地球提供了孕育生命的關鍵條件。
小行星是約45億年前太陽系形成時遺留下來的碎片。有科學家認為，對小行星樣本進行原子級分析有望為上述假說提供重要證據。於是，2016年，美國國家航空航天局（NASA）肩負重要使命的「源光譜釋義資源安全風化層辨認探測器」（OSIRIS-Rex）朝小行星「貝努」（Bennu）整裝出發了。
12月10日，NASA興奮地宣布，OSIRIS-Rex發現小行星的岩石外表下暗藏著由氫分子和氧分子（水的組成部分）組成的羥基的蹤跡，這使直徑500米的「貝努」具有孕育生命的潛力，或許也蘊藏著關於地球生命起源的線索。
2023年，探測器會將這些物質的樣本送回地球，屆時，科學家將獲得與太陽系歷史和演化有關的寶貴資料，幫助人類進一步認識地球的過往與未來、更好地洞悉生命的起源。
10嫦娥四號探訪月背
12月8日2時23分，中國的嫦娥四號乘坐長征三號乙運載火箭成功發射升空，將於明年1月進行月球背面軟著陸和巡視勘察。如果成功，它將實現人類歷史上首次在月球背面投放著陸器和月球車；同時也將實現國際首次地月拉格朗日L2點的測控和中繼通信。
嫦娥四號中繼星「鵲橋」搭乘長征四號丙運載火箭升空瞬間
誰不曾仰望蒼穹星海，渴望窮盡宇宙的奧秘？月球這顆陪伴了地球40多億年的鄰居，自古以來就寄託了國人團圓和滿之願景，國人也因此對它多了一份感性。
但正如東漢王充在《論衡》中指出的：「濤之起也，隨月升衰」。由於引力的潮汐鎖定效應，月球只有一面朝著地球，從未有人見過月球背面，這給其蒙上了一層神秘面紗。且因為月球本身的阻隔，任何飛行器到達月球背面區域後會失去通信能力。
面對如此神秘的月之背，中國在今年5月成功發射了「鵲橋」中繼衛星，為嫦娥四號探測器與地面測控站之間搭建了一座傳輸信號與數據的橋樑。
嫦娥四號此次背負著勘探艾特肯盆地——馮·卡門隕石坑的重要使命，該隕石坑被認為是月球最古老的撞擊特徵。而此次前所未有的太空探秘旅程，將為人類了解月球、地球、太陽系的演化提供第一手數據和線索。
它也為太空探索注入了新的激情與活力。歐洲航天局（ESA）相關人員稱，嫦娥四號著陸器和月球車預計會對月球的組成和歷史產生新的認知，將是解開月球奧秘的一個里程碑。」《科學》雜誌稱嫦娥系列任務「雄心勃勃」，是偉大的先鋒工程。
TAG:顧建文教授醫學科普 |