量子效應(yīng)可見于宏觀物體

  量子物理學(xué)巨匠玻爾的名言是：“如果有誰(shuí)第一次聽到量子理論時(shí)沒感到困惑，那他一定沒聽懂。”

  這句話恰可以形容量子的理想實(shí)驗(yàn)——“薛定諤貓”。這是一只密閉在裝有少量鐳和氰化物容器里的可憐小貓，若鐳發(fā)生衰變，將觸發(fā)機(jī)關(guān)釋放出氰化物，貓就必死；若鐳不發(fā)生衰變，貓就存活；而根據(jù)量子理論，只要我們沒去觀察它，鐳可以是處于已衰變和未衰變兩種狀態(tài)的疊加，貓也因此處于死貓和活貓的疊加態(tài)。

  雖看似荒謬，但人類若要建立量子計(jì)算機(jī)，首要任務(wù)就是控制這樣一種既非此態(tài)又非彼態(tài)的量子態(tài)。不過(guò)，該狀態(tài)一直以來(lái)只見于微觀中的原子，并沒有出現(xiàn)在宏觀的物體上。

  但在今年，美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校的科學(xué)家首次成功地將人眼可見的物體置于了“薛定諤貓”態(tài)——他們讓一個(gè)微小“量子鼓”處于動(dòng)和不動(dòng)的疊加狀態(tài)。其關(guān)鍵點(diǎn)是利用了一個(gè)遵循量子力學(xué)法則的電路做推力。當(dāng)量子電路置于“推”和“不推”的疊加態(tài)時(shí)，精密測(cè)量?jī)x器顯示“量子鼓”也隨之身處振動(dòng)與不振動(dòng)之間。它證明了量子力學(xué)原理不但適用于原子，也的確可見于宏觀日常物體，該觀測(cè)證據(jù)對(duì)量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)，乃至物理學(xué)本身都具有非同小可的意義。

  而游走在生與死邊緣的薛定諤之貓，名氣就快要打敗對(duì)手巴普洛夫的狗和達(dá)爾文的雀了，在“科學(xué)史上最著名動(dòng)物”的行列里越站越靠前。

  美俄科學(xué)家合成第117號(hào)元素

  超重元素家族可能又添“新丁”了。4月7日，在超重元素合成方面一向表現(xiàn)不俗的俄羅斯杜布納聯(lián)合核研究所宣布，他們與美國(guó)同行合作，借助粒子回旋加速器，用鈣48原子轟擊锫249原子，首次生成了6個(gè)擁有117個(gè)質(zhì)子的新原子。這種新元素可能就是科學(xué)家一直尋找的第117號(hào)元素，這將填補(bǔ)目前已被發(fā)現(xiàn)的第116號(hào)和118號(hào)元素之間的空缺。

  門捷列夫元素周期表自1869年問(wèn)世以來(lái)，就為人類認(rèn)識(shí)自然提供了一把標(biāo)尺，隨著在自然界中發(fā)現(xiàn)或者實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的新元素不斷加入填充，這把尺子的刻度也越來(lái)越精準(zhǔn)。原子序數(shù)超過(guò)103或105的元素習(xí)慣上被稱作超重元素。當(dāng)原子序數(shù)超過(guò)110之后，隨著原子序數(shù)的增加，原子核的壽命會(huì)急劇下降。不過(guò)，核物理學(xué)家結(jié)合原子核殼體結(jié)構(gòu)模型推測(cè)，在114號(hào)元素到120號(hào)元素之間，可能會(huì)有一些壽命很長(zhǎng)的元素，其所占據(jù)的區(qū)域即為超重“穩(wěn)定島”。

  迄今為止，實(shí)驗(yàn)室中似乎已經(jīng)合成了很多超重元素，但其存在時(shí)間大多在秒和毫秒的量級(jí)，因而始終未能幫助科學(xué)家登上“穩(wěn)定島”。不過(guò)，117號(hào)元素的現(xiàn)身，也許能夠成為通往“穩(wěn)定島”的又一座航標(biāo)。而對(duì)超重元素的研究，將為元素周期律、原子核結(jié)構(gòu)、元素起源和天體演化等提供更加充分的科學(xué)論證。

  新元素暫命名為ununseptium，如果其他研究能夠再次獨(dú)立將其合成，那么它將獲得認(rèn)可，在化學(xué)元素周期表上正式占據(jù)自己的一席之地。     

  深空探測(cè)飛船揚(yáng)起“太陽(yáng)帆”

  我們一直渴望擺脫對(duì)火箭的單一依賴，讓全新動(dòng)力的宇宙飛船承載著人類的夢(mèng)想遨游天際。其中，以太陽(yáng)帆方式利用太陽(yáng)光子壓力被認(rèn)為是一種最有希望的選項(xiàng)，且近年來(lái)已有了操作的可能。以太陽(yáng)光能為動(dòng)力，宇宙飛船可免攜大量燃料，因而比傳統(tǒng)飛船更經(jīng)濟(jì)，機(jī)動(dòng)范圍也更大。只要沐浴陽(yáng)光，它便會(huì)不斷加速飛行。

  雖然太空帆的構(gòu)想在天文學(xué)家開普勒的年代已有之，但卻一直難以研發(fā)出光帆的材料及在太空中展帆的技術(shù)；預(yù)想中太陽(yáng)帆提供的微弱動(dòng)力，也不適于作深空探索之用。美國(guó)2001年和2005年曾兩次發(fā)射此類型試驗(yàn)機(jī)，均告失敗。

  亦由于此，日本今年的深空太陽(yáng)帆“伊卡洛斯”號(hào)才更加引人注目。在當(dāng)?shù)貢r(shí)間5月21日，“伊卡洛斯”號(hào)作為世界首艘依靠太陽(yáng)光能驅(qū)動(dòng)的深空太陽(yáng)帆動(dòng)力飛船發(fā)射升空。不到一個(gè)月后，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)宣布，“伊卡洛斯”號(hào)完成最令人擔(dān)憂的步驟——成功展開了其14米見方、卻僅7.5微米厚的帆。又?jǐn)?shù)日，太空帆船的全景圖像得以公布。

  “伊卡洛斯”號(hào)成功亮劍，意指金星。自此，暢游寰宇的人類智慧結(jié)晶中，除使用燃料助推的傳統(tǒng)太空飛行器，還多了一艘利用光帆反彈太陽(yáng)光子壓力作為航行動(dòng)力的太空之船。它的揚(yáng)帆遠(yuǎn)行，將會(huì)是人類太空探索一場(chǎng)技術(shù)革新的開端。

  人造細(xì)胞在實(shí)驗(yàn)室誕生

  “我們稱它為‘人造兒’，因?yàn)檫@個(gè)細(xì)胞完全來(lái)自于合成的染色體，用4瓶化學(xué)物質(zhì)在一個(gè)化學(xué)合成器下制造而成。”5月20日，有“科學(xué)怪人”之稱的美國(guó)生物學(xué)家克雷格·文特爾帶著自己的最新作品——實(shí)驗(yàn)室培育出第一個(gè)由人工合成基因組控制的細(xì)胞站在了輿論的風(fēng)口浪尖。

  實(shí)驗(yàn)原理聽上去很簡(jiǎn)單：首先用計(jì)算機(jī)進(jìn)行基因排序，人工合成絲狀支原體的DNA（脫氧核糖核酸），然后將這種人造DNA放入內(nèi)部挖空的山羊支原體中，最終使其產(chǎn)生并只保留帶有人造DNA的細(xì)胞，人造細(xì)胞不斷繁殖，“人造兒”誕生了。

  基因技術(shù)的研究總是伴隨著倫理紛爭(zhēng)，文特爾因“人造兒”在一瞬間被拔到了上帝的高度，面對(duì)著“人類能否充當(dāng)造物主”的質(zhì)疑。大眾媒體稱這是世界首個(gè)人造生命，好在有《科學(xué)》雜志以及一些專業(yè)科技媒體發(fā)表觀點(diǎn)以正視聽：對(duì)于人造生命來(lái)說(shuō)，在體外合成基因組固然重要，但人造基因適合在什么樣的母體環(huán)境中生長(zhǎng)，目前我們并不清楚，更談不上制造，文特爾的研究其實(shí)只是在模擬生命。

  此項(xiàng)成果令本世紀(jì)初方誕生的合成生物學(xué)也受到了前所未有的關(guān)注。支持者認(rèn)為，未來(lái)量身定制的合成基因組可用于開發(fā)清潔燃料、新疫苗及廉價(jià)藥品；反對(duì)者則擔(dān)憂，人工合成的生物系統(tǒng)一旦逃逸到自然界，可能會(huì)引發(fā)生態(tài)災(zāi)難，甚至?xí)豢植婪肿永谩?2月16日，負(fù)責(zé)生物倫理問(wèn)題研究的總統(tǒng)委員會(huì)正式向美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬提交《合成生物學(xué)報(bào)告》，建議“謹(jǐn)慎推進(jìn)”相關(guān)研究。這也正代表了目前科學(xué)界的主流觀點(diǎn)：雖然人造生命的可能性遠(yuǎn)在未來(lái)，但確定這類技術(shù)的倫理界限并制定監(jiān)管措施以防范和控制風(fēng)險(xiǎn)，卻很有未雨綢繆的必要。

  首架純生物燃料驅(qū)動(dòng)飛機(jī)試飛

  航空業(yè)終于用行動(dòng)證明，坐飛機(jī)“低碳出行”有盼頭了。

  6月8日，世界首架純生物燃料驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)“新一代鉆石DA42”進(jìn)行了一次意義非凡的飛行。這架100%采用海藻生物燃料作為動(dòng)力的“綠色”飛機(jī)首次證明，生物燃料技術(shù)完全可以獨(dú)立為飛行提供能量。

  全球變暖讓航空業(yè)的溫室氣體排放成為眾矢之的，日益枯竭的化石能源也迫使業(yè)界急切地想要找到傳統(tǒng)航空燃油的替代品，其中最被寄予厚望的就是以海藻為代表的第二代生物燃料。一系列測(cè)試表明，作為“普適性”燃料，它既能和傳統(tǒng)的航空燃油混合，也可完全取而代之，直接驅(qū)動(dòng)飛機(jī)，并且其與現(xiàn)有飛機(jī)的兼容性也非常好。

  雖然海藻生物燃料真正大規(guī)模走向?qū)嵱眠€面臨很多制約瓶頸，比如成本過(guò)于昂貴，技術(shù)可靠性還有待改進(jìn)，但它的優(yōu)勢(shì)也是明擺著的：潔凈環(huán)保、價(jià)格比深受地緣政治和國(guó)際游資雙重影響的石油更容易控制，生長(zhǎng)快，給點(diǎn)陽(yáng)光和水就能“燦爛”，不會(huì)與糧爭(zhēng)地等等。再加上航空公司受減排政策所限，超出排放額度就得掏大筆“買碳錢”，在經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的雙重壓力下，啟用生物燃料的步伐定會(huì)加快。芬蘭和德國(guó)的航空公司均已宣布，明年春天將在部分定期線路上使用生物混合燃料試航。隨著技術(shù)發(fā)展，生物燃料與傳統(tǒng)燃料的比例將逐步從目前的5∶5提升到9:1，直至100%采用生物燃料。我們有理由相信，毫無(wú)愧疚地選擇飛機(jī)出行的那一天為期不會(huì)太遠(yuǎn)。   

  人類皮膚細(xì)胞直接轉(zhuǎn)化成血液細(xì)胞

  科學(xué)界最初認(rèn)為，細(xì)胞分化是一種單向行為：胚胎干細(xì)胞中分化成各類體細(xì)胞，一旦分化過(guò)程結(jié)束，這些細(xì)胞就各司其職，逐漸形成人體的神經(jīng)、血液、皮膚、骨骼等不同組織，無(wú)法再轉(zhuǎn)變身份。

  2007年，經(jīng)由皮膚細(xì)胞培育而來(lái)的誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞（iPS細(xì)胞）誕生，細(xì)胞分化出現(xiàn)了體細(xì)胞“反轉(zhuǎn)”成iPS細(xì)胞后重新發(fā)育的現(xiàn)象。

  到了今年11月7日，關(guān)于細(xì)胞分化的認(rèn)識(shí)又上了一個(gè)臺(tái)階：加拿大麥克馬斯特大學(xué)科學(xué)家徹底拋棄了iPS細(xì)胞這一具有風(fēng)險(xiǎn)的“中介”，首次直接讓人體皮膚細(xì)胞“轉(zhuǎn)崗”干起了血液細(xì)胞的活，細(xì)胞轉(zhuǎn)換“職業(yè)”的效率不僅更高，所需的時(shí)間也更短。

  這項(xiàng)研究的直接意義不言而喻，新的造血方法不僅過(guò)程簡(jiǎn)單，所得到的血液功能正常、質(zhì)量更佳，而且避免了排異以及產(chǎn)生癌癥腫瘤的隱患。如果技術(shù)發(fā)展成熟，“血荒”有望成為歷史，而再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也將呈現(xiàn)一番新面貌，未來(lái)或許可以借助特定的轉(zhuǎn)錄因子，直接利用包括皮膚細(xì)胞在內(nèi)的各種體細(xì)胞培育所需的器官和組織。   

  LHC重現(xiàn)迷你“宇宙大爆炸”

  歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）在一年一度的十大科技新聞中上演了“帽子戲法”。自2008年來(lái)，這臺(tái)圓環(huán)狀的實(shí)驗(yàn)裝置聲名鵲起，毋需再贅言其規(guī)模與耗資，眼下LHC之所在，就是物理學(xué)者們朝圣之樂(lè)土。

  在今年，繼9月份LHC的緊湊繆子線圈（CMS）探測(cè)器實(shí)驗(yàn)制造出“煉獄般”的極端環(huán)境后，科學(xué)家又在LHC的另一臺(tái)探測(cè)器大型離子對(duì)撞機(jī)（ALICE）中，以近光速對(duì)撞的鉛離子重現(xiàn)迷你版“宇宙大爆炸”。兩次實(shí)驗(yàn)皆產(chǎn)生了熾熱黏稠的夸克與膠子，這種在大爆炸初期填滿宇宙之物，可佐證LHC于某種程度上模擬出了大爆炸后幾微秒的狀態(tài)。

  彼時(shí)即有評(píng)價(jià)認(rèn)為，LHC今年的實(shí)驗(yàn)成果可用于解釋137億年前宇宙誕生之初的物質(zhì)形成過(guò)程，稱其開拓了全新的物理研究領(lǐng)域，或成回答粒子物理學(xué)許多關(guān)鍵問(wèn)題的彌足珍貴的一環(huán)。

  果不其然，11月份ALICE實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析出爐，顛覆性結(jié)論得出：宇宙的形成初態(tài)乃是灼熱濃厚的液體，而非一直以來(lái)世所公認(rèn)的氣態(tài)?；煦缰醯奈镔|(zhì)形態(tài)，是霧靄蒼茫，還是波濤橫溢，再次讓科學(xué)家們牽縈于心。

  幾家歡樂(lè)幾家愁。12月，CMS實(shí)驗(yàn)小組宣布：高能對(duì)撞制造黑洞失敗。而在LHC當(dāng)前的能級(jí)范圍內(nèi)產(chǎn)生黑洞，乃是根據(jù)那“最有前途”的弦理論所作的預(yù)測(cè)。這一理論擁躉無(wú)數(shù)，且久未逢敵手。它究竟是尚待圓滿，抑或大謬不然，且待2013年LHC開足馬力之時(shí)。

  “天河一號(hào)”登全球超級(jí)計(jì)算機(jī)榜首

  全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)排行榜11月14日在美國(guó)公布，中國(guó)“天河一號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)以每秒2570萬(wàn)億次的實(shí)測(cè)運(yùn)算速度，成為世界運(yùn)算最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)。這也是中國(guó)第一臺(tái)千萬(wàn)億次超級(jí)計(jì)算機(jī)。

  作為全世界最權(quán)威的超級(jí)計(jì)算機(jī)排名榜，TOP500從1993年起以計(jì)算機(jī)實(shí)測(cè)速度(Linpack測(cè)試值)為基準(zhǔn)，每年兩次發(fā)布世界上最快的500臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)排名。而來(lái)自歐、美、日之外國(guó)家的超級(jí)計(jì)算機(jī)首次登上榜首位置，引起多個(gè)國(guó)家和專家的高度關(guān)注。榜單公布前，嗅覺靈敏的《華爾街日?qǐng)?bào)》已稱，中國(guó)新研制的超級(jí)計(jì)算機(jī)有望稱雄，再顯中國(guó)日益強(qiáng)大的科技實(shí)力可能給美國(guó)帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

  以往，由超級(jí)計(jì)算機(jī)霸主美國(guó)包攬此榜單的第一到第十名，乃是件尋常之事。而最新榜單中，中國(guó)在前十位中已占有兩席，僅次于美國(guó)，昔日魁主美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室“美洲虎”超級(jí)計(jì)算機(jī)也被迫下滑一位。這標(biāo)志著，中國(guó)不但是繼美國(guó)之后世界上第二個(gè)可研制千萬(wàn)億次超級(jí)計(jì)算機(jī)的國(guó)家，且能超越前路之人。而與這個(gè)變化本身相比，更重要的是變化背后的這份努力。

  反氫原子存在時(shí)間達(dá)到0.17秒

  0.17秒，對(duì)于普通人來(lái)說(shuō)眨眼即逝，但對(duì)歐洲核子研究中心捕獲反物質(zhì)的科學(xué)家而言，這短短一瞬意味著一個(gè)實(shí)質(zhì)性的突破。

  按照現(xiàn)行理論，宇宙大爆炸的瞬間產(chǎn)生了等量的物質(zhì)和反物質(zhì)，二者若相遇，即會(huì)同時(shí)湮滅。然而今天的宇宙充斥著物質(zhì)，反物質(zhì)的出現(xiàn)只是偶然，并且現(xiàn)身時(shí)間極短。作為物質(zhì)的我們何以存在？反物質(zhì)去了哪里？

  粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中的CP（電荷、宇稱）對(duì)稱法則似乎有助于解釋這些謎題。通俗一點(diǎn)說(shuō)，反物質(zhì)就像是物質(zhì)在鏡中的像，它們遵循相同的物理規(guī)律，但微觀世界中的CP對(duì)稱性卻存在破缺，多數(shù)物理學(xué)家據(jù)此認(rèn)為，CP對(duì)稱性的破缺表明物質(zhì)與反物質(zhì)在參與相互作用時(shí)存在著細(xì)微差別，這最終導(dǎo)致了兩者的數(shù)量差異。

  “抓住”反物質(zhì)并將之與物質(zhì)進(jìn)行比較，成為反證這一對(duì)稱理論以及標(biāo)準(zhǔn)模型有效性的關(guān)鍵，最佳的入手對(duì)象自然就是最簡(jiǎn)單的氫原子。15年前，科學(xué)家首次制造出了反氫原子，但它們只存在了幾微秒，根本無(wú)從窺得其真面目。直到今年11月17日，《自然》雜志報(bào)告了一個(gè)令人振奮的消息：科學(xué)家利用磁場(chǎng)“拖延時(shí)間”，將38個(gè)反氫原子困住長(zhǎng)達(dá)0.17秒，從而將反物質(zhì)的存在時(shí)間從之前的百萬(wàn)分之一秒量級(jí)提高到十分之一秒量級(jí)。

  捕捉反物質(zhì)的技術(shù)正在突飛猛進(jìn)。在這一實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究人員又成功將反氫原子引導(dǎo)到一個(gè)真空管中研究其飛行速度，并朝著制造反氫原子束的目標(biāo)進(jìn)發(fā)。

  集光電納米器件于一體的新芯片問(wèn)世

  一種運(yùn)行速度更快、傳輸信息量更大、體積也更小的計(jì)算機(jī)被稱為“光腦”。雖然概念陌生，但制造它的努力早在半個(gè)世紀(jì)前就已開始。“純種”不易做到，科學(xué)家們便先嘗試光電“雜交”，于是才有了IBM公司集光電納米器件于一體的新芯片。

  CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）集成硅納米光子學(xué)技術(shù)，旨在將電子和光子納米器件集成在一塊硅芯片上，使計(jì)算機(jī)芯片之間通過(guò)光脈沖而非電子信號(hào)進(jìn)行通訊。12月2日，IBM在東京發(fā)布了這款新芯片，并已研發(fā)出一套集成超密集的硅納米光子學(xué)器件。

  據(jù)此，計(jì)算機(jī)專家有望研制出比傳統(tǒng)芯片更小、更快、更低耗的芯片，向著媲美人腦的億億次超級(jí)計(jì)算機(jī)的康莊大道邁進(jìn)。

  在此前數(shù)年，光電設(shè)備集成上的技術(shù)不足，一直讓心念著“海量數(shù)據(jù)快傳”的科學(xué)家們掣肘難書。而今IBM十年磨此一劍，其背后是硅光子學(xué)的理論支撐，熟透了的硅工藝也成為了硅光子學(xué)迅猛發(fā)展的堅(jiān)實(shí)技術(shù)后盾。在信息功能材料及器件等諸多領(lǐng)域，硅光子學(xué)只是小荷才露尖尖角。無(wú)怪有人預(yù)言，21世紀(jì)會(huì)是光腦世紀(jì)。