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21世纪10年代迎来了伟大的谢幕 这是一个硕果累累的年代 看，引力怪兽！  黑洞是宇宙中最奇异的天体 它拥有极其强大的引力 任何东西一旦落入黑洞的事件视界 都不可能逃脱 几十年来 黑洞领域一直存在一个巨大的谜题 落入黑洞的信息丢失了吗？ 这个所谓的黑洞信息悖论实际上揭示了 广义相对论和量子理论间的巨大矛盾 沉静多年后 2012年，四名物理学家发表了 著名的火墙悖论 再次燃起了这一领域的战火 为了解决这一悖论 霍金等人相继提出了“表观视界”和“软毛” 但离最终的解决方案或许还有很长的一段路要走 在观测方面 天文学家过去会通过寻找黑洞周围的物体 来确认它们的存在 黑洞会吞噬附近的气体和恒星 并在它的周围形成吸积盘 炽热的吸积盘会释放出可探测的X射线 在我们银河系的中心 也潜藏着一个质量为太阳400万倍的黑洞 天文学家通过追踪围绕着该黑洞旋转的恒星 揭露了越来越多的秘密 2019年4月10日 远在5500万光年之外的 M87星系中心的超大质量黑洞 在一台虚拟地球大小的望远镜中 终于现出了原形 自此，再也没有人怀疑黑洞的真实性 毫无疑问 这是属于黑洞大发现的年代 来自宇宙的信使  13亿年前 在遥远的宇宙深空中 两个黑洞不期而遇 它们相互旋绕、慢慢靠近 最终合为一体 在不到一秒的时间里 合并事件将约3倍的太阳质量 转换成了引力波向外辐射 在广漠的空间中以光速传播 直到2015年9月14日 当引力波抵达地球后 激光干涉引力波天文台（LIGO） 终于捕捉到了引力波对时空的轻微扰动 从爱因斯坦第一次的预言 到成功探测历经了100年 到了2017年8月 惊喜再次降临 科学家第一次发现了双中子星的合并 在这次的合并事件中 科学家不仅探测到了引力波 还探测到了短伽马射线暴 发现了重元素形成的秘密 以及确认了一个千新星事件 而当我们发现越来越多双中子星合并时 或许也能够帮助我们解决宇宙学中的一个大难题 宇宙究竟膨胀的有多快？ 2017年9月 科学家在距离地球37光年远的耀变体中 探测到了伽马射线、射电波..... 更是捕捉到了寻找已久的高能中微子 这一发现是解决一些物理学难题的关键一步 比如极高能宇宙射线的起源 光子、中微子、宇宙射线、引力波 这些来自外太空的“信使” 带来了不同的宇宙信息 过去我们一次只能探测到其中一种 但随着种种突破的到来 标志着多信使时代的崛起 多信使天文学就好比把 视觉、听觉、嗅觉和触觉结合在一起 使我们拥有更完整的感官去描绘宇宙的全景 寻找未知的世界  2019年10年 诺贝尔物理学奖授予了两名天文学家 以表彰他们在1995年发现了一颗 绕着类太阳旋转的系外行星 截至今天为止 天文学家已经在银河系找到了超过4000颗系外行星 这些行星有着不同的大小、成分和温度 在这短短的10年中 人类对围绕在遥远恒星运行的行星有了飞跃性的认识 这在很大程度上归功于开普勒太空望远镜 从2009年到2018年 仅开普勒就发现了2700多颗已被确认的系外行星 2018年 开普勒望远镜的继任者TESS发射 进一步扩大了搜寻范围 寻找环绕在那些更近、更明亮的恒星周围的小型岩石行星 地面天文台也在搜索系外行星的行动中 扮演着重要角色 2017年，科学家宣布发现了 距离地球仅39.6光年的恒星系统 TRAPPIST-1 它拥有7个地球大小的行星 在更早的2016年 “暗淡红点计划”宣布发现了比邻星b 这是一颗与地球大小相当的行星 它围绕着距地球仅4.25光年的比邻星运行 天文学家希望终有一天 我们能够在这许多的行星中 发现生命的迹象 并最终回答 我们在宇宙中是孤独的吗？ 宇宙大航海时代  15世纪末到16世纪初 全世界都在积极进行远洋活动 欧洲人开辟了横渡大西洋到达美洲 以及绕道非洲南端到达印度的新航线 第一次环球航行取得成功 那个时代被称为“大航海时代” 人们在那时积累了大量的地理知识 对“世界”的认识和理解更进了一步 如今 人们已经将视野拓展到了外太空 我们开启了新的征程 人类的航天器已经开始了星际穿越的旅程 旅行者1号与旅行者2号是目前距离地球最远的探测器 它们在这个年代都已经飞出日光层 两艘探测器均于上世纪70年代发射 到现在已经运行了42年之久 两艘飞船都访问了木星和土星 旅行者2号随后又经过了天王星和海王星 标志着对这两颗行星的首次探索 我们也把目光聚焦到了红色星球之上 火星与地球存在诸多相似之处 2012年 好奇号着陆火星 向我们展示了这个行星邻居的样子 它发现这颗红色星球上存在有机化合物 这里的大气甲烷水平也有奇怪的季节循环 2019年 洞察号的内部结构地震实验仪 首次监测到火星星震的信号 除了火星 人类探测器还首次踏足许多宇宙中神奇的地方 2014年 罗塞塔号释放的菲莱着陆器成功着陆 67P/楚留莫夫-格拉希门克彗星 成为着陆彗星的首个航天器 2017年 卡西尼号结束了13年的土星探索之旅 它证实了土卫二的羽状物喷泉含有大型有机分子 这一线索表明土卫二拥有适合生命的物质 2019年 新视野号也创造了历史 飞掠了距离地球66亿千米的“天涯海角” 同样是在今年 日本隼鸟2号在小行星“龙宫”上精准着陆 并完成了岩石样本采集 我国的嫦娥四号首次成功降落在 月球背面南极-艾特肯盆地内的冯·卡门撞击坑内 这是人类探测器第一次实现在月球背面的软着陆 这些航天器来自中国等不同国家 甚至还有像Space X这样的商业公司 开启了前往太空的征程 “地球居民”开始畅想“星际居民”的生活 共同构筑起这个新的“宇宙大航海时代”
 1980年 Paul Benioff首次提出了计算机的量子力学模型 展示了量子计算机在理论上的可行性 之后，理查德·费曼等人提出 这些计算机或许可以被用来模拟量子系统 比如化学家可以模拟药物间的相互作用 生物学家可以研究蛋白质折叠的所有可能方式 但直到1984年 彼得·肖尔提出了大数因数分解的算法 才激发了人们对量子计算机的研究热情 到了2007年 耶鲁大学的物理学家 发明了transmon量子比特 这是一种基于超导电路的量子比特体系 用于充当人工原子和量子计算的最小单位 如今，IBM和谷歌两家公司 都开发出了超过50个量子比特的量子计算机 这些机器在处理某些问题时的速度开始超过传统计算机 2019年10月，谷歌正式宣布实现量子霸权 早在2017年 提出“量子霸权”一词的John Preskill就宣布 我们已经进入了一个量子计算的新时代 这个新时代被称为“嘈杂中型量子（NISQ）”时代 或许再过几十年的时间 量子计算机将全面超越经典计算机 目前，它们非常容易因外界的振动或辐射而失去量子特性 因此仍然可能产生错误的结果 研究人员正致力于实现误差校正 将多个量子比特结合在一起 创造出一个不易出错的“逻辑”量子比特 物理学家梦寐以求的真正“容错”的量子计算机 可能需要数百万个量子比特才能实现 改写人类的起源  在这个十年中 我们发现了令人惊叹的古人类完整头骨化石 通过更先进的技术手段确认了已知化石的年代 我们不停地找到新的“远古亲属” 让人类的进化之树变得更加枝繁叶茂 人类学家认为 我们的智人（Homo sapiens）祖先 与其他人类物种的接触比过去以为的要多得多 今天，人类的演化看起来并没有那么像达尔文的进化树 而是更像一条泥泞蜿蜒的溪流 2010年 古人类大家庭又迎来了一种新的南方古猿 发现它的古人类学家Lee Berger 将它命名为南方古猿源泉种（Australopithecus sediba） 五年后 这位古人类学家宣布 南非“人类的摇篮”洞穴系统包含了 一个新物种的化石——纳莱迪人（Homo naledi） 这种古人类的解剖结构曾让科学家一度误以为它们十分原始 但一项后续研究却显示 纳莱迪人出人意料地“年轻” 为它们的身世更增添了一层神秘色彩 古人类的发现在亚洲同样收获颇丰 2010年 一个研究小组宣布 从西伯利亚一根古老的细骨中提取的DNA 与任何现代人的DNA都不同 这是现在被称为“丹尼索瓦人”的神秘血统的第一个证据 2018年 中国出土了距今210万年的石器 证实了工具制造在亚洲的出现比曾经认为的早几十万年 2019年，菲律宾的研究人员 发表了吕宋人（Homo luzonensis）的化石研究 这是一种与印度尼西亚的佛罗勒斯人（Homo floresiensis）相似的古人类 在苏拉威西岛上新发现的石器早于现代人到达这里的时间 这表明东南亚的岛屿上或许还存在第三种身份不明的人类 人类进化的故事远比我们想象的复杂 我们可能才读到故事的一段而已 AI崛起  2010年之前 AI似乎还是科幻电影的专属 那时人们还没有开始担心 在不久的将来AI会取代他们的工作 如今，情况已经大有不同 AI大多使用一种被称为机器学习的技术 即计算机通过钻研数据进行自主学习 更确切地说 AI在过去十年的主要发展集中在一种机器学习上 那就是深度学习 深度学习模仿了神经元在大脑中的工作方式 2012年，谷歌的计算机被要求 通过成千上万的猫的视频“在线吸猫” 借助深度学习 最终它终于学会了认猫 在这个十年里 AI在更多游戏上战胜了人类顶尖玩家 围棋AI AlphaGo的人机大战是最具划时代意义的 围棋由于其复杂性一直被认为是“最后一道堡垒” 2015年，AlphaGo (Fan) 击败了法国职业二段围棋棋士樊麾 围棋人机大战正式开始 之后的两年间 AlphaGo (Lee) 和AlphaGo (Master) 分别战胜了 代表人类围棋最高水准的两位世界冠军李世石与柯洁 AlphaGo没有止步于此 它仍然在继续进化 同样是在这个十年中 AI成了我们生活和工作上的助手 2011年起，苹果、谷歌、微软等巨头 先后推出了智能手机上的虚拟助手软件 这些智能助手可以使用自然语言回答、提出建议 并识别和执行指令 在科研领域 利用机器学习 AI已经帮助研究人员加速研究的各个环节 AI的崛起使一些人开始担忧 有一天我们是否真的会被AI取代？ 基因魔剪  如果说21世纪有一项技术 在各种意义上深刻地改变了人类 或许不少人会第一个想到基因编辑 在近十年中 人类精准编辑DNA的能力获得了巨大提高 基因编辑系统CRISPR-Cas9在其中功不可没 CRISPR技术以细菌的免疫系统为基础 Cas9就是CRISPR技术中的一种 或修正基因中造成遗传疾病的突变 进入21世纪以来 全球多个研究团队你追我赶 在相关技术和理论方面都取得了进展 2012年 Virginijus Siksnys团队 以及Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna团队 都清楚地认识到了CRISPR-Cas9在生物技术上的潜力 两个团队递交论文及论文发表的时间 前后相差不过几个月 2013年 张锋团队成功地利用这项技术 对真核细胞（小鼠和人类细胞）进行了基因编辑 竞争由此变得更加激烈 科学家不断提高CRISPR-Cas9系统的精确性及效率 并尝试应用在医学、农业等多个领域 从治疗癌症到编辑胚胎中致病性的基因突变 再到革命性地改变食物生产 CRISPR应用的广泛程度是惊人的 尽管人类可以从CRISPR-Cas9等基因编辑技术中受益无穷 但它同时带来了巨大的困境 如何更好地利用这种技术 将是我们所需要关注和讨论的 揭开古人类的遗传秘密 代  DNA是一种改变古人类学（甚至古生物学）的分子 随着基因测序技术的指数级发展 在过去的十年里 古人类学从“野外挖土”逐渐向更多的实验室分析转变 借助先进的技术 我们在理解过去的基因是如何塑造现代人类方面也取得了飞跃性的进展 2010年 研究人员发表了第一个接近完整的古智人的基因组测序结果 开启了我们研究祖先DNA的革命性十年 来自成千上万个个体的数据 让我们对人类物种的起源和早期历史有了新的见解 从那时起 已经有超过3000个古基因组被测序 包括著名的Naia Naia是一个1.3万年前在墨西哥去世的年轻女孩 她的遗骸是在美洲发现的最古老的完整人类骨骼之一 同样是在2010年 科学家首次公布了尼安德特人基因组测序的初步结果 提供了第一个确凿的基因证据 证明所有非洲以外的现代人都有1%-4%的尼安德特人基因 另一个来自基因惊人的发现是“混血”女孩的身世 对一块9万年前的骨骼化石的基因测序表明 它属于一位十几岁的女孩 她的母亲是尼安德特人 而父亲则是丹尼索瓦人 她也成了被发现的第一位的“混血”古人类 在另一项研究中 科学家将丹尼索瓦人的DNA与化石蛋白质进行了对比 确认丹尼索瓦人曾经生活在青藏高原 从而扩大了这个神秘人种的生活范围 在当时的地球上 我们的智人祖先 和至少两种古人类生活在一起 他们之间还有很多秘密 等待我们通过基因发掘出来 “一无所获”的危机  电子、夸克、中微子、光子...... 这些我们耳熟能详的粒子 有着有悖于常理的行为方式 标准模型 是描述这些粒子的核心理论 它是有史以来最成功、最精确的一个理论 但在10年前 它还缺失了一块核心的拼图 回到上世纪60年代 当时有一些理论 可以很好地描述着我们的宇宙 但它们遇到了一个问题 这些理论预测了 一些已知有质量的粒子 应该是无质量的 为了解释这个难题 物理学家提出了一种可以使质量出现的机制 但这种机制要求一种全新的粒子存在 这种粒子被称为希格斯玻色子 在那之后的几十年里 物理学家陆续找到了一系列基本粒子 比如六种夸克、胶子、W和Z玻色子等 但一直无法找到希格斯玻色子的踪迹 10年前 当大型强子对撞机（LHC）正式运行时 所有人都对它给予厚望 在一个圆周为27千米的圆形隧道内 粒子会被加速至接近光速 当两束粒子相遇碰撞时 会产生大量新的粒子 物理学家希望在其中发现希格斯玻色子 2012年7月4日 一场发布会吸引了全世界的关注 LHC背后的科研团队宣布 他们找到了希格斯玻色子的确凿证据！ 这是标准模型的高光时刻 狂欢之后 物理学家陷入沉思 他们深知这一胜利并不意味着终结 因为标准模型本身只是宇宙拼图的一块 还有许多问题是标准模型无法回答的 当我们回顾这十年的时候 人们很容易聚焦在希格斯玻色子的胜利上 但物理学家更希望看到的是 在LHC的能量范围内 能够找到超越标准模型的新粒子 然而，无论是LHC还是其他的大型实验 都没有找到暗物质粒子、超对称粒子...... 在这10年中出现了几次有趣的信号 但最终也都消失了 这一无所获的几年间 一些物理学家开始焦虑 甚至觉得粒子物理学遇到了危机 但也有人认为 我们需要的是足够多的耐心 整理：原原 设计：岳岳 封面图来源：Robert McCall / NASA
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