科学杂志评年度十大科学突破:上帝粒子居首

2012-12-25 02:04:01来源: 第一财经日报
   

对于耗资55亿美元方才建成、直到启动日仍麻烦缠身的大型强子对撞机(Large Hadron Collider,简称LHC),希格斯玻色子(Higgs Boson)确实是来自“上帝”的一个好消息。这颗在粒子物理学的标准模型中被最后发现的粒子,被充满敬畏地称为“上帝粒子”——科学家曾认为,它将能够 解释物理学上其他基本粒子何以拥有重量的关键。

  12月20日,希格斯玻色子被美国《科学》杂志列为本年度最重大科学突破。紧随其后,丹尼索瓦人基因组、基因组的精密工程、“好奇”号火星车的着陆系统等等,同时进入年度十大科学突破

  毫无疑问,“上帝粒子”的发现,是2012年最受关注的科学进展。媒体蜂拥,大众雀跃,“‘上帝粒子’日快乐。”流行乐团黑眼豆豆的主唱will.i.am在推特上写到。

  此前,研究人员一直在观测位于瑞士的世上最大的粒子加速器LHC。就在7月4日,他们宣布发现了一个粒子,可能是研究者梦寐以求的希格斯玻色 子。粒子物理学也许是科学领域中最详细和精确的理论,它描述了组成普通物质的粒子,但乍一看,这一标准模型似乎是无质量粒子的理论。这便是希格斯玻色子的 来源:物理学家认为真空充满了“希格斯场”,粒子与希格斯场相互作用获得能量。

  假设在40多年前,对希格斯玻色子的观察将使这整个标准模型变得完整。“目前面临的唯一问题,是它是否标志着粒子物理发现的新时代开端,还是该领域顺其自然的最后欢呼。”《科学》杂志在其刊布的文章中说。

  《科学》选择希格斯玻色子,更因为它在知识性、技术性和组织性上获得的胜利。除了耗费巨资制造的27千米长的大型强子对撞机,欧洲粒子物理实验 室的研究人员还为发现希格斯玻色子,制造了25米高、45米长的ATLAS粒子探测器,以及重达12500吨的CMS粒子探测器。

  为了测试发现的粒子是否真的是希格斯玻色子,研究人员现在正在计算它衰变为其他粒子组合的比率。物理学家曾在之前做了类似的预测。1970年, 当时只有3种夸克是已知的,理论家预言了第四种的存在,4年后即被发现。1967年,他们预言传递弱作用力的粒子存在,1983年W玻色子和Z玻色子被发 现。

  “粒子理论家提供了各种预言窍门。”《科学》杂志继续写道,“鉴于没有两个星系是完全相同的,而所有的质子是相同的。所以当碰撞它们时,物理学 家无需担心这个质子或那个质子的特性,因为它们根本没有特性。”另一些理论家则认为,标准模型应将其预测能力归功于该理论基于数学对称概念的事实。“简而 言之,对称性的观点是预测中强有力的工具。”

  但希格斯玻色子的发现,标志着标准模型中已无预言可测试。“他们有充足的理由认为,标准模型并不是基础物理的最终结果……理论本身证明,希格斯 玻色子和其他粒子之间的相互作用应该会使希格斯玻色子变得非常重。所以物理学家怀疑,潜伏在真空中的新粒子可能会抵消这种效果。”

  实际上,科学家无法保证在大型强子对撞机LHC或其他可以想象的对撞机的工作范围内是否还存在着新的物理成分。“标准模型可能是所有宇宙内部运作中大自然愿意透露的全部。希格斯玻色子的发现是一个突破。粒子物理学家未来是否会再一次获得类似的突破呢?”

  其他九大科学突破

  古代DNA研究的全垒打

  两年前,古遗传学家发布了尼安德特人(Neandertal)的完整核基因组,从而成功入选了“年度突破”的榜单;去年,同一个实验室组合出了 5万年前生活在西伯利亚古老人类——丹尼索瓦人(Denisovan)的基因组,因此再度当选。今年,一个执着的博士后——马蒂亚斯·迈耶 (Matthias Meyer)摸索出了一个聪明绝顶的新方法,这个方法帮助他的团队重新审视丹尼索瓦人的DNA,并将其重新排序了31次。他们从这个生活在丹尼索瓦山洞的 西伯利亚女孩儿身上得到的DNA细节,清晰、丰富的程度已经不逊于从活人身上提取的DNA。很明显,科学家对这项技术的应用将会促进古代DNA研究的飞速 发展。

  基因组的巡航导弹

  今年,基因工程师开始利用一些十分有利用潜力的强大新工具,以便生物学家在研究从酵母到人类的各种有机体之时,可以轻松修改DNA。转录激活因 子样效应物核酸酶(transcription activator–like effector nucleases,简称TALEN)便是这些工具中的一个,它可以破坏或改变斑马鱼、爪蟾以及其他牲畜的特定基因。TALEN是一种蛋白质,它可以切除 特定位置的DNA,并随之修复修改目标基因。一组研究人员利用该技术制造了一只迷你猪,并将其应用到心脏病的研究中去。其他人正在忙于修改老鼠、蟋蟀甚至 人类的病变细胞中。仅仅在几年前,这些进展还都是难以想象的。TALEN相对于过去所用的锌指蛋白(zinc finger protein)更加便于使用,成本也更低。而同时,还有另一种利用细菌细胞里的CRISPR效应酶蛋白Cas9因子的新技术应运而生,如今的工程师们对 该项技术的发展前景十分看好,他们正在对其进行细菌之外的尝试,或许它有一天可以取代锌指蛋白与TALEN,成为核基因组工程技术的新霸主。

  中微子物理学的大门被开启

  有时,结果之所以重要,并不一定是因为它代表着事件的完结。今年,物理学家测量出了中微子在以近乎光速的速度进行变幻莫测的相互转换过程中的最 后一个参数。结果表明,在未来的几十年里,中微子物理学将会像每一位物理学家所预想过的那样,变得繁复起来。甚至对于解答类似“包含了如此多物质与如此之 少的反物质的宇宙是如何演变的”这种问题,它都有可能提供帮助。

  基因之外的基因组

  今年,一项耗时十年之久、耗资288万美元、发表论文30余篇的研究,表明了人类的基因组从生化的角度来看,着实是一个相当繁华之地。这项被称 为DNA元素百科全书计划(ENCODE)的工作,以人类基因组计划(Human Genome Project)为基础,旨在标出人类基因组中所有的功能元素。该计划已经进行了9年,获得了迄今最详细的人类基因组分析数据,译解了我们DNA碱基的序 列,发现只有2%不到的碱基定义着基因。

  驯服恐怖火星

  它看起来像一场有待发生的坠毁事故,但新的“天空起重机”着陆系统专为发送“好奇号”(Curiosity)而设计。好奇号在太平洋夏令时8月 5日成功着陆于火星赤道附近的盖尔撞击坑(Gale Crater),尽管火星的条件使得工程师从头至尾都无法检测好奇号的“进入减速着陆系统”(entry, descent, and landing,EDL),但它的表现仍旧堪称完美。

  X射线首次分析蛋白质结构

  一百年前的物理学家发现,通过晶体弹射的X射线可以揭示晶体的原子足度结构(atomic-scale structure)。今年,在科学家使用X射线激光以分析一种蛋白质的结构之时,首次运用了“X射线的衍射”,将X射线使用到了登峰造极的程度。这一进 展使得X射线激光在研究蛋白质中的应用史无前例地进入到了传统X射线所不能及的领域。

  赛博人类不再遥远

  在宾夕法尼亚州的研究人员报告说,一名由于一种遗传性神经变性状况而导致高位截瘫的53岁女子,已经学会了通过她的想法操纵一个机器手臂。医生 通过手术在她的大脑内植入了两个4×4毫米的网格,细如发丝的电极从负责手部动作的区域捕捉信号。一台计算机将这些信号翻译成控制机器手臂的指令,机器手 臂的运用几乎可以媲美真实的手臂。

  马约拉纳费米子,掀起你的盖头来

  纳米科技不只是一个时髦的流行语而已,它已经制造了价值数十亿美元的产品,其中包括更优质的电池和棒球棍。今年,在该领域的研究人员又赋予了其另一种不同的价值:他们的首个可能是粒子的发现,马约拉纳费米子(Majorana fermions)。

  不过,目前的量子比特技术实在太难计算。温度或其他外界最轻微的影响都会抹掉一个标准的量子比特所存储的信息。理论计算表明,马约拉纳费米子即 使在受到外部力量的冲击时,都能够“记住”量子态。所以,现在的荷兰科研团队以及其他的科学家都十分希望证实这个理论,如果该理论被证实的话,纳米科技大 概很快就有吹牛的资本了。

  干细胞里造卵子

  研究人员在实验室中制造卵细胞的尝试已经超过了10年。今年,他们又朝着这一目标迈出了重要一步:实验室里老鼠生下的幼鼠,首次由胚胎干细胞 (ES细胞)转化而来的卵子孕育而成。该项技术由日本研究人员开发,目前在育熟卵细胞之时仍旧需要一个老鼠提供母体,因此它还没有达到它的最终目标:完全 在体外获得卵细胞。但这项技术确实表明,ES细胞可以转化为可育的卵母细胞,它为科学家们提供了一种方法,以了解这些复杂强大的细胞是如何发展的。

关键字:科学杂志  十大科学突破

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2012/1225/article_18129.html
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