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2015年世界科技发展回顾 科技日报国际部
美 国 证实多项量子理论，粒子物理成果卓著，实验又创多项纪录，在黑洞研究方面提出新假设。 何屹（本报驻美国记者）在基础研究方面，量子研究无疑是热点。2月，加州大学伯克利分校科学家证实，能量与时间之间也存在海森堡测不准关系。也就是说，从量子计算到量子隧穿，再到光电交换的过程，都有一个“量子速度极限”；3月，麻省理工学院和贝尔格莱德大学的物理学家开发出一种新技术，使用单个光子成功实现了与3000个原子的纠缠，创下了迄今为止粒子纠缠数量的新纪录；7月，加州大学洛杉矶分校的电气工程师发现了使光子发生多维度纠缠的新方法。 2015年美国科学家在粒子物理领域的其他成果还包括：普林斯顿大学研究团队在实验中，热量并不通过传导或辐射进行流动，而是通过“声子隧道”的方式流动；开发出一种新方法，利用一个微米级实验装置能观察并控制较大物体的量子运动；首次观察到化学键形成的过渡状态。 室造出无质量外尔费米子；纽约城市学院物理学家生成了一种半光半物质的粒子，为研制同时具备光和物质属性的器件开启了可能性，促进了量子计算实用平台的开发；美国国家标准与技术研究所和马里兰州多家大学团队发现，无质量的光粒子可以通过自身特殊的作用力结合成一种“分子”，这一发现是人类向用光造物体迈进了一步；乔治梅森大学一位退休物理学家罗伯特·埃利希再次提出，中微子很可能是一种超光子。 在黑洞研究方面，哈勃望远镜在一项长达20年研究周期的观测中发现了黑洞内部喷流的不可思议现象，而科学家通过计算证明黑洞并不吞噬信息；计算机模拟实验显示，黑洞或许还是寻找暗物质的“实验室”。美国和英国科学家则在3月宣称，他们或许发现了迄今最直接的暗物质信号。在对我们所处银河系的研究中，美国和意大利科学家组成的研究小组将宇宙大爆炸模型和银河系暗物质地图结合在一起进行观察，提出了银河系本身可能就是一个巨型虫洞这一惊人假设；而美国国家航空航天局钱德拉X射线望远镜、雨燕卫星以及欧空局XMM-牛顿卫星的长期监测发现，银河系中心黑洞活动在加剧。 美国科学家在基础研究领域的重大成果还包括：麻省理工学院科学家首次将分子冷却到仅高于绝对零度5千亿分之一摄氏度，创造了超低温纪录；加利福尼亚大学伯克利分校科学家打破量子气体熵值最低纪录，其熵值比之前试验中获得的量子气体熵值低了100倍；伊利诺伊大学厄本那-香槟分校首次实验证明，用布里渊散射引致透明效应（BSIT，一种声光散射现象）可以引导光纤中的光向前传播，还可以让光减慢、加快甚至停止；普林斯顿大学发现一种全新化学反应，完全颠覆了传统反应中先破坏最弱化学键的模式，而先朝最强的化学键“开刀”，并可以在化学合成中形成全新的中间体。 此外，美国科学家还发现了物质的神秘状态赝能隙与高温超导性相互竞争，并抑制超导性的首个直接证据；发现在亚纳米级的间隙 英 国 建成世界最大射电望远镜总部，开发预报太阳风暴新方法，启动搜寻外星智慧生命的“突破倡议”项目，将开建极地科考船。 郑焕斌（本报驻英国记者）4月，世界最大综合孔径射电望远镜项目总部落户于曼彻斯特大学附近的焦德雷耳班克天文台。由中、英等多个国家参与的国际天文学工程“平方公里阵列”射电望远镜（SKA）项目，是本世纪最重要的国际科学工程之一，计划于2024年后进入全面运行阶段。 6月，帝国理工学院科学家开发出一种可提前至少24小时预报太阳风暴的新型测量方法和模型工具，而现有技术至多能提前30到60分钟作出预报。 7月，霍金与俄罗斯亿万富豪尤里·米尔纳共同宣布启动“突破倡议”项目，准备历时10年、耗资1亿美元，通过扫描宇宙的方式搜寻外星智慧生命。这个由霍金领衔的团队成员包括英国皇家天文学家马丁·里斯，搜寻地外文明计划研究所的弗兰克·德雷克，以及美国国家航空航天局艾姆斯研究中心前任主管皮特·沃登等人。这次史上最大规模的搜索行动，获得的所有数据都将免费开放。 10月，英政府宣布将耗资2亿英镑由本地船厂建造一艘先进的极地科考船，以便让科学家在南北极开展更深入的科研观测。这艘船将于2016年开建，2019年投入运营。 此外，在动物研究方面成效明显。10月，英皇家鸟类保护协会指出，大西洋海雀等4种英国常见鸟类已被世界自然保护联盟列入濒危物种红色名录。名录中新增的4种鸟类包括大西洋海雀、欧斑鸠、斯拉沃尼亚鸊鷉、潜鸭，至此入选濒危物种红色名录的英国鸟类总数增至8种。 法 国 首次成功进行双原子干涉实验，发现新粒子——五夸克粒子，证明红巨星存在强大磁场，在地球物理、天体物理等领域不断取得新进展。 李宏策（本报驻法国记者）在科学家们实现双光子干涉实验30年后，法国物理学家于2015年4月宣布首次成功进行了双原子的干涉实验。最新实验进一步佐证了量子力学，将大力促进量子计算机和量子通讯网络的发展。 7月，位于法国和瑞士边界的欧洲核子研究中心宣布，通过大型强子对撞机底夸克实验（LHCb）发现了新粒子——五夸克粒子。五夸克粒子不仅是一种新粒子，它代表普通的质子和中子的基本组成单元——夸克前地球的成分特征。 11月，法国天文学家提出一种新的理论称，导致月球轨道平面倾斜的原因，可能主要是地月系统的引力作用，而非此前人们所认为的行星碰撞。研究表明，在地球形成数千万年以后，地月系统通过引力作用达到了月球轨道“被激发”的理想状态，也就是说通过和几个行星体携带的少量质量的相互作用，月球轨道逐渐倾斜成了现在的样子。 此外，11月，法国与奥地利科学家通过实验证实，在某些量子过程中，因果关系（或因果顺序）本身也是不确定的，可以处于某种叠加态。在量子物理学中，事件的发生并非只按照一种确定的顺序，而是同时以两种顺序（A在B之前和B在A之前）发生，这种有悖常理的类似叠加的现象称为“因果非分离”。 新的组合方式，他们的组合类型在过去半个多世纪的研究中从未被发现。 10月，法国原子能委员会等机构科学家成功证明宇宙中红巨星的中心存在强大磁场，其强度高达地核磁场的1000万倍，这一发现将帮助科学家更好地了解恒星演化过程。 地球物理、天体物理研究成果不断。9月，法国科学家研究发现，地球初期阶段曾遭受长达1亿年之久的陨星碰撞，这一过程导致地球化学成分出现永久性改变。虽然地球在遭受陨星碰撞时失去了一些质量，但总体来讲在这一暴力时期的地球质量处于净增益，并移除大量硅，残留镁元素，最终形成当 德 国 首次在常规实验室从超导材料中观察到希格斯模式，创造高温超导新纪录，进行世界首个超冷分子储存环实验。 顾钢（本报驻德国记者）欧洲核子研究中心的大型强子对撞机实验曾发现了赋予其他粒子质量的希格斯玻色子，验证了粒子物理标准模型。而在2015年2月，由德国和以色列物理学家组成的研究小组，在超导材料中观察到了希格斯模式，这是首次不需要通过大型强子对撞机，仅在常规实验室以较低成本就能发现材料微观世界谜团。 2015年，德国科学家在基础研究领域还做出了以下突破： 马普核物理研究所科学家进行了世界首个超冷分子储存环（CSR）实验。CSR建造了多年，这是科学家首次将有氢氧根离子的负电荷分子在略高于绝对零度和低压条件下进行分子实验，在实验室中研究宇宙天体化学； 美因茨马普化学所和美因茨大学的研究人员发现，液体硫化氢在150万巴压力下，可以在零下70摄氏度获得超导性能。这项高压试验不仅创造了新的高温超导纪录，而且为实现常温下无电流损耗输电找到了新的研究方向； 慕尼黑大学阿秒物理学实验室和马普量子光学研究所的研究人员发明了一种可变波长的特殊X射线光成像仪，可以非常清晰地拍摄小于10微米的人体组织和肿瘤图片，这一新手段可以应用在医学、生物和材料科学等领域。 此外，德国波恩大学物理学家利用光学实验，间接测量到铯原子量子叠加状态。 俄罗斯 取得核时钟研发阶段性进展，发现新型中子星，发明核废料处理及工业化提取低放射性钛新方法。 亓科伟（本报驻俄罗斯记者）6月，莫斯科工程物理所科学家采用钍-229研发核时钟取得阶段性进展。新型核时钟误差为0.01秒/138亿年，如最终研制成功可用于检验一般相对论，并可在其基础上创建重力仪来搜索稀土金属、石油和天然气等各种矿物质的沉积物，以及完善导航系统。此外，俄科学家还发现了通过钍-229的核转变制作激光的方法。 在天文学领域，圣彼得堡约费物理技术学院科学家团队宣布发现了新型中子星，其依靠自身巨大引力，通过X射线闪光方式不断吞噬相邻天体物质；而俄天文学家在车里雅宾斯克陨石坠入地球两周年之际发表研究成果，这块陨石属球粒陨石，约形成于45亿年前，据估算在坠入地球前重达1.3万吨。 在核研究领域，俄科学家发明了两种核废料处理新方法：俄科学院普罗霍罗夫普通物理研究所研究团队将金放入放射性元素钍232的溶液中并进行激光诱导，随着纳米粒子的释放，钍232在1小时内发生了嬗变并失去放射性。俄科学家认为，利用该方法有望在短时间内解决类似福岛核电站废水中核废料处理问题；另一种方法由俄新沃罗涅日核电站专家发明，他们利用新型等离子装置，将含有液体核废料的浓缩盐溶液在1800摄氏度高温熔融状态下注入金属桶，冷却后变成玻璃状单体浇铸物，大幅减少了核废料体积和处理成本。 莫斯科国立大学核物理研究所还发明了工业化提取低放射性钛的新方法，利用该方法生产的超纯钛可作为制作大容积暗物质探测器的备选材料。 此外，托木斯克国立大学科学家完成了古生物方面的一项重大研究，他们宣布，7年前在西伯利亚西南部发现的封闭在岩石块中的远古生物遗骸，经研究确定是一种全新的草食蜥臀目恐龙，存活于侏罗纪时期至中生代末，总长度可达30米到40米，重达数10吨。这一事实表明西伯利亚西南部曾存在过某种生态系统。 以色列 科学试验再次证明相对论，天体物理研究取得新突破。 冯志文（本报驻以色列记者）希伯来大学科学家证明，“时空泡沫”不会放慢从遥远的伽马射线爆发的光子速度。这是爱因斯坦发现相对论一百年后，由希伯来大学和法国同行用一个新的科学实验再次证明该理论。试验表明，所有的光子，即使具有不同能量，都以相同速度移动。 魏兹曼科学院科学家发现围绕太阳运行的小行星岩石结构的弱点及对地球可能造成的损害。该研究首次表明，围绕着太阳运行的小行星，其内部结构脆弱，无法抗拒小行星的快速旋转运动。这一研究让人类对小行星撞击地球的破坏强度有了新认识，增加了对太阳系行星运行的了解。 以色列理工学院和法国同行揭示月球起源及其成分。他们聚焦于所谓的“巨大冲击”模式，提出月球是类似火星的星球和地球碰撞后，进入绕地轨道的物质碎片凝固而成。 特拉维夫大学和魏兹曼科学院的科研人员找到了一种确定土星旋转周期的精确方法。他们使用土星的引力场来确认其自转周期，得到的土星自转周期是10小时32分钟45秒。他们用同样的方法精确重现了木星的自转周期。这项研究方法在未来可以用于计算其他巨行星或者地外行星的自转周期。 魏兹曼科学院作为以色列基础研究领域的主力军，在国际基础研究领域也是一支重要力量。在暗物质探测国际合作项目中，该机构科学家是最活跃的团队，积极参与了氙探测器、低能核反冲新型探测器及宇宙射线探测器相关的科研活动。 韩 国 在重离子研究方面取得重大进展，并积极将研究成果与市场需要相结合。 薛严（本报驻韩国记者）3月，韩国基础科学支援研究院宣布，利用2014年研制的28GHz超导电子回旋共振（ERC）离子源,顺利引出、传送和诊断出重离子束。重离子指的是从氧、氩等原子中分离出电子后剩下的较重离子，加速这些离子使之与其他物质碰撞产生稀有的同位素，可用于攻击癌细胞等医疗用途。 ERC离子源指的是把制造出的重离子放入加速器。2014年8月，韩国基础科学研究院研制出利用28GHz微波的超导ERC离子源，6个月之后便制造出可以分析、传送和诊断重离子的装置用来测试ERC电子源性能。研究院方面称，韩国成功研制出可与美国、日本相提并论的离子源，期待今后能够进军中国、欧洲等国际加速器市场。 加拿大 投巨资参与世界最大天文望远镜建设，开发描绘宇宙三维图像新工具。 冯卫东（本报驻加拿大记者）4月，加拿大政府宣布，将在未来10年出资2.43亿加元参与建设世界最大的天文望远镜。此巨型光学/红外天文望远镜（TMT）将被安置在夏威夷莫纳克亚火山顶上，并于2023年至2024年开始运行。建成后的望远镜直径约30米，观测范围将是目前使用的最大光学望远镜的9倍，清晰度将提高3倍，可帮助科学家观测距地球130亿光年的宇宙区域景象，还可以观测宇宙早期形成的星体和星系。 9月，不列颠哥伦比亚大学研究人员利用神秘的能量爆发（亦称快速射电爆发），提出了计算宇宙间距离的新有效途径。该方法允许研究人员定位遥远星系并描绘出宇宙的三维图像，新工具还可描绘宇宙中物质的分布，并有助了解宇宙进化过程。 日 本 证实可产生磁力流新原理，首次造出不附着电子的“裸”离子态铁原子核，计算证明“量子纠缠”形成时空的原理。 葛进（本报驻日本记者）东北大学的研究人员通过向含有特定金属微粒子的绝缘体磁石照射可见光，证实了可产生磁力流的新原理。该研究可成为下一代自旋电子学和分散型发电、节能技术开发的基础。该校研究人员还计算证明了“量子纠缠”形成时空的原理。该成果为构筑涵盖一般相对论和量子力学的终极统一理论作出了贡献。 在基础研究领域，2015日本科学家还完成了多项“首次”成就： 日本原子能研究开发机构的研究人员使用极强激光，制造出不附着电子的“裸”离子状态的铁原子核，并将其加速到五分之一光速，这在世界上还是首次； 理化学研究所和东京大学的研究人员首次发现直接利用电力能源生存的微生物，证明在深海海底可能存在不依赖于太阳能和化学能的生命圈； 高能加速器研究机构的研究人员首次捕捉到化学反应的瞬间，成功拍摄到水溶液中原子结合成新分子的场景； 冈山大学的研究人员第一次证明了植物中输送维生素C的物质，这种输送体在光合作用时可防止叶片中产生的光妨碍作用； 日本科学家在美国的古鱼类化石中首次发现了眼球的软组织痕迹，这为研究生物眼睛的进化提供了实证。 此外，名古屋大学的研究人员6月还找到使某些蘑菇发绿光的物质，很多种类的蘑菇都含有该物质，而其与一些蘑菇中的特定酶发生反应就会使其发出绿光，该成果对于研究发光生物的发光原理具有参考价值。 |
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