2018年十大国际科技新闻解读：“幽灵粒子”起源、火星液态水

[ 摘要 ]2018年的十大国际科技新闻，再次向我们证明了人类思维的深刻和创造能力的无穷：石墨烯旋转特定角度可变超导体、精确定位“幽灵粒子”起源、首次造访小行星并发现水。

科技创新发现，改变着地球上的生活并改变着我们对现实的看法。这些成果正在为无数科学家提供灵感，带领他们继续突破人类能力的极限。

1、49量子位超导测试芯片交付

又一家科技企业接近实现“量子霸权”目标。

英特尔公司今年宣布，已成功设计、制造并交付49量子位超导测试芯片“Tangle Lake”，这一名字源于阿拉斯加湖泊，意指这些量子位需在极冷温度等条件下工作，其将使研究人员能评估和改进纠错技术，并模拟一些计算问题。

计算界“新秀”——量子计算潜力巨大，当前最好的超级计算机需数月或数年才能解决的问题，比如药物开发、金融建模、气候预报等，未来的量子计算机有望在较短时间内解决。

“量子霸权”被认为是量子技术发展史上的一个奇点。“量子霸权”指量子计算机的计算能力超过传统计算机，实现对于传统计算机的“霸权”。有观点认为，超过50（左右）量子位后，量子计算机的能力将一骑绝尘，令传统计算机望洋兴叹。目前，“量子霸权”已引英特尔、IBM和谷歌等巨头竞折腰。IBM去年底宣布成功研制出一款50量子位处理器原型；谷歌也计划很快推出49量子位产品。

理想很丰满，现实却很骨感，目前量子计算仍处于初期阶段。业内人士估计，量子计算离解决工程规模问题或许还有5—7年；而要想具有商业实用价值，可能需要100万甚至更多量子位。

“实现霸权”的量子计算机将掀起怎样的“腥风血雨”？且拭目以待。

2 、弯曲空间内首次实现激光束加速

这是曲面加速光束的第一次演示，操作却很简单，通过向白炽灯泡壳内发射激光得以实现。

美国和以色列物理学家团队今年实现了光束轨迹偏移。此前，科学家已经证实光束可以在平坦表面上被加速，加速度使其沿着弯曲而不是直线的轨迹行进。新研究发现，被加速的光束也并非沿着测地线（又称大地线或短程线，可定义为空间中两点的局域最短或最长路径）移动，而是发生了偏移。

平面加速光束的轨迹，完全由光束宽度决定，而新研究表明，曲面加速光束的轨迹，由光束宽度和表面曲率共同决定。

这个看似“莫名奇妙”的实验，其实是突破性的，它拥有各种各样的潜在应用，其中之一就是模拟广义相对论现象，以进一步研究诸如引力透镜效应、爱因斯坦环、引力蓝移或红移等现象。此外，它还能提供一种新技术，用于控制血管、微通道和其他弯曲环境中的纳米颗粒。

这仅仅是个开始，这个联合团队现已着手研究光线在极薄的弯曲膜中传播的可能性。

3 、两层石墨烯旋叠可变超导体

根据1957年的超导电性理论，某些材料能够以零电阻导电。然而，许多材料表现出所谓的非常规超导电性，无法用该理论解释。

今年，美国麻省理工学院科学家发现，当两层石墨烯以1.1度的“魔角”旋转叠加在一起时，可模拟被称为铜酸盐的铜基材料的超导行为。也就是说，研究团队在两层石墨烯中发现了新的电子态，其可以简单实现绝缘体到超导体的转变。

这种“神奇角度”石墨烯除了会形成超导态，还会形成另一种电子态。在同时发表的第二篇论文中，团队展示了交叠的双层石墨烯系统会出现一种新的绝缘态——莫特绝缘体态。

两个系统可以通过改变旋转角度和电场来轻易调整。这意味着，该成果将提供一个全新的二维平台，以供科学家们理解曾长期困扰物理学界的高温超导电性的起源问题，并打开了一扇研究非常规超导体的大门，同时也为全新电学性能的开拓和工程化铺平道路。

这一发现轰动业界，被称为石墨烯超导的重大进展。更令人惊讶的是，在传说中毙稿率高达90%的《自然》杂志上连发两篇论文的第一作者，年仅22岁，他就是年轻的中国物理学家曹原。

4 、“基因剪刀”首次让皮肤细胞变身干细胞

2006年，格莱斯顿研究所的山中伸弥，用4种被称为转录因子的关键蛋白处理普通的皮肤细胞，制造出了诱导多能干细胞，标志着未成熟的细胞能够发展成所有类型的细胞。在上述研究基础上，格莱斯顿团队不使用转录因子，而是通过向细胞添加化学品混合物，制造出了诱导多能干细胞。

而在2018年的研究中，格莱斯顿团队提供了制造诱导多能干细胞的第三种方法——使用CRISPR基因调控技术，直接操纵细胞的基因组，将老鼠的皮肤细胞变成了诱导多能干细胞。新方法不仅有助于科学家更方便地获得重要的细胞，也能进一步了解细胞的重编程过程。

其实，诱导多能干细胞就像胚胎干细胞一样具备分化成多种细胞的潜力，可用于修复受损的组织和器官。而“基因剪刀”则能精确查找一串代码在基因组中的位置，进行删除或修改。

现在的新方法与之前的截然不同，可帮助人类更简单快捷地制造出诱导多能干细胞，未来也能将皮肤细胞直接重编程为心脏细胞或脑细胞等，它为治疗多种疾病提供了巨大助力。

5 、科学家首次精确定位“幽灵粒子”起源

2017年9月，来自太空的一个高能中微子横穿南极洲“冰立方”中微子天文台，一石激起千层浪，科学家争相为其追本溯源。今年7月，数十个科研团队在《自然》《科学》杂志撰文称，这个“落入凡间的精灵”可能源自一个距地球约37.8亿光年的耀变体（Blazar）。耀变体是由星系中央的巨大黑洞吸积大量物质而产生的剧烈天文现象。

科学家称，产生中微子的耀变体可帮助解决天文学的一个百年谜团：不时拜访地球的宇宙射线从何而来？

宇宙射线是由宇宙中的“爆发事件”抛射出的带电粒子（主要是质子），是自然界中能量最高的粒子。100多年来，科学家一直希望找到其源头，但通过对其行进路径进行反向追踪不可能做到，因为在抵达地球前，其飞行路径已被地球磁场严重扭转。

但无论宇宙射线起源何处，有“幽灵粒子”之称的高能中微子都很可能与其“相依相伴”。中微子几乎没有质量，并可以保持稳定不变，这使其成为研究宇宙射线的极佳“信使”。中微子给科学家指出了一条穿越迷雾的路，不过，关键是要在它们抵达地球时捕捉到它们。

主要科学目标是借助中微子寻找高能宇宙射线起源的“冰立方”天文台此次立下大功。如果结果正确，那么，这个耀变体可能是宇宙射线首个“验明正身”的来源。

6 、火星极地冰盖下存在液态水

“没有水，就没有生命。”至少在目前，当人们寻找地外生命时，这仍是圭臬。

2015年，火星勘测轨道飞行器告诉我们，红色星球的沟壑，很可能是高浓度咸水流经所产生的，这是火星存在流动液态水“迄今最强有力证据”。但还不是实证。

直到今年，意大利科学家报告在火星上首度发现了一个地下盐水湖，这座湖位于火星南极冰盖之下，直径约20千米。研究人员称，这是火星首次发现持久水体存在的痕迹，解决了关于红色星球是否存在液态水的旷日持久的争论。

这处水体的发现，不仅仅是增加了人们对火星上存在生命的期待。

从长远角度来看，火星虽然温度不太好、大气不太足，但也不会像一些奇葩的星球那样完全不可改造，且火星与我们距离适当，表面积也与地球的陆地面积相当，当人类考虑到移民外星球时，火星经常是第一选择。现在，液态水的发现使这种情况变得更加可能。

从近处来说，这对科学家利用冰盖解读火星气候变化历史十分关键，是未来数年天体生物学研究的科学目标，同时，它也将是本世纪人类登陆火星前，基地建设的最重要资源。

7 、反氢内基准能量跃迁首次实现

物理学中最大的谜团之一就是：反物质去哪儿了？

物理定律表明，宇宙大爆炸产生的巨大能量应该创造了等量物质和反物质。等量物质和反物质相遇，就会“同归于尽”，但大爆炸之后到现在，宇宙仍充满由物质组成的各种天体。既然物质还在，那反物质去哪儿了？

氢原子最简单，所以反物质研究由反氢原子开始。

100多年前，科学家首次在氢原子内观察到其最基本、最重要的跃迁——莱曼-α（Lyman-alpha）跃迁，即当氢原子的一个电子从低轨道转移到高轨道时，会发出一系列紫外线辐射。

8月22日，加拿大和欧洲核子研究中心（CERN）的物理学家在《自然》杂志撰文称，他们首次在反氢原子内实现并观察到了莱曼-α跃迁，向冷却和操纵反氢原子迈近了一步，有望开辟反物质科学的新时代。

操控反氢原子有何意义？从理论上来说，500克反物质产生的破坏比世界上最大的氢弹威力都要大，虽然科学家已能制造并抓获反物质，但其存在时间太短，且代价太过昂贵。反物质如能操控，将能成为人类用之不竭的新能源！

8、 科学家造出全新光物质形式

光学行为能“弯曲”物理规则吗？

光子作为几乎没有质量的基本粒子，是一种“超然”的存在——如果你把两束激光相对，光子只会连个招呼都不打，互相穿过。但在2013年，麻省理工学院和哈佛大学的联合团队，让光子相互作用产生一种物质形式，人们不知道它是什么，都说这就像一个真实版的“光剑”——光束之间会彼此推拉产生对抗。

2018年，仍然是这个团队在《科学》上发表论文，宣布他们实现了三个光子之间相互作用，即粘在一起形成了此前未被观察过的一种全新光子物质。

研究人员发现，利用弱激光照射，它们不是作为单个、随机分离的光子通过致密的超冷铷原子云，而是成对或者三个光子结合在一起——这表明在光子之间发生了相互作用。结合后的光子，实际上得到了电子质量的一部分，这些有质量的光粒子传播速度变慢，比没有相互作用的常规光子速度慢10万倍。

这个团队的“主业”，其实是量子计算机的研究。他们的实验结果告诉人们，光子确实可以相互吸引或者彼此缠绕；并且，如果它们可以其他方式相互作用，那么未来一定会被用于超快的量子计算以及由光组成的复杂晶体中。

9 、人类探测器首次造访小行星“贝努”

我是谁？从哪里来？要到哪里去？人类所有的追寻，都只不过是回答这三大“天问”的尝试。

我从哪里来？也就是生命如何起源的？传说约45亿年前，太阳系刚刚形成，地球还是一颗充满熔岩的星球，恍如地狱。突然，一颗不知“乡关何处”的小行星“误入藕花深处”，闯入太阳系，与地球进行了一次猛烈的撞击。这次撞击引发的“蝴蝶效应”可能带来了有机物和水，为地球提供了孕育生命的关键条件。

小行星是约45亿年前太阳系形成时遗留下来的碎片。有科学家认为，对小行星样本进行原子级分析有望为上述假说提供重要证据。于是，2016年，美国国家航空航天局（NASA）肩负重要使命的“源光谱释义资源安全风化层辨认探测器”（OSIRIS-Rex）朝小行星“贝努”（Bennu）整装出发了。

12月10日，NASA兴奋地宣布，OSIRIS-Rex发现小行星的岩石外表下暗藏着由氢分子和氧分子组成的羟基的踪迹，这使直径500米的“贝努”具有孕育生命的潜力，或许也蕴藏着关于地球生命起源的线索。

2023年，探测器会将这些物质的样本送回地球，届时，科学家将获得与太阳系历史和演化有关的宝贵资料，帮助人类进一步认识地球的过往与未来、更好地洞悉生命的起源。

10、 嫦娥四号探访月背

12月8日2时23分，中国的嫦娥四号乘坐长征三号乙运载火箭成功发射升空，将于明年1月进行月球背面软着陆和巡视勘察。如果成功，它将实现人类历史上首次在月球背面投放着陆器和月球车；同时也将实现国际首次地月拉格朗日L2点的测控和中继通信。

谁不曾仰望苍穹星海，渴望穷尽宇宙的奥秘？月球这颗陪伴了地球40多亿年的邻居，自古以来就寄托了国人团圆和满之愿景，国人也因此对它多了一份感性。

但正如东汉王充在《论衡》中指出的：“涛之起也，随月升衰。”由于引力的潮汐锁定效应，月球只有一面朝着地球，从未有人见过月球背面，这给其蒙上了一层神秘面纱。且因为月球本身的阻隔，任何飞行器到达月球背面区域后会失去通信能力。

面对如此神秘的月之背，中国在今年5月成功发射了“鹊桥”中继卫星，为嫦娥四号探测器与地面测控站之间搭建了一座传输信号与数据的桥梁。

嫦娥四号此次背负着勘探艾特肯盆地——冯·卡门陨石坑的重要使命，该陨石坑被认为是月球最古老的撞击特征。而此次前所未有的太空探秘旅程，将为人类了解月球、地球、太阳系的演化提供第一手数据和线索。

它也为太空探索注入了新的激情与活力。欧洲空间局（ESA）相关人员称，嫦娥四号着陆器和月球车预计会对月球的组成和历史产生新的认知，将是解开月球奥秘的一个里程碑。