原创《2019十大科技事件》
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时光飞逝,2016年已经成为过去,那些国内外科技圈我们一起见证过的大事件,
你都还记得吗？
孙敏
最大单口径射电望远镜“巨眼观天”
2016年9月25日,有着超级“天眼”之称的500米口径球面射电望远镜（简称FAST）,在贵州省平塘县的喀斯特洼坑中落成,开始接收来自宇宙深处的电磁波.它是世界上最大的单口径射电天文望远镜,标志着中国在科学前沿实现了重大原创突破.
如果说高分卫星（高分辨率对地观测卫星）是“天眼”观地,那么射电望远镜就是“巨眼”观天.FAST突破了射电望远镜的百米极限,它拥有30个足球场大的接收面积.与号称“地面最大机器”的德国波恩望远镜相比,灵敏度提高了10倍.它将在未来20-30年保持世界一流设备的地位.
对科学家们来说,FAST具有极其重大的科学意义.这个超级望远镜就像一只庞大而灵敏的“耳朵”,它将可能搜寻到更多的奇异天体,用以观测脉冲星,探索宇宙起源和演化、暗物质和暗能量、星系与银河系的演化等,甚至还可以搜索星际通讯信号,开展对地外文明和外星人的探索.
新型材料崛起
新材料确实可以改变世界.我们用青铜器时代、铁器时代来称呼历史时期是有道理的.混凝土、不锈钢和硅的发明让我们进入了现代.现在,工程师们正将材料科学带入一个全新的维度：第二维度,它们拥有几乎无限的潜能.通过将三维原子聚集成二维网格,研究人员正从看似平淡无奇的元素身上发现神奇的尚未开发的潜力.这些二维材料每种都具有令人振奋的性能,而且不同的二维材料还可以像堆积木一样组合起来,构造更多的新型材料.
二维革命始于10多年前石墨烯的发现.石墨烯比钢铁的强度还高200倍,比还硬,而且几乎是世界上最轻的东西.它透明、柔性,却是性能优异的导体.碳原子以网格状相连,就像铁丝网围栏.除了水蒸气以外,几乎任何东西都无法穿透它,而水蒸气则可以在石墨烯的分子网格间自由穿梭.将石墨烯转化为实际设备一直是一项挑战,但众多科研团队已经在某些领域接近成功,包括超高密度计算机闪存、宽带辐射探测器以及精密医学成像工具.
二维材料家族中已经出现了这些新成员：排列成格子状的单层或数层碳原子（石墨烯）、硼原子（硼烯）、六方氮化硼（白石墨烯）、锗原子（锗烯）、硅原子（硅烯）、磷原子（磷烯）和锡原子（锡烯）.硅和磷尤其适合制作原子级晶体管,可能会为人们带来速度极快、续航持久、可弯曲的电子产品.
一旦新材料投入使用,毒性总是一个值得关注的问题,小心谨慎总是没错的.对于石墨烯历时10年毒性的研究尚未发现它对人体健康或是环境有什么不良影响.不过这方面的研究还在继续.
二维材料的发明为技术人员打开了一个强大的工具.这每一种超薄化合物材料都具有独特的光学、物理学和电学性质.科学家和工程师正兴奋地将它们进行混合配对,用来创造针对各种功能优化的新型材料.钢和硅是20世纪工业化的基石,但和这些二维材料相比,它们就显得十分笨重和原始了.
从航天大国到航天强国
2016年,中国航天发射年度数量首次突破20次.对中国航天而言,2016注定载入史册.4月6日,中国首颗微重力科学实验卫星——实践十号返回式科学实验卫星成功发射.6月25日,长征七号运载火箭再次发射成功.8月16日,世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空.9月15日,天宫二号空间实验室在酒泉卫星发射中心发射成功.10月17日,神舟十一号载人飞船成功发射.10月19日,神舟十一号飞船与天宫二号自动交会对接成功.神舟十一号飞船乘载两名航天员,在太空驻留33天后,于11月18日下午顺利返回着陆.12月22日,长征二号丁运载火箭成功将中国首颗全球二氧化碳监测科学实验卫星（简称“碳卫星”或“嗅碳卫星”）发射升空.该卫星的成功研制和后续在轨稳定运行,将使中国初步形成针对全球、中国及其他重点地区大气二氧化碳浓度的监测能力.这一系列硕果,都在彰显着中国2016年在航天领域的种种突破.在此过程中,科研人员突破了多项关键技术,实现了技术跨越发展.
从1956年起步到2016年,中国航天从无到有、从小到大.酒泉卫星发射中心是中国目前唯一的载人航天发射场,自建成以来共发射了十艘神舟飞船、104颗卫星、一个目标飞行器和一个空间实验室.这些航天发射成就是在近60年的时间跨度内完成的,中国在2016年一年的发射量就占到1/5,而且2016年的发射还包括长征七号新型运载火箭首发、世界首枚量子科学卫星的发射以及首次发射的大火箭长征五号等重要项目.中国航天发射进入密集期是一个稳步前进后的客观结果,并不是为了与人竞争故意加快发射密度.中国航天工程,尤其在载人航天方面,每一步走得都很坚实.2016年,中国航天人交出的成绩单,格外耀眼.
“脑机交互技术”重现超能力
美国国防部先进研究项目局于2016年1月19日在称,他们正在开展“神经工程系统设计”的研究项目,该项目旨在研发一种可植入人体的神经接口,能够使人类大脑直接与电脑连接.这种神经接口将扮演“翻译官”的角色,可以在大脑神经元的电化学语言与电子信息技术语言0和1之间转化.近日,《自然》旗下的综合性科学期刊《科学报告》（Scientific Reports）发表了来自明尼苏达大学的突破性研究,用“脑机交互技术”（Brain-computer interface）来建立人与外界设备的桥梁.这项研究首创了“非侵入式脑接口技术”——实验人员无需在脑中植入硬件,仅需戴一个充当脑电波记录仪的帽子,即可仅靠“意念”控制复杂的器械,如使用机械臂抓取物体等.曾经的脑机交互技术有显而易见的缺点,如在受试者的脑中植入电极等硬件是十分有风险的,这还会引发感染.非侵入式的设备则避免了这一问题.它不但可以避免这样的风险,还可节省外科手术的费用,让脑接口技术的实现更为廉价和方便.
在2016年之前,脑机交互技术主要应用于医疗领域.比如,瘫痪病人可以用该技术控制电子假肢.但是,最近脑机交互技术冲出了医疗领域,进军到了普通消费品市场.利用脑机交互技术,可以获取到很多现在无法得到的驾驶员信息,而这些信息如果能够传递给汽车,那么驾驶的体验将会得到很大的提升.比如汽车可以监控驾驶员是否昏昏欲睡、是否注意力集中、是否处于不良情绪中等等.当汽车感知到驾驶员的疲劳时,可以自动发出警报、开启收音机、摇下车窗甚至是自动停车.或者汽车感知到驾驶员处于暴怒情绪时,就会自动调整速度.类似的潜在应用还有很多.未来,想要实现这个“高大上”的目标,还需要在神经科学、合成生物学、低功耗电子、光子学、医疗器械制造等多个领域实现共同突破.
无人驾驶加速发展
据统计,全球每年有120万人死于车祸,而90%以上的事故都是人为失误造成.那么,如果全部使用自动驾驶汽车,几乎“零失误”的智能系统能减少车祸的发生率吗？从旁观者的角度看,如果人类司机做出一个夸张的紧急闪避操作,那么这会是粗心大意的行为.但如果是一辆训练有素的人工智能汽车,它可以通过众多实时传感器接受信息,那么它的反应将媲美任何一名专业保镖,保障我们的人身安全.
2016年是无人驾驶汽车高速发展的一年.特斯拉增加了一款性能增强、完全自动驾驶的车型.另外,优步在美国匹兹堡也开始使用无人驾驶汽车载客的试行.但无人驾驶汽车的发展之路也并不是顺畅无阻的,比如,谷歌的无人驾驶车在2016年就发生了一次小事故.最严重的是一辆自动驾驶模式下的特斯拉发生交通事故,导致车主丧生,又把无人驾驶技术推上了风口浪尖.
无人驾驶依靠人工智能、视觉计算、雷达、监控装置和全球定位系统协同合作,让电脑可以在没有任何人类主动的操作下,自动安全地操作机动车辆.通过组合使用雷达、超声传感器、数码摄像头、陀螺仪设备已可以实现比人类感官更快更准的信息获取能力,通过采用微型控制计算机和电子伺服器,已可以实现比人类四肢更强的驱动力和更加精准的操纵精度,还能让驾驶者解放双手.
这种驾驶方式的转变将会改变人车关系,上班、出差、自驾游将会变得更加容易,也更安全.自动驾驶很是诱人,试过一次便难以忘怀,我们对它满怀期待.现在,我们已经看到了自动驾驶时代的曙光,但是,要到达那里,我们还要克服重重阻碍.
SpaceX曲折中前进,只为上火星
2016年4月,美国太空探索技术公司（Space X）的火箭成功在海洋中的漂浮无人船上着陆,创造了回收火箭的历史.这非常酷,也非常重要.因为在移动平台上着陆将让Space X回收和重新利用火箭推进器变得更容易,同时也将削减太空发射30%的成本.5月6日,Space X再次成功海上回收猎鹰9号火箭,这是该公司第三次、海上第二次成功回收一级火箭.这意味着现在Space X已经能充分证明其具备在陆地和海上回收火箭的能力,并能重复这一过程.此次火箭发射后不久,Space X就发布消息确认猎鹰9号不仅完美回收,并成功将卫星部署到了正确轨道.这意味着Space X又创造了一项历史——首次实现地球同步转移轨道火箭回收.
7月18日,Space X成功实现第二次陆上回收火箭.与在海上平台成功降落相比,这次回收的难度要加大许多.因为那次是向国际空间站运送物资,国际空间站距地面高度大约是250英里.而这次卫星的目标距地面高度大约为22300英里（当然还有二级火箭接力）.火箭上升速度越快,返回地球的速度也将更快,几乎达到6马赫（1马赫即1倍音速,即1225千米/小时）,火箭表面温度更高（温度高到快使火箭融化的程度）.回收难度前所未有,几乎所有的人都预估这次回收将以火箭爆炸而收场,以至于CEO马斯克在火箭在平台上停稳的第一时间,在推特上发布的首条消息只有一串英文字母woooooooooooooooooh！长出一口出气,终于如释重负.
然而9月1日,猎鹰9号火箭在进行静态点火测试时爆炸,令Space X被迫推迟火星探索计划,“载人龙飞船”的首次载人飞行被推迟到2018年5月.Space X的火箭虽爆炸了,但它依然走在人类科技探索的最顶端.
量子魅力大爆发
量子来自拉丁语quantum,意为“有多少”,代表“相当数量的某物质”.在物理学中,指一个不可分割的基本个体,物理量是某个最小单位的整数倍,不能出现这个最小单位的分数倍,而且这个单位也不能再分.量子科学家的本领在于,可以对量子纠缠进行某种意义的“控制”,甚至异地“控制”.这种“控制”,能够让我们去想象很多不敢想的事.比如,超级计算和加密通讯.
2016年的量子好戏已经上演,由中国科学院院士潘建伟担任首席科学家的中国首颗量子科学实验卫星,于2016年8月16日凌晨在酒泉卫星发射中心由长征二号丁运载火箭发射至高度为500公里的预定轨道,卫星有效载荷包括量子纠缠源、量子纠缠发射机、量子密钥通信机和量子实验控制与处理机,将共同完成纠缠光子的生成、发送、地面通信以及实验控制.
同时,地面建设有四个量子通信地面站（南山、德令哈、兴隆、丽江量子通信地面站）和一个空间量子隐形传态实验站（阿里量子隐形传态实验平台）,在中国科学技术大学的量子科学实验卫星控制中心的指挥和调度下,完成四项重要的科学实验：星地高速量子密钥分发实验、广域量子通信网络实验、星地量子纠缠分发实验、地星量子隐形传态实验.这意味着一个天地一体化的量子通信网络的雏形已经形成,验证了技术上的可行性,为设计量子计算和保密量子通讯为一体的量子系统奠定了基础.
基因编辑技术重塑世界
2016年,基因编辑（CRISPR）技术仍然是关注的焦点.简单地说,CRISPR就是一把能够剪断DNA分子的“分子剪刀”.如果我们把入侵的病毒DNA剪断,就能实现自我保护.与传统的限制性内切酶相比,CRISPR技术最重要的特点是它更灵活,相当于一个“可调的分子剪刀”.如果把传统的限制性内切酶比作一把钥匙,CRISPR系统就是一把.这一强大的基因编辑技术给生物界带来了巨大冲击.不同于其他的基因编辑技术,它廉价、快捷且使用方便,由此席卷了世界各地的实验室.
CRISPR的基因剪辑技术拥有掀起医学革命的潜力,研究人员希望能够利用它来校正人类基因以消除疾病,构建出生命力更强的植物,消灭病原体,以及将之应用于更广泛的领域.它可能为世界带来婴儿,甚至可能终结全球饥饿.CRISPR这种由细菌中发现的机制让科学家能够以空前的准确度对基因进行剪切和复制.研发这一技术的科学家被认为是争夺2017年诺贝尔奖的热门人选.
CRISPR技术提出3年来,已经被全球成千上万的科学家采用.他们已经利用这项技术创造出肌肉含量超高的比格犬“大力士”和器官可移植人体的“万能猪”.这种技术运作极快,从前可能耗费数年时间的创新研究如今几个月内即可完成.因此,CRISPR的初创公司在2016年也成为资本的新宠.尽管从被发现到现在的时间并不长,目前还存在专利纠纷,但却不影响CRISPR技术的影响力和应用范围呈现井喷式增长.虽然距离首批产品（例如没有角的奶牛和低致敏性花生）真正投放市场还需要几年时间,但2016年已经成为基因编辑改造生命的开始.
围棋“人机大战”,“阿尔法狗”赢了
“机器学习”（Machine Learning）这个词火了很久,不过2016年,作为人类的我们可能会真正谦虚地“拜其为师”.围棋起源于中国,两个选手在矩形格子上交替下黑子和白子,目标是在比赛结束时比对方占领更多的地盘.在19×19的棋盘上,每一步皆有250种走法,这250种走法中,接下来的每一步又将有250种可能的走法.在象棋领域人类面对电脑已无优势后,围棋甚至被冠以“人类智慧最后高地”的名号.此前,最成功的围棋计算机程序能达到业余人类选手的程度,还不能和专业选手在不让子的情况下一较高下.
2016年3月9-15日,谷歌机器人“阿尔法狗”（AlphaGo）挑战围棋冠军九段棋手李世石,人类与机器两种不同的智慧形式再次短兵相接.在这场备受关注的人机围棋比赛中,李世石虽被寄予厚望,但“阿尔法狗”表现出来的“高智商”让人惊叹,最终“阿尔法狗”以4：1的总比分战胜李世石.“阿尔法狗”之所以能够成功,在于模仿了人类的思考方式和学习能力,而不是单纯依赖于海量的计算.以深度学习（Deep Learning）为基础的人工智能发展如此迅猛,令人刮目相看.
2016年,人工智能领域都沉浸在“阿尔法狗”胜利的气氛中,这是人工智能历史上的重大时刻.虽然人类输给了电脑,却也是人类的伟大胜利.未来,我们可能会越来越多地向人工智能学习,这会深深影响我们对教育和培训的思维方式,促成人类和机器学习的共同进步.
人类探测到引力波,见证跨越13亿年的旅行
北京时间2016年2月11日晚11点30分,美国“激光干涉引力波天文台”（LIGO）面向全世界宣布,人类首次直接探测到引力波,并首次观测到双黑洞的碰撞与合并.
LIGO系统由相距1865英里（约3000公里）的两个完全相同的探测器组成.每个探测器包含两个长度为4公里的L形真空管,科学家们通过真空管来发射激光束.每束激光到达真空管末端后,会被镜面反射,并沿相反路线返回.在同等条件下,两束激光应该在完全相同的时间抵达源头,由于干涉作用,光线不会抵达光电探测器.而一旦有引力波穿过探测器,根据爱因斯坦100年前的预测,会使两个真空管中的空间出现极其微小的拉伸与压缩,从而破坏了原有的完美平衡,使光线外泄到光电探测器上.
位于利文斯顿的探测器首先传出撞击声,7毫秒后,汉福德的探测器也传出撞击声.这意味着有引力波传到了地球,并被两个探测器探测到.LIGO项目组称,基于观测到的信号,此次探测到的引力波是由两个黑洞合并引发的.两颗黑洞的初始质量分别为29颗太阳和36颗太阳,合并成了一颗62倍太阳质量高速旋转的黑洞,亏损质量以强大引力波的形式释放到宇宙空间,经过13亿年的漫长旅行,终于抵达了地球,被美国LIGO的两台孪生引力波探测器探测到.
引力波的发现证实了爱因斯坦100年前所做的预测,并让我们得以用崭新的方式来看待这个世界.引力波是爱因斯坦广义相对论所预言的一种以光速传播的时空波动,能够让我们回望宇宙大爆炸最初瞬间,检验宇宙大爆炸理论的正确与否.
作者为中国科学院大学副教授
十大论文参考资料：
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