盘点:2017年度这些科学大事件哪个给您印象最深?

在2017年步入尾声的时候,太多的大事化作我们手机上的一条条推送,一个个弹窗,湮灭在每天的细枝末节里。让我们回顾这一年中最值得被记住的科学大事件,一起期待新一年科学将带来的惊喜与希望……

1月,由我国完全自主研制的世界上第一颗量子通信卫星“墨子号”正式交付开展科学实验。“墨子号”不仅在国际上率先实现了千公里级星地双向量子纠缠分发和量子力学非定域性检验,更在国际上首次成功实现了从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态,圆满实现了全部三大既定科学目标。量子密钥是目前人类唯一已知的不可窃听、不可破译的无条件安全的通信方式。“墨子号”的成功,为构建覆盖全球的量子保密通信网络、开展空间尺度量子通信网络研究、空间量子物理学和量子引力实验检验等研究奠定了可靠的技术基础;同时,也为中国在未来继续引领世界量子通信技术发展和空间尺度量子物理基本问题检验前沿研究奠定了科学与技术基础。

5月,中国科学院在上海召开新闻发布会,宣布世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机诞生。IBM于同月发布了17量子比特位的处理器,又在11月宣布了20量子位的量子计算机问世,并构建了50量子比特的量子计算机原理样机,在科学界引起了轩然大波。

3月,人工智能Libratus在宾夕法尼亚州挑战美国顶尖德州扑克游戏玩家,在12万手比赛后,Libratus完胜全部4个对手。Libratus使用的“强化学习”方式能让计算机生成更具创造性的策略,在信息不完全的情况下作出更好的决策。

5月,强化版围棋人工智能AlphaGo在中国乌镇3:0战胜世界第一棋手柯洁,并与八段棋手协同作战在组队战中全胜5位顶尖九段棋手。

10月,横空出世的AlphaGo Zero仅通过40天的学习就战胜了自己的双胞胎兄弟AlphaGo Master。AlphaGo Zero采用无监督学习,从零开始,不需要任何人类的经验,并通过强化学习发现了新的围棋定式。AlphaGo Zero还优化了核心算法,将策略网络和值网络结合,并引入深度残差网络,用更少的算力得到了更好的结果。

随着技术的发展,人工智能的时代已经到来。除了扑克和围棋,人工智能将会更加深入我们的生活,为人类社会带来新的变化和挑战。

2012年,诺贝尔物理学奖得主维尔切克提出了一个疯狂的想法:时间晶体。时间晶体的神奇之处在于,降温后它能在时间上自发地出现周期性的运动,从而打破时间平移对称性。如果我们把空间晶体和时间晶体的概念综合起来,就会得到一种特殊的物质,可以同时在四维时空中结晶,形成所谓的时间-空间晶体。在维尔切克的设想中,未来会有一天,人类可以对时空晶体进行编程,把大脑意识上传到“时空晶体”中,做成时光胶囊。即使地老天荒,即使宇宙热寂,那些美妙的情感仍旧永存。

时间晶体引发了广泛的争议,很多人认为它是不可能做到的。但终于还是有人做出来了。

今年3月,美国哈佛大学和马里兰大学两个实验组在《自然》上发表两篇论文,宣布基于金刚石色心和离子阱系统,在实验中验证了离散时间晶体的存在。实验的成功促使人们在各种物理模型中,研究离散时间晶体,乃至时间准晶体。

7月12日,南极Larsen C冰架崩裂,形成的冰山之大史上少见,重量超过一万亿吨,面积约5800平方公里。预计新形成的冰山将命名为A68。科研人员指出,由于冰架在崩裂之前就已经漂浮在水面上,因此应该不会立即对海平面造成影响。不过,这次崩裂可能增加Larsen C冰架其余部分也瓦解的风险。如果Larsen C冰架上的所有冰川崩塌,海平面将升高约10厘米。

2017年9月15日3时31分48秒(太平洋夏令时),卡西尼号冲进土星大气开始剧烈摩擦,12秒钟之后与她深爱的那颗行星永远地融为了一体。而人类所接收到的信号,即便在以30万千米/秒的速度狂奔,都要等待83分钟才能从遥远的土星传回地球。

13年的任务周期,卡西尼号为人类传输回来了近500 GB的土星相关的数据,人类科学家为此发表了近3000篇的科学论文,它完全颠覆了我们对土星乃至太阳系的认知。它的复杂轨道设计和控制,也让人类航天的深空探测、控制和导航技术得到了极大地提升。

瑞典皇家科学院宣布将2017年诺贝尔物理学奖授予三位引力波探测计划的重要科学家雷纳·韦斯、巴里·巴里什和基普·S·索恩,三人均来自LIGO/VIRGO合作组,以奖励他们在“LIGO探测器以及引力波探测方面的决定性贡献”。

2017年10月16日深夜,来自地面引力波探测器LIGO(美国)、VIRGO(意大利)和全球大约70个天文台的科学家代表们在华盛顿特区的国家记者俱乐部,举行新闻发布会,公布引力波探测中的新发现。

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。

2017年11月27日,中国科学院在北京举行新闻发布会,宣布悟空暗物质卫星取得重大成果。

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8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。

8月17日,从遥远太空传来的短短一瞬的信号,沸腾了整个天文界;10月16日,全球数十家天文机构同时宣布了一个“前所未有”的重大消息:人类第一次探测到双中子星并合产生的引力波信号。这个信号,让世界各地的望远镜指向了同一个方向,也让全球天文学家空前联手。

与黑洞不同,双中子星的并合不但会产生引力波,而且还会抛射物质并产生各种电磁信号,让我们能够“看”到。此前,科学家虽然曾4测探测到引力波,但由于黑洞的并合不会有任何电磁波辐射,人类只能“听”到。而双子星并合事件,则意味着人类首次同时“看到”并“听到”来自宇宙的信号,是一场宇宙展现在人类面前的视听盛宴。

双子星并合引力波的成功探测,开启了多信使天文学的时代,在天文学以及物理学发展史上具有划时代的意义。在某种程度上,它的意义可以与第一次探测到引力波相提并论。在未来,随着对双中子星并合现象研究的深入,我们对宇宙的了解将翻开新的一页。

3月,《科学》(Science)杂志以专刊的形式介绍了世界上首例人造酵母合成项目的进展。人造酵母项目是深化生命科学研究进展、应用生命科学研究成果的重要一步,通过对比人造酵母与天然酵母的区别,科学家们可以更加准确地了解生命的运作方式,操控生命活动。

目前为止,科学家们一共合成了酵母16对目标染色体中的6对半。这并不是个简单的数字:人工化学合成的DNA一直面临着成本高、错误多的问题,合成染色体长度的DNA极具挑战性。在酵母DNA合成的研究中,科学家们通过合成寡核苷酸链(即短的DNA链)再拼接的方式,终于得到了全长的酵母染色体。从合成最简单的病毒、支原体开始,直到合成单细胞真核生物酵母菌,科学家们逐步攻克了基因大小与基因复杂程度上的障碍,为后续合成更加复杂的生命提供了可能。

7月,中国的科学家们意外地发现了通过DNA靶向编辑 CRISPR-Cas9技术治疗染色体遗传病的可能。研究团队发现,利用Y染色体敲除实验的方法,设计专门针对21号染色体的特定CRISPR靶向系统,可以在体外细胞实验中实现多余21号染色体的精确敲除。这项研究首次为唐氏综合征的治疗提供了希望。

11月,来自德国和意大利的研究人员在《自然》(Nature)杂志发表了一篇利用基因编辑技术治疗单基因遗传病的文章。文章中涉及的病例是一位罹患交界型大疱性表皮松解症(JEB)的男孩,由于LAMB3基因的突变,患者的皮肤会经历频发性的破损、感染以及糜烂,导致患者处于长期的疼痛之中。研究者们通过逆转录病毒结合CRISPR-Cas9技术将完好的LAMB3基因成功地导入患者皮肤细胞,插入细胞的基因组中修复突变的LAMB3基因,治愈了患者。而在此前,这种罕见遗传疾病并没有有效的治疗方法,40%的患者甚至会在青春期前死亡。

在其他研究中,CRISPR-Cas9技术对遗传性心脏病、I型脊髓型肌肉萎缩症等疾病的治疗与治愈也起到了极大的推进作用。CRISPR-Cas9及其相关应用自从面世以来已经连续三年上榜“年度十大科学突破”,这种源自细菌的基因编辑技术究竟还有多少潜力,让我们拭目以待。

无论是对历史的追溯还是对新物种的发现,2017年,人类还在不断探寻着自己和近亲的演化本源。

6月,在摩洛哥发现了目前已知最古老智人化石。这批在杰贝尔依罗发现的化石测年结果为30万年,是目前我们已知的拥有精确定年的智人在非洲最早期演化的证据。通过对头骨化石的分析,科学家发现了其具有进步与原始特征共存的镶嵌现象,虽然这些古人类拥有较为现代的面部形态,颅内模的形态虽然较为原始,但与中更新世古老型人类又不完全相同。此外,化石发掘于北非这一特殊地理位置,也证明了智人在非洲大陆上演化的复杂性。

11月,人类发现了新的近亲:达巴奴里猩猩(Pongo tapanuliensis)。这个在印尼北苏门答腊省达巴奴里被发现的红毛猩猩,是自1929年以来人类首次发现的新种大猿,自此,现生人科物种增加到了8种。此前,科学家们一直把他们当中是苏门答腊猩猩(P. abelii)的一个种群,然而在大规模的研究后,人们发现达巴奴里猩猩的颅骨、牙齿、下颌和其他猩猩有显著区别,毛发更卷,胡子更长,基因也有显著差异,应该独立成种。这种濒危的物种使科学家重新思考了猩猩属的演化轨迹,并思考如何区分物种,制定保护政策,保护古老而特殊的生物类群。

10月4日,诺贝尔化学奖揭晓。来自瑞士、美国和英国的三位科学家因“研发出冷冻电子显微技术用于溶液中生物分子结构的高分辨测定”获得诺贝尔化学奖,2017年成为冷冻电镜技术的重要一年。

图像是理解问题的关键,人类理解事物主要依靠通过各种手段去“看”它们。过去,电子显微技术被认为只适合观测部分物质,因为高强度的电子束会摧毁大量表面敏感的材料,导致其图像模糊。然而冷冻电镜的出现打破了桎梏,通过冷冻手段抑制生物大分子的运动,科学家们开始看到此前从未见过的生物过程。三位科学家对冷冻电镜做出了一系列开创性的工作。诸如对模糊图像进行处理合并的算法、在高真空下通过低温使水玻璃化等一系列手段,使得冷冻电镜最终能够实现原子级别的分辨率。此后,人类终于得以一窥作为生命基础的分子机器的真实面目。

冷冻电镜的发展给生物化学、材料化学等领域带来了全新的工具,科学家们得以深入过去无法涉足的领域,观测生物大分子、敏感电池材料等表面发生的具体过程,结构生物学等领域得以不断涌现出大量突破性成果。

内容信息来源于「科普北京」、「果壳网」,“流程工业”编辑整理发布,转载请注明出处。

荐文:直播微课 化工安全人必听:如何做好过程安全管理?(点击图片进入全文)