来源:EurekAlert!中文版 发布时间:2010-12-17 10:27:09
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《科学》评出2010年十大科学突破
对宏观物体量子效应的首次观测列居榜首
 
在今年之前,所有的人造物体的移动都遵循经典力学的法则。然而,在今年3月,一组研究人员设计了一种精巧的装置,其运动方式只能够用量子力学来描述(量子力学是一组支配如分子、原子及亚原子颗粒等细小物体运行的法则)。为了表彰他们的实验在概念上的拓展、其独创性以及它的众多的潜在用途,《科学》杂志称这一发现是2010年最重大的科学进展。
 
加州大学圣巴巴拉分校的物理学家Andrew Cleland 与John Martinis设计了这一机械:一个人们可用肉眼看到的极其细小的金属半导体桨状物,并巧妙地使它按照量子规范舞蹈。首先,研究人员将该浆状物冷却至其“基态”(即量子力学所允许的最低能态,这是物理学家长期以来所追求的目标)。他们接着将该装置的能量提高一个量子以产生一种纯粹的量子力学的运动状态。他们甚至设法将该装置同时进入到两种能态,因此该装置在同一时间会有微小的振动及很大的振动,这种奇怪的现象在量子力学的奇怪法则中是允许出现的。
 
《科学》杂志及其发行机构——美国科学促进会(AAAS)认为,这一首创的量子机械是2010年的年度突破。它们还将过去的这一年中的另外9个重要的科学成就汇编成今年的10大科学成就,该榜单出现在《科学》杂志2010年12月17日刊的一个新闻专版中。  
 
《科学》杂志的一名新闻作者Adrian Cho说:“今年的年度突破所代表的是科学家们第一次在一种人造物体的运动中示范了量子效应。这在概念层次上来说非常酷,因为它将量子力学扩展到了一个全新的领域之中。在实用的层面上,它开启了多种可能性:从将光量子调控以及电流和运动相融合的新实验到也许某一天人们可以测试量子力学的界限以及我们的现实感。”
 
量子力学证明,量子力学原理适用于大到肉眼可见的物体的运动以及原子和亚原子颗粒的运动。它为人们朝着在量子水平获取对一种物体的振动的完全控制的方向迈出了关键性的第一步。这种对某种人造装置的运动控制将允许科学家们操控那些极小的运动,这很像他们现在对电流和光粒子的控制。这种能力转而可能会导致控制光量子态、超敏感力探测器等新装置的出现以及最终的对量子力学的界限和我们的现实感的研究。(最后的这一宏伟目标可以通过尝试将一个肉眼可见的物体放入到一个能态中来完成;在这一能态中,该物体可同时直接处于2个略微不同的地方——这一实验可准确地披露为什么大到像人这样的物体不可能同时出现在两个地方。)
 
Cho说:“请注意,物理学家还没有达到让一个像这样细小的物体同时出现在两个地方的境界。但现在他们已经进入到量子运动的最简单的状态;看来做到它要比过去容易得多了:这更像是一个‘什么时候可做到’而不是‘是否能做到’的问题。”
 
《科学》杂志2010年的其它9大开创性成就的名录如下:
 
合成生物学:在生物学和生物技术的一个决定性时刻,研究人员构建了一个合成的基因组,并用它转变了一种细菌的身份特性。该基因组取代了该细菌的DNA,使其生产出一组新的蛋白质——这一成就促使国会对合成生物学召开了一个听证会。研究人员预计,将来,定制的合成基因组可用来产生生物燃料、医药品或其它有用的化学制品。
 
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尼安德特人基因组:研究人员对在3万8000年至4万4000年前曾经生活在克罗地亚的3个女性尼安德特人的骨头做了尼安德特人的基因组测序。对DNA降解片段进行测序的新方法使得科学家们能够第一次对现代人基因组与我们的尼安德特人祖先的基因组进行直接的比较。
 
HIV预防:对预防HIV的两种不同且新颖的方法的试验报道了所取得的不容置疑的成功:一种含有抗HIV药物泰诺福韦(tenofovir)的阴道凝胶可使女性中HIV的感染减少39%,而一种口腔预先接触的预防法可令一组与男性发生性关系的男子和变性女子的HIV感染减少43.8%。
 
外显子组测序/罕见疾病基因:通过只对某一基因组中的外显子(或者说是那个极小的实际编码蛋白质的基因组部分)进行测序,研究罕见遗传性疾病的研究人员能够发现造成至少12种疾病的特别的基因突变;这些遗传性疾病是由某个单独的有缺陷的基因引起的。
 
分子动力学模拟:模拟蛋白质在折叠时的旋转一直是一种组合上的噩梦。如今,研究人员利用了世界上最强力的电脑之一的能力来跟踪在一个小的正在折叠的蛋白质中的原子运动,其能跟踪的时间要比过去任何一种方法都要长100倍。
 
量子模拟器:为了描绘在实验室所看见的情况,物理学家根据方程式推出了一些理论。这些方程式可能极其难以解出。但是在今年,研究人员通过量子模拟器发现了一条捷径——即在人造的晶体中,激光光点扮演着截留在光中的电子位置的离子和原子的角色。这些装置给在凝聚态物理学中的理论问题提供了快速的答案,它们可能最终会帮助人们解决诸如超导性等的谜团。
 
 
下一世代的基因组学:更快更廉价的测序技术使人们能够对远古和现代的DNA进行非常大规模的研究。例如,1千个基因组计划已经发现了令我们人类独一无二的基因组变异——而其它正在进行中的计划一定还会披露更多的基因组功能。
 
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RNA的重新编程:重新编程细胞——即将细胞的发育时钟回拨,使其表现如胚胎中的非特异性的“干细胞”——已经成为一种研究疾病和发育的标准实验室技术。今年,研究人员找到了一种用合成RNA来做这一工作的方法。与以往的方法相比,这种新的技术的速度要快2倍,功效要高100倍,并在治疗应用上可能更为安全。
 
科学网相关报道:重编程所获iPS细胞仍具原始信息
 
大鼠的回归:小鼠统治着实验室的动物世界,但研究人员为了诸多目的而更愿意用大鼠。人们更容易用大鼠来做实验,而大鼠在解剖上也与人类更加相似;但大鼠的重大缺陷是:用以制造“基因分离小鼠”——在这些动物中根据研究需要而将其某些特定的基因准确地关闭——的方法在大鼠中无效。然而,今年有一系列的研究承诺会给实验室带来大批的“基因分离大鼠”。
 
科学网相关报道: 《科学》:首个基因靶标剔除大鼠培育成功
 
更多阅读
 
《科学》杂志相关专题(英文)
 
 
 
 
 
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