2012年十大科学突破

美国《科学》杂志12月20日公布了 2012 年度10大科学突破(《科学》相关报道),科学家在难以捉摸的希格斯玻色子亚原子粒子研究领域取得的成果被评为2012年最重要的科学发现。

1. 希格斯玻色子

40多年前,科学家假定了希格斯玻色子的存在,它是解释其他基本粒子(诸如电子和夸克等)如何获取其质量的关键。

7月4日,科学家宣布找到了希格斯玻色子存在的证据,从而完成了粒子物理标准模型。该模型解释了粒子如何通过电磁力、弱核力和强核力相互作用以组成宇宙中的物质。然而,在今年之前,科学家无法解释这些基本粒子如何获得它们的质量。

《科学》新闻记者艾德里安表示,物理学家假设空间由与电场类似的“希格斯场”所填充。粒子与“希格斯场”相互作用以获取能量以及质量。“希格斯场”是由分布在真空中的希格斯玻色子组成,物理学家现在将它们从真空中轰出并进入短暂的存在状态。

但是,观察到希格斯玻色子可谓来之不易甚或代价不菲。在瑞士日内瓦附近的粒子物理实验室中,与造价高达55亿美元的原子加速器相伴的数千名研究人员借助两台巨型粒子探测器(ATLAS和CMS)发现了盼望已久的玻色子。

除希格斯玻色子的发现外,《科学》杂志及其发行机构美国科促会确认的本年度其他9项具有开创性的科学成就如下:

2. 丹尼索瓦人基因组

一种将特定分子绑定在DNA(脱氧核糖核酸)单链上的新技术帮助研究人员仅用一块远古人的小指骨碎片,就完成丹尼索瓦人完整的基因组测序。该基因组序列让研究人员能够将丹尼索瓦人——这是与尼安德特人密切相关的古老人类——与现代人进行比较。研究显示,该指骨属于生活在7.4万年至8.2万年之间的一个眼睛、毛发和皮肤均为棕色的女孩,她死于西伯利亚。

3. 让干细胞形成卵子

日本研究人员证实,小鼠的胚胎干细胞可被诱导成为具有生育能力的卵细胞。在研究中,他们让实验室中受精的细胞在代孕母体发育并产下小鼠幼仔。这种方法要求发育中的卵子在雌性小鼠体内存留一段时间。虽然这没有达到科学家追求的完全在实验室中得到卵细胞的终极目标,但是它为研究基因和其他影响生育力和卵细胞发育的因素提供了强有力的工具。

4. 好奇号的着陆系统

尽管无法在火星条件下测试其探测器所有的着陆系统,但在加州帕萨迪纳美国宇航局喷气动力实验室里承担探索火星使命的工程师们仍安全并准确地将好奇号探测车抵达火星表面。这个3.3吨的飞行器因过重而无法以传统的方式登陆,为此该团队从起重机和直升飞机那里得到灵感,创建了“空中起重机”着陆系统,它将带轮的好奇号吊挂在3根线缆的末端让其着落。这一完美无暇的着陆让设计人员再次获得了信心,宇航局希望未来在已有的探测车附近让第二辆探测车着陆,并将第一辆探测车取得的样本收集起来送回地球。

5. X射线激光解开蛋白质的结构

研究人员用一种比传统的同步加速辐射源亮10亿倍的X射线激光确认了布氏锥虫所需的一种酶的结钩,这种寄生虫是引起非洲昏睡病的原因。新的研究进展证明了X射线激光解密蛋白质的潜力,而这是传统的X射线源所无法做到的。

6. 基因组的精密工程

通常,人们无法确定对高级生物的DNA进行修改和删除的最终结果。然而,在2012年,名为“转录激活子样效应因子核酸酶”(TALENs)的工具赋予研究人员改变或关闭斑马鱼、蟾蜍、牲畜及其他动物甚至病人的细胞中特定基因的能力。这种技术以及其他新兴的技术与已有的基因靶向技术一样廉价和有效,同时它能让研究人员在健康人和病人中确认基因及变异的特定作用。

7. 马约拉纳费米子

人们有关马约拉纳费米子是否存在的问题的争论已有70多年,该粒子会作为它们自己的反物质并湮灭它们自己。今年,由荷兰物理学家和化学家组成的研究小组首次提出了马约拉纳费米子以准粒子形式存在的可靠证据,它们是相互作为的电子群,其行为像单个粒子。该发现促使人们努力将马约拉纳费米子结合到量子计算中,因为科学家们认为由这些神秘粒子组成的“量子比特”与目前数字计算机中所拥有的比特相比,能够更有效率地存储和处理数据。

8. ENCODE项目

今年,超过30篇文章报道的一项长达10年的研究显示,人类基因组比研究人员曾经认为的更具“功能”。尽管只有2%的基因组会为实际蛋白编码,但“DNA元素百科全书”(ENCODE)研究项目表明,基因组的大约80%是有活性的,可帮助开启或关闭基因。这些新的细节有望帮助研究人员理解基因受到控制的途径,以及澄清某些疾病的遗传学风险因子。

9. 大脑/机器界面

曾经用大脑神经记录移动电脑荧幕上光标的同一个研究团队在2012年向人们展示,瘫痪的病人能够用他们的思想来移动一个机械臂并从事复杂的三维运动。该技术虽然仍处于试验阶段且极端昂贵,但科学家希望更先进的计算程序可改善这种神经性假体以帮助因中风、脊髓损伤及其他疾病导致瘫痪的病人。

10. 中微子混合角

数百名在中国大亚湾反应堆中微子实验中工作的研究人员报告了一个模型的最后的未知参数,该模型描述了被称作中微子的这种难以捉摸的粒子在以接近光速穿行时,如何从一种类型或“特色”变形为另一种类型。这些结果显示,中微子和反中微子可能会以不同的方式改变其特色,并提示中微子物理可能有朝一日帮助研究人员解释为什么宇宙含有如此多的物质及如此少的反物质。如果物理学家无法发现超越希格斯玻色子的新粒子,那么中微子物理可能会代表粒子物理学的未来。

via 《科技日报》(2012-12-21 二版)
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本文发表于水景一页。永久链接:<http://cnzhx.net/teaching/2012/12/science-breakthrough-in-2012/>。转载请保留此信息及相应链接。

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