来源:科技日报 发布时间:2013-2-4 9:38:47
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这一年,我们一起追过的科学新闻
美《科学新闻》盘点2012年25大科学故事

①希格斯粒子的发现有助于对物质的理解
 
2012年过去了,但美国《科学新闻》杂志的编辑们并没有忘记那些曾让他们夜不能寐的科学故事。
 
在这份年度最佳科学新闻榜单上,前两个故事曾让小编们通宵达旦地加过班:2012年7月4日凌晨,他们在网上收看视频直播,那一边在日内瓦,物理学家们正在举行发布会,宣布发现了科学家们梦寐以求的希格斯玻色子;接下来的一个月中,小编们又熬了个通宵,这次则是美国国家航空航天局(NASA)的“好奇号”探测器于8月6日一早(美国东部时间)登陆火星。
 
当然,也有一些夺走小编美梦的故事,则是因为它们的可怕影响。2012年6月,研究人员在两份争议性论文中描述道,禽流感病毒非常容易发生突变,以使其能够通过空气传播。如果全球流感大流行还不足以让小编们睁眼到天亮,那么剩下的就只有气候变暖了,气候变暖已从一个遥远未来的理论问题,变成明确和现实的危险。一些最新研究将今年创纪录的热浪和干旱与人类活动造成的气候变暖挂上了钩;2012年9月,北冰洋的海冰覆盖面积已创下史上最小纪录,比此前的纪录减少了近20%。
 
不只是焦虑和恐惧让小编们辗转反侧。其他故事之所以能够登上榜单,是因为它们让小编们昏昏欲睡的脑袋中充满了令人着迷的问题:我们很快就能去在半人马座阿尔法星系发现的、离我们只有几光年远的星球参观访问吗?是什么导致了人类与尼安德特人相遇并交配,这个奇特亲戚的DNA(脱氧核糖核酸)在现代人的基因中已经终结了吗?
 
这里只有一个故事似乎不值得小编们为此损失他们的睡眠。尽管考古学已提出相反的证据,但一些现代神秘主义者仍然声称,古老的玛雅预言将在2012年12月21日准时到来。不过,现在可以肯定的是,我们已安然度过这个“世界末日”。
 
1.希格斯粒子的发现有助于对物质的理解
 
梦寐以求的玻色子使物理学标准模型功德圆满
 
为一场物理学讲座召集满满一屋子人已经够难的,更别说通宵排队了。但在2012年7月3日晚上,位于日内瓦附近的欧核中心(CERN)主礼堂外,科学家们却牺牲自己的宝贵睡眠排起了长队。他们的目标只有一个,那就是抢一个席位,准备亲耳聆听美国加州大学粒子物理学家乔·因坎德拉宣布这些年来最重大的一则物理学新闻。
 
第二天早上9时,主礼堂内水泄不通,因坎德拉以成堆的图形图表开始演说。他解释说,数据中的光点代表质子束在CERN庞大的粒子对撞机中与另一个相撞时会发生什么情形。这个数据中埋藏着的一个光点,代表着科学家们多年来一直在苦苦追寻的亚原子——希格斯玻色子。
 
因坎德拉没有让人失望,他告诉焦急的观众:“我们已经看到了,它是比较明显的。”他点击到下一张幻灯片,光点变大了。它就是希格斯粒子。房间里爆发出热烈的掌声。
 
在许多方面,CERN的那一刻达到了数十年科学追问的顶峰。发现希格斯粒子意味着物理学家们终于可以成功地解释为什么宇宙看起来会是现在这幅模样。他们基于亚原子尺度的宇宙框架终于得以圆满。
 
现在,大多数科学家认为,有了希格斯粒子的存在,他们就能开始描绘未知的领域,从空间和时间的额外维度到数量巨大的伴随着已知粒子的各种神秘粒子。
 
希格斯粒子是重要的,因为它有助于解释质量。它以及与之密切相关的希格斯场是宇宙在大爆炸后没有保留海量无质量粒子的原因所在。
 
宇宙诞生后仅仅几纳秒,一个渗透到所有空间的场就开启了,这就是希格斯场。突然之间,周围呼啸而过的某些粒子撞上了希格斯场,如弹珠滚过蜂蜜般放慢了速度。这种减速赋予其质量。一旦它们有了质量,并能适当地结合在一起,这些粒子就能凝聚成原子和分子,从而形成从恒星到人类的一切事物。
 
但仅有某些粒子能减速,像光子这样的其他粒子,可顺利地通过希格斯场,因此仍然没有质量。
 
所以,难怪物理学家花了这么长的时间来追寻希格斯粒子。但是,科学家们无法直接指认希格斯场,他们只能通过检测希格斯玻色子来推断它的存在。玻色子是一种与力紧密相关的粒子类型,希格斯玻色子也与希格斯场相伴相生。
 
在宇宙大爆炸140亿年后的今天,观察希格斯玻色子的唯一途径,就是在粒子加速器中通过高能撞击产生一个这样的粒子。几十年来,没有人能拥有足够强大的机器来生成所需的能量。
 
美国费米实验室的粒子加速器Tevatron进行过尝试。根据爱因斯坦方程“E=MC2”,能量和质量是可以互换的。以足够高的能量,或者说以接近光速轰击两个粒子,就可能造成更大质量粒子的出现。
 
Tevatron实验帮助科学家缩小了希格斯粒子可能拥有的质量范围,但它仍没有让CERN的大型强子对撞机松上一口气。每万亿次的质子碰撞,也许只有一次能创建出罕见的、不稳定的希格斯粒子,因为它能迅速衰变为其他类型的粒子。
 
从500万亿次质子碰撞的碎片烟雾中,两个探测器都曾独立地发现了希格斯粒子衰变的迹象。通过对粒子碎片进行逆向作业,科学家们计算出希格斯粒子大约拥有133个质子的质量。
 
为了证实自己看到了真正的希格斯粒子衰变,CERN的物理学家们制定了严格的统计标准。他们采用了5西格玛标准差,亦即每350万个机会中仅存一个统计误差。在CERN公布结果的那一刻,两台希格斯粒子探测器均独立地达到了5西格玛水平,此后统计强度得到增加,现在两个探测器均已在6到7西格玛之间。
 
目前的理论可预测希格斯粒子的一个非常具体的行为,但CERN发现的粒子是否符合这些行为特征尚未明确。新发现的粒子,或许只是希格斯粒子的一个近亲,而不是同卵双胞胎。科学家们几乎每天都在arXiv.org论坛上提交自己的论文,以探求一个非标准模型希格斯粒子可能意味着什么。
 
来自ATLAS(超环面仪器)项目组的最新结果发现,新粒子在质量以及衰变为双光子的速率等属性上与粒子物理学标准模型的预测有一定偏差——新粒子的质量比以其衰变为Z玻色子来计算要多大约3GeV(1GeV=10亿电子伏特)。这使得新粒子为“上帝粒子”的身份依旧存疑。
 
如果真是这样,物理学家们需要新的理论来研究这是怎么回事。这可能需要数年时间:他们的最佳工具——大型强子对撞机,预计于2013年年初关闭,升级时间将长达两年。但它重新归来时,其能量也会增加一半。这个能量足以使物理学家们从数种希格斯粒子的可能性中加以识别。也许最终的结果甚至变成不是一种,而是许多种希格斯粒子,每一种都拥有不同的质量。
 
火力全开的大型强子对撞机也许还能回答到目前为止对撞机最大的谜团:为什么寻找超对称粒子的实验迄今一无所获。超对称理论可以解释为什么希格斯玻色子的质量不是无限的。超对称也可能意味着,希格斯粒子本身也有其自己的大量超对称粒子。拥有更高能量,或可让大型强子对撞机探测到这些充满无限希望的粒子。
 
美国费米国家实验室的物理学家罗布·罗瑟说:“这不是故事的结局,而是科学新篇章的开始。”

 
②“好奇号”登陆火星
 
2.“好奇号”登陆红色星球
 
火星车寻找生命友好环境
 
一直受困于预算削减和航天飞机时代结束的NASA,在2012年8月总算打了一剂强心针。在美国加州帕萨迪纳的喷气推进实验室中,NASA的宇航任务指挥员们目睹了最新的“星际使者”安全降落火星的全过程。“好奇号”登陆红色星球,迅即点燃了空间科学爱好者的热情,数百万人在网上见证了这一壮举。
 
火星车的着陆过程,包括高超音速降落伞打开,然后在反推力火箭作用下下降,空中吊臂用尼龙缆绳将火星车降至红色星球表面。NASA喷气推进实验室将这一过程称为“恐怖的七分钟”。火星车的着陆由NASA电视网全程直播,2012年8月6日凌晨1:30火星车踏上火星土地的那一刻,在纽约时代广场大屏幕前观看直播的观众发出了阵阵欢呼。
 
美国总统奥巴马在给指挥中心的电话中,称赞科研团队正在超越地球探索广阔无垠的未知世界,他们是“美国知识和匠心”的最佳典范。
 
在开拓性的旅程完成后,“好奇号”现在已开始实施它的首要任务:寻找火星上过去或是现在对生命友好的环境。
 
项目科学家约翰·格勒青格说:“我们想要做的就是开始寻找宜居环境的特征。”任务的主要内容包括寻找有机碳及可给远古时代火星微生物供能的能量来源。2012年9月,火星车传回的证据表明,水曾经流过盖尔环形山的表面。在其完成的首次土壤分析中,“好奇号”发现了有机化合物,但这些有机化合物到底是起源于火星还是由火星车自己带来的还有待甄别。
 
现在,火星车正在去往埃俄利斯·蒙斯山的途中,该山由数十亿年的沉积物堆积而成,峰高约5500米。最终,“好奇号”会爬上这座山,并读取记录在火星岩石层中的悠悠历史。
 
格勒青格表示:“宜居问题并不只是观察火星上有没有水那么简单,要以更详尽的细节来重建当时的化学环境,要问问微生物是否可以一直存活在这样的地方。”
 
一个随车携带的“化学摄像机”(ChemCam)可对散落在火星表面的岩石成分进行分析。测量结果可对早期火星是否温暖、潮湿和能承载生命提供重要的线索。
 
“好奇号”的调查由在轨宇宙飞船进行监测,宇宙飞船传回的火星车空降到火星表面的影像,展现了喷射的背壳和被反向火箭烧焦的尘土。火星车也会发回“家庭明信片”,某些是自画像,另一些则是其捕捉到的特别熟悉而又完全不同的火山口景观。
 
但是,最好的图片应来自“好奇号”降落阶段拍摄的视频。随着航天器隔热罩的脱落,火星车腹部摄像机拍摄的视频,跟踪到了摆动、急降直到着陆的全过程,火星砂的扬起则是代表火星车着陆的最佳标志。
 
 
③禽流感论文备受争议
3.禽流感论文备受争议
 
研究虽已被冻结,但暗流仍在涌动
 
禽流感研究人员2012年曾自愿暂停了一项被认为对大众太过危险的研究工作。但此项禁令仅维持了短短60天时间,随着年底的到来,研究又开始死灰复燃。科学家们一直在为这些研究的意义争论不休,因为这些技术一旦落入不法分子手中,可能会传播致命的疾病。
 
研究之所以被中止,是因为在两项颇具争议的研究中,科学家们创造了H5N1禽流感病毒的变异版本。与原始病毒不同的是,新设计的病毒可通过空气在雪貂间传播,而雪貂在流感研究中通常作为人类的替身出现。美国政府的一个咨询小组认为,这些研究的危险性在于,恐怖分子可能会利用研究中的信息,创建和发动一场致命的流感瘟疫。
 
在这些研究中,两个研究团队在实验室中首先将H5N1病毒从一只雪貂传送到另一只雪貂,直到将之诱变成新的病毒变种,并可自动在雪貂间传播,此时这些动物会表现出打喷嚏或咳嗽症状。最初,由于这些病毒兼具传染性和致命性两大特点,美国政府的咨询小组建议,这两篇论文都不许发表。但这一裁决在2012年3月份发生了逆转,两篇论文在当年6月份都得以面世,一篇发表在《自然》上,另一篇发表在《科学》上。
 
是否允许出版的决定,最终落在了荷兰伊拉兹马斯医学中心罗恩·傅希耶实验室已感染空气传播病毒的雪貂能否存活上。自薛定谔猫以来,也许还没有一头动物的命运如此地引人关注。
 
在咨询小组的23名成员中,大部分人的结论是,因为雪貂还活着,变异病毒并未构成直接威胁。这些研究人员还认为,这两篇论文的发表给公共卫生官员提供了一个工具,使他们能够更迅速地发现新兴流行病,并加快疫苗和抗病毒药物的研发。
 
但咨询小组中的6名成员投下了否决票。他们认为,美国威斯康星大学河冈义裕研究小组的论文并不构成即时危险;但傅希耶的工作存在被滥用的可能性。咨询小组成员建议,傅希耶的研究成果如果要发表,只能提供节选版本,除了该病毒能在空气中传播的内容外,几乎删除了一切。
 
流感病毒工作的复杂性决定了,希望从流感病毒创造出生物武器的任何人都需要专门的培训。但是,拥有能创造空气传播的致命禽流感病毒技能的任何人,可在不了解这两个小组研究成果的情况下创建他们自己的禽流感病毒。流感已成为几乎失控的沉重武器。
 
出于对这两篇论文的忧虑,美国政府修改了其对双重用途研究(基础研究可被用于邪恶用途)的政策。2月,美国国家生物安全科学委员会提出了对从事这些工作的研究人员强化行为规范的方法。
 
包括傅希耶和河冈义裕在内的39名流感研究人员提出了暂停此类研究的倡议,并禁止那些使H5N1病毒更易传播,或增加其致病力(功能增益实验)的工作。科学家、公共卫生官员、安全专家和其他人员对此类研究不断地进行激烈争论。2012年夏天,美国政府提出了无限期中止的禁令。
 
作为《生物工艺学》杂志的编辑,纽约阿尔伯特·爱因斯坦医学院的微生物学家阿图罗·卡萨德瓦利受托编辑了一系列关于H5N1研究的文章。傅希耶、河冈义裕及其同事在该杂志上辩称,此类研究应该继续向前走,因为它会产生禽流感如何适应哺乳动物及如何遏制其传播的宝贵知识。也有其他研究人员加入了这场辩论,称应对实验室中的病毒加以控制,并采取安全措施。
 
“我们必须要向科学家们问一个他们还没有真正回答的问题,”卡萨德瓦利说,“我们从功能增益实验得到的信息是研究向前发展的关键吗?如果是的话,我们还能以任何其他方式得到这样的信息吗?”
 
④一名大脑植入芯片的瘫痪妇女用意念控制机器手臂端起了一杯咖啡并喝了一口
 
4.无敌金刚离现实越来越近
 
外科修复术和新的治疗方法使残障人士恢复活动、观看、行走的能力
 
配备上仿生学眼睛、手臂、腿和上世纪70年代的头发,经典电视连续剧《无敌金刚》中的主角史蒂夫·奥斯汀成了世界上首个仿生人,这些植入物使他如虎添翼,追回被盗原子武器,与外星人战斗并保护遇险的密码破译者。如今,现实生活已在开始追赶无敌金刚的脚步。2012年的仿生学突破之一就是,一名瘫痪妇女完成了自己的超人壮举:利用植入的大脑芯片,她用意念控制机器手臂端起了一杯咖啡,并通过一根吸管长长地、满意地啜了一口咖啡,这是近15年来她自己从来没有做过的行为。
 
在突破性的一啜后,因为中风而瘫痪多年的凯茜·哈钦森莞尔一笑,然后大笑起来。满屋子的科学家们报以热烈的掌声。
 
“我们正在进入一个非常激动人心的领域,我们可以开发各种非常复杂的技术,其在生物医学上具有实际应用价值,并能提高人们的生活质量。”瑞士联邦理工学院的生物工程学家格里高利·库尔蒂纳说,“这是一场革命。”
 
无论实验室内还是实验室外,今年是义肢部件表现最为抢眼的一年。在伦敦举行的奥运会和残奥会上,残疾运动员利用高科技炭素刀片驰骋百米赛场,利用微处理器控制的C腿平衡力投掷标枪。坐在轮椅里的人利用电池供电的机器人套装使其下肢处于良好状态。在一次摩托车事故中失去右腿的一名年轻男子,用意念控制下肢,爬上了美国芝加哥威利斯大厦的103级台阶。虽然这项技术目前仍处于开发阶段,成本之高也令许多潜在用户望而却步,但一些仿生部件已开始走出实验室,并首次进入临床。
 
称为“大脑之门”的脑机接口允许哈钦森利用她的意念来指挥机器手臂,这是数十年研究结出的硕果。20世纪60年代的猴子实验,首次将手臂动作与脑部特殊神经元的激活联系起来。2008年,科学家报告说,一个意念控制的义肢可让猴子给自己喂食。
 
另一个新的假体则可让那些患有黄斑变性或视网膜色素变性的人恢复部分视力。在欧洲市场现有的视网膜假体中,能滑入眼睛后面的芯片可与电线和线圈一起植入眼部。目前正在大鼠体内进行测试的这个新的视网膜植入体,仅需在视网膜下方植入纤细的光电芯片。该硬件的其余部分可纳入一个带有微型视频摄像头的高科技护目镜,它将把信息发送到一台智能手机大小的便携式计算机。护目镜片内的激光器接着将影像投射到眼睛,光电芯片再把信号发送给大脑。
 
库尔蒂纳团队的工作预示了一种不同类型的科幻般未来——一个人将不再需要仿生学。他们的研究显示了根本不用义肢就能恢复四肢功能的潜力。对脊髓进行药物和电击治疗,再辅以在跑步机上的物理治疗,因脊髓损伤而瘫痪的大鼠数周后恢复了行走、奔跑能力,甚至还能爬上楼梯。但不只是技术使这一壮举成为可能,研究表明,还有一种叫动机的无形东西也很重要。那些没有进行过诱惑治疗的大鼠从来就学不会走路,但当研究人员用巧克力诱惑大鼠时,奇迹就发生了。
 
 
 
 
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