十个科学关键词与科学的历程（下）

《自然》杂志，在其150周年特刊上发表了针对上千本研究期刊的数千万篇科学论文的引用情况和参考文献的分析考察，其中的关键词排序体现了独特的意义。从20世纪40年代至今，每10年（共计8个10年）抓取5个最常见的关键词，结果有10个词多次出现，它们不仅反映了科学家的研究兴趣和方向，更能体现从19世纪下半叶至21世纪近20年来科学发展的历程。整体而言，这10个科学关键词代表了科学研究从宏观到微观，从自然到对自身研究的重视与转移。

 

 

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量子（quantum）

量子概念是德国物理学家马克斯·普朗克于1900年提出的，他也因发现能量量子而获得1918年诺贝尔物理学奖。后来还有一系列关于量子的研究成果获得诺贝尔物理学奖：1932年，维尔纳·海森堡因创立量子力学获得诺贝尔物理学奖；量子力学的基本方程——薛定谔方程和狄拉克方程获1933年的诺贝尔物理学奖；1954年授予量子力学领域的基础研究成果；1965年授予在量子电动力学方面的基础性工作；1985年授予发现量子霍尔效应；2012年授予能够量度和操控个体量子系统的突破性实验手法。

 

以量子科学研究进入应用时代为标志，人称第一次量子革命，它为能源、信息科学、生命科学和材料科学做出巨大贡献。美国是第一次量子革命的领跑者，硅谷也被视为量子技术的结晶。

 

进入21世纪后，量子理论在通信和计算机领域得到长足发展，到达第二次量子革命的临界点。如果量子理论在计算和通信这两方面的应用有所突破，就能占有先机，赢得未来。美国IBM公司在2017年发布50个量子比特计算机样机；2018年，美国英特尔公司发布49个量子比特芯片；2018年，美国谷歌公司宣布推出一款72个量子比特的通用量子计算机Bristlecone。2016年，中国研制的世界首颗量子实验卫星“墨子”号成功发射，实现了千千米级星地双向量子通信。此外，人工智能和量子技术结合也是未来科技发展的一个重要方向。

 

 

 

07

水（water）

水在19世纪70年代至20世纪30年代持续成为《自然》杂志的科学关键词。生命起源于水，水又维持生命。对于水的科学研究在早期并没有成为一门单独的学科，而是散见于多个学科中，如农业、水电、化学、物理、地理地质、气候、天文、水文、水利、海洋、环境和生态中。水科学成为一门独立的成系统的学科起始于第二次世界大战后，联合国教科文组织成立了水科学司，其业务内容包括水文学问题和水资源问题。

 

现在的水科学学科涉及对水的开发、利用、规划、管理、保护、研究，因此，可以把研究与水有关的学科统称为水科学。具体而言，水科学是一门研究水的物理、化学、生物等特征，分布、运动、循环等规律，开发、利用、规划、管理与保护等方法的知识体系。涉及理学、工学、农学、医学、经济学、教育学、历史学、管理学等多个学科门类，还与多个学科交叉，如水文学、水资源、水环境、水安全、水工程、水经济、水法律、水文化、水信息、水教育等。

 

在19世纪末和20世纪上半叶，关于水的重大科学研究成果散见于其他学科研究中，如1901年诺贝尔化学奖授予发现了化学动力学法则和溶液渗透压。对于以水为研究核心的水文、水利和水资源等领域，主要与农业相关，如滴灌技术的延续和创造性使用。早期的滴灌系统见于中国最早的一部农书——《氾胜之书》。现代的滴灌是德国的实验结果，在20世纪30年代，滴灌系统主要用于欧洲的温室暖房里。直到20世纪60年代，以色列对滴灌进行创新应用，研制了硬韧防堵塑料管、接头、过滤器、电脑控制器等，做到减少蒸发、高效灌溉及控制水、肥、农药，使得以色列农业多年来的用水总量一直稳定在13亿立方米，农业产出却增加了5倍。

 

此外，20世纪以来，对水的研究主要是揭示降水与自然的关系。观测证据表明，全球季风降水有显著的年代际变化，如1901~1955年，季风降水显著增加，随后至1990年，季风降水显著减少。

 

 

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射线（ray）

射线是由各种放射性核素，或者原子、电子、中子等粒子在能量交换过程中发射出的具有特定能量的粒子或光子束流。常见的有X射线、α射线、β射线、γ射线和中子射线等。

 

可以说，射线研究贯穿了物理学研究的始终，很多射线研究都获得了诺贝尔物理学奖。从1901年颁给发现X射线（伦琴射线），到2006年颁给发现宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性，诺贝尔物理学奖迄今有24次颁发给了射线研究。

此外，就连诺贝尔化学奖、生理学或医学奖也有与射线研究有关的。1936年的诺贝尔化学奖授予通过对偶极矩以及气体中的X射线和电子衍射的研究来了解分子结构，1964年的诺贝尔化学奖授予利用X射线技术解析一些重要生化物质的结构。1946年的诺贝尔生理学或医学奖授予发现X射线辐射能够让基因产生突变的研究成果。

 

这些研究表明，射线既是物理学研究的内容，又是化学和医学研究的工具和内容，它们对于揭示物质世界、人体和生物的真相和规律至关重要，因此成为科学关键词。

 

 

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酸（acid）

酸是化学的主要研究对象。传统的定义是，当溶解在水中时，溶液中氢离子的浓度大于纯水中氢离子浓度的化合物就是酸。换句话说，酸性溶液的pH值小于水的pH值（25℃时水的pH值为7）。

 

酸可分为无机酸和有机酸两种。在《自然》杂志和其他科学杂志发表的论文中，主要是有机酸和与有机酸相关物质的研究成果，如核酸（DNA和RNA）、氨基酸和食物中的有机酸。另外，环境中的酸雨也属于酸（主要是无机酸）的研究。

 

诺贝尔化学奖有8次颁给有机酸和相关化合物的研究，如1927年颁给对胆汁酸及相关物质的结构的研究、1937年颁给对碳水化合物和维生素C的研究（维生素又称抗坏血酸）、1957年颁给核苷酸和核苷酸辅酶研究方面的成果。诺贝尔生理学或医学奖有3次是授予有机酸和相关化合物的研究：1937年授予发现维生素C和延胡索酸对生物燃烧的催化作用，1953年授予发现柠檬酸循环，1959年授予发现核糖核酸和脱氧核糖核酸的生物合成机制。

 

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太阳（sun）

早期的科学研究有不少围绕太阳进行，包括太阳光、太阳风、太阳黑子、太阳辐射等。如1870年《自然》杂志第2卷的一篇涉及太阳的文章——天空为何是蓝色的，引发了广泛而持续的研究。

 

作者认为也许因为太阳光是橙色的，所以天空中阳光照不到的地方自然会显现出橙色的互补色——蓝色。英国物理学家廷德尔则用“廷德尔散射模型”来解释，即波长较短的蓝色光容易被悬浮在空气中的微粒阻挡，从而散射向四方。但是，如果由水滴冰晶等微粒的散射造成天空的蓝色，那么天空的颜色和颜色的深浅应随着空气湿度的变化而变化，事实上没有。

 

1899年，物理学家瑞利发表一篇《关于光通过包含悬浮小颗粒的大气的传输以及天空蓝色的起源》的文章，指出“即使没有外来的微粒，我们依旧会有蓝天”。因为，根本不必求助尘埃、水滴、冰晶等空气中的微粒，空气本身的氧和氮等分子对阳光就有散射，而且也是蓝色光容易被散射。所以，空气分子的散射就可以让天空是蓝色的。但是，瑞利散射的条件是，假定空气是理想气体，空气中的分子都是自由和随机分布的，但事实上空气并非自由的气体。

 

1910年，爱因斯坦以当时刚刚发展的熵的统计热力学理论证明，哪怕最纯净的空气，也有密度的涨落起伏，而且还有不可消除的杂质。但是，空气本身的密度涨落也能散射，也是蓝色光容易被散射。而且，密度涨落的散射，不多也不少，正好能产生人们看到的蓝天。

 

所以，由《自然》杂志的文章提出的问题通过科学家们的接力，最终完成了对涉及阳光的蓝天的科学解释。诺贝尔物理学奖也有关于太阳研究的成果，1967年的诺贝尔物理学奖授予对核反应理论的贡献，特别是关于恒星中能源的产生的研究发现；1983年的诺贝尔物理学奖授予有关恒星结构及其演化的重要物理过程的理论研究。