反物质

p 　　英国《自然》杂志近日发表一项粒子物理学研究成果：欧洲核子研究中心（CERN）科学家完成了到目前为止对反物质的最精准光谱测量。此次测量结果不仅证明了反原子光谱学的能力，也将反物质的高精度检测向前推进了一大步。 /p p 　　当代物理学家们面临的一个巨大挑战，就是解释为何是物质而不是反物质在宇宙大爆炸中“幸存”了下来。因为根据经典模型的预测，在大爆炸发生后，原本存在等量的物质和反物质，但现在，宇宙几乎全部是由物质构成的。鉴于此，获取反物质并了解其特性，被认为具有极其重要的意义。 /p p 　　在光谱学领域，科学家会通过激光激发原子，检查其如何吸收或散发光来确定原子跃迁的特性。虽然同样的技术也可用于研究反原子，但是反物质非常难以生成和捕捉，一旦与物质接触就会湮灭，因此也难以测量它的特性。 /p p 　　2017年年底，欧核中心的ALPHA合作组在《自然》杂志上发文，报告了对激光驱动的反氢1S—2S跃迁（从基态到激发态）的实验性观测，这是人类首次对反物质原子进行光谱测量。而今，合作组与丹麦奥胡斯大学物理学家杰弗里· 汉格斯特及其同事，详细表述了该跃迁的其中一个超精细组分的特征。 /p p 　　研究团队此次分析测量了约15000个反氢原子，这些原子被磁囚禁在一个长280毫米、直径44毫米的圆柱体内。研究人员进行了为期10周的测量，最终发现：反氢跃迁的共振频率与氢1S—2S跃迁的预期频率一致，其测量精度达万亿分之二。 /p p 　　这是有史以来对反物质进行的最精准的一次光谱检测，标志着人类向超敏测量反物质行为并了解其“最终奥秘”迈近了重要一步。 /p p br/ /p

p 　　英国《自然》杂志19日在线发表了一项粒子物理学重大进展：欧洲核子研究中心(CERN)报告了对反物质原子的首次光谱测量，实现了反物质物理学研究长期以来的一个目标。该成果标志着人类向高精度测试物质与反物质行为是否不同迈进了重要一步。 /p p 　　当今宇宙为何看起来几乎全由普通物质构成，这是物理学界的一个重大谜题。因为根据粒子物理学经典模型的预测，在大爆炸发生之后应存在等量的物质和反物质。光照射可以激发原子，当原子恢复至基态时会发光，光的频率分布形成，可以借用其光谱精确地测量出原子属性，这也是光谱学的基本原理。但是，反物质难以产生和捕捉，因为反物质一旦与物质接触就会湮灭，这为科学家测量其属性带来挑战。 /p p 　　欧核中心反质子减速器的最新进展，让研究人员得以捕捉和测量反质子与反氢原子。现在，来自欧核中心反氢激光物理装置(ALPHA)项目的丹麦科学家杰弗里· 汉斯特及其同事，在圆柱形真空腔内成功磁捕获反氢原子。这一真空腔长仅280毫米，直径为44毫米，研究人员通过真空腔上的窗口向里面照射激光，测量了反原子1S—2S的跃迁(从基态向激发态跃迁)情况。 /p p 　　研究团队报告称，反氢的跃迁频率与氢的跃迁频率一致。氢的光谱已经得到高精度表征，因此反氢光谱学的改进应可以促成对物质—反物质对称性的高敏度测试。 /p p 　　ALPHA装置是欧核中心捕获反原子的“利器”，该项目组此前曾用特殊磁场将反氢原子“抓住”达1000秒，还曾首次对反物质与引力的相互作用进行直接分析。 /p p br/ /p

北京正负电子对撞机上的北京谱仪III（BESIII）实验实现了一种全新方法，为研究物质和反物质之间的差异提供了极其灵敏的探针。6月2日，相关研究成果刊发于《自然》杂志。　　论文所有匿名评审都对这一成果大加赞赏：“创新的测量方法”“很重要”“很新颖”“吸引人”“非常有前景”… … 到底是什么成果，竟让匿名评审们如此兴奋？　　不好好“组CP”的反物质　　“正反物质不对称性”是困扰科学界半个多世纪的问题，也是粒子物理学家一直在寻找的现象。他们常会提到一个词——“CP破坏”。　　“CP破坏”里的“CP”，和我们平时常说的“组CP”里的“CP”（情侣档）并不是一码事。　　130亿年前，宇宙在发生大爆炸之后迅速膨胀、冷却，大量正反粒子彼此结合、湮没。然而，就像闹了别扭的情侣一样，正反粒子在结合湮没的过程中，行为出现了一些不同。每十亿个正反粒子湮没的过程中，就有一个正物质粒子被留了下来，并最终组成了当今宇宙中所有的物质。　　科学家将正粒子和反粒子衰变过程不一样的现象，称为“CP破坏”。　　“CP破坏”的名字与李政道、杨振宁密切相关。他们提出并获得诺贝尔物理学奖的“宇称不守恒定律”认为，粒子的弱相互作用中存在“镜像”空间反射不对称性。　　在此基础上，科学家总结出了“CP破坏”。“CP破坏现象可以用来解释为什么我们的世界中只有正物质，没有反物质。”中国科学院高能物理研究所所长、中国科学院院士王贻芳告诉《中国科学报》。　　宇宙原初反物质为何消失？　　超子CP破坏有望解谜　　自上个世纪60年代以来，国外科学家已经相继在介子系统中发现了CP破坏。可是，正反物质的不对称性并没有因此得到完美解释。　　“在构成世界的主要粒子中，介子数量很少，介子衰变时多出来的正物质并不足以形成现在的世界。”王贻芳说。　　与数量稀少的介子不同，重子是构成世界的主要粒子。“如果能在重子中找到CP破坏，我们就能够更好地理解宇宙原初反物质消失之谜。”王贻芳说。　　遗憾的是，科学家从未在重子衰变中发现过CP破坏，原因在于“弱衰变信号有时会被强相互作用掩盖”。“所以要想看到重子的CP破坏，就需要有足够高灵敏度和创新性的实验方法，把弱相互作用与强相互作用的信号区分开来。”王贻芳说。　　超子是重子中的一种，类似于质子，但寿命很短，因此不像质子那样可以存在于我们身边。在超子中，有一个名叫“科西超子”的成员，由两个奇异夸克和一个轻夸克组成，当奇异夸克发生弱衰变时，它便消失了。　　超子衰变被科学家视为“寻找CP破坏的一个很有希望的狩猎场”，因为测量CP破坏时需要的一些信息可以通过超子的衰变直接测量。　　发现了高精度测量方法　　从2009年起，BESIII实验从正负电子对撞出的“碎片”中，收集到了约100亿J/psi粒子。这种名叫“J/psi”的粒子会衰变产生正—反科西超子，之后，正—反科西超子还会继续衰变、消失。　　BESIII实验组的科研人员用了100亿粒子事例中的13亿，分析出了正—反科西超子的诞生过程，重建出7万多个正—反科西超子对。如此一来，BESIII就成了一个干净、小巧的科西超子“工厂”。　　“干净”是因为本底污染率小于千分之一水平。“小”是因为BESIII实验中，超子产额并不算多。“巧”是因为BESIII实验的敏感度足够高。　　“我们的超子产额只有美国费米实验室一个叫HyperCP实验产额的千分之一，但单事例的敏感度是HyperCP单事例的一千倍。”BES III实验发言人、中科院高能物理研究所研究员李海波说。　　在分析数据时，BESIII实验组的科研人员发现了一种高精度测量超子CP破坏的方法。　　早先，他们发现，刚衰变出来的正科西超子和反科西超子之间存在一种特殊的现象——“量子纠缠”。于是，利用这种独特的量子纠缠效应，再结合科西超子其他数据信息，实验人员不仅从海量数据中同时找出了正科西超子、反科西超子的衰变信号，还以前所未有的精度测量出正—反科西超子的不对称参数。　　“新方法解决了30年来不能同时高效地对超子和其反粒子测量的困境，也给出了更丰富的CP破坏测量结果。”李海波说。　　“这一成果已经引起国际同行的关注，相关研究人员被2021年国际轻子光子大会邀请作大会专题报告，成为这一领域的新星。”王贻芳说。　　暂未发现新物理现象，将分析更多数据　　遗憾的是，BESIII实验组此次的测量结果并没有显示出超子的CP破坏迹象。即便如此，新方法的发现依然得到了国际匿名评审的认可。　　一位匿名评审点评说：“即使尚未发现CP破坏的新迹象，但研究方法上仍然很有趣。”另一位匿名评审认为：“新方法为将来的实验指明了方向，铺平了道路。”　　“这一创新方法为我们未来确认或排除超出标准模型的CP破坏来源带来了希望。”王贻芳说。　　抱着这样的希望，实验组正在向更高的测量精度发起挑战。“我们希望在不远的将来，能够用这种测量方法发现超子CP破坏的实验证据。”王贻芳表示，BESIII实验组正在分析100亿粒子衰变数据，测量精度有望再提高3倍左右。　　目前，这支由我国主要开展研究的实验团队面临着激烈的国际竞争。　　“欧洲核子中心的大型强子对撞机底夸克探测器（LHC-b）也正在大量制造超子。不过，他们的本底污染率比我们高。”李海波告诉《中国科学报》，BESIII实验组在测量上的优势在于BESIII实验“完美的探测器设计”。　　BESIII是我国历史上最早的粒子物理大科学装置——北京正负电子对撞机上的探测器。它关注两个科学问题：夸克如何组成物质粒子和宇宙物质—反物质不对称的起源。　　王贻芳介绍，从2009年至今，BESIII实验已经发表了400余篇研究成果。该探测器计划运行到2030年。　　作为我国自主研发的大型高能实验装置，BESIII实验吸引了来自17个国家80家科研机构的约500个科研人员，是目前国内正在运行的最大国际合作组。此次发表的新成果由中国科学家和国外合作者共同完成。

近期，我国自主研发的大型高能物理实验装置北京谱仪III合作组实现一种创新实验方法，为研究物质和反物质不对称性提供了极其灵敏的实验探针。相关研究成果于6月2日发表在《自然》上。　　宇宙大爆炸之初应该产生等量的正反物质，但为什么我们的宇宙却只有物质组成而非反物质？这个问题困扰了科学界半个多世纪。物质和反物质遵循不同的规律吗？粒子衰变为研究正反物质不对称性提供了重要线索：如果粒子和反粒子的衰变模式存在差异，那么这些差异可能是导致我们今天丰富的物质世界形成的原因。然而，由于粒子衰变通常是由多种相互作用诱导发生的，比如一种类似质子的短寿命粒子叫做科西超子，它的内部含有两个重的奇异夸克和一个轻夸克，带一个负电荷，其衰变过程中既有弱也有强作用发生。如何识别是哪种作用导致正反物质衰变行为不同呢？北京谱仪III实验最近首次利用处于量子纠缠的正反科西超子对的级联衰变，成功把导致正反物质不对称的弱作用力从强作用力中分离出来，这一创新方法和实验结果引起该领域世界同行的密切关注。　　实验数据北京谱仪III实验国际合作组收集的。合作组成立于2008年，由来自亚洲、欧洲和美洲等17个国家80个研究机构约500名科学家组成。在北京谱仪III实验中，电子与其反粒子正电子碰撞的能量是其固有质量的上万倍。在这些碰撞中，电子和正电子湮灭，并从释放的能量中产生其他粒子或粒子对。在这项新的研究中，科研人员利用正反科西超子的“自旋”信息和量子关联来揭示正反物质不对称性，粒子物理学家称为“CP破坏”。超子衰变是寻找CP破坏的一个很有希望的狩猎场，因为它们的“自旋”方向可以通过其“子粒子”的衰变直接测量。考虑成对的正反超子级联衰变，可以把强力和弱力的贡献分开，导致对CP破坏测量的敏感度显著提高。北京谱仪III实验这一创新方法为寻找CP破坏提供了一种全新的视角。　　尽管该研究给出的结果显示没有CP破坏的迹象，但这一创新方法为科学家未来确认或排除超出标准模型的CP破坏来源带来了希望。“这是理解正反物质不对称性的一个里程碑，我期待北京谱仪III合作组将取得更多成就。”中国科学院院士、中科院高能物理研究所所长王贻芳说。“北京谱仪III实验的灵敏度远高于之前费米实验室的HyperCP实验，是HyperCP实验单事例灵敏度的1000倍，这得益于北京谱仪III实验上正反科西超子的自旋极化和量子纠缠。”BESIII国际合作组发言人李海波表示。　　北京谱仪III探测器拥有目前国内正在运行的最大国际合作组。此次研究由中国科学家和国外合作者共同完成，是国际合作的典范。　　论文链接 北京谱仪III探测器侧面照　　正反科西超子级联衰变演示图：如果物质和反物质遵循相同的物理法则，科西超子与反科西超子的衰变应该是镜像对称的，只是空间坐标是相反的。镜像之间纽带连接表示正反超子的量子关联。

美籍华人物理学家丁肇中领导的暗物质研究小组昨天发布重大研究成果，根据国际空间站上阿尔法磁谱仪的首批观测数据，科研人员已经找到了可以证明暗物质存在的6个证据中的5个。 暗物质是现有宇宙构成理论中最关键的假设之一，能够解决宇宙大爆炸理论的不自洽问题。为寻找暗物质，丁肇中于1995年提出了建造阿尔法磁谱仪的国际合作项目，中科院、上海交大、山东大学等中国科研机构都参与了磁谱仪核心部件的建造。2011年5月，阿尔法磁谱仪被送入太空，开始执行为期3年的暗物质探索任务。 距发现暗物质只剩最后一步 当地时间18日晚间，诺贝尔奖得主、美籍华人物理学家丁肇中领导的阿尔法磁谱仪项目，在欧洲核子研究中心公布了最新研究成果，进一步显示暗物质可能存在。这一成果发表在最新一期美国《物理评论快报》上。 据参与该项目的山东大学科学家程林教授介绍，目前阿尔法磁谱仪已发现了1090亿个电子与反电子，在业已完成的观测中，暗物质的6个特征已有5个得到确认。这一研究结果将人类对暗物质的探索向前推进一大步。 到底什么是暗物质呢？上世纪二十年代，物理学家们提出了宇宙大爆炸的学说。根据这一学说，宇宙在大爆炸以前处于真空状态，大爆炸以后才形成了物质世界，据此推断就应该有反物质存在。此后，物理学家们开始了寻找反物质或称暗物质的努力。 &ldquo 暗物质是一种人眼看不到的物质，想要证明它的存在可不容易。&rdquo 国家天文台宇宙暗物质暗能量组首席研究员陈学雷介绍说，1930年左右，科学家发现有一些星系团中的物质，产生的引力要比其他可以看到的星系多一些，但是这些物质不发光，所以就起名为暗物质。 现有物理学假设认为，人类目前所认知的物质世界大概只占宇宙的4%。在这之外，那些不发光不发热的暗物质，则占了宇宙的23%，还有73%是暗能量。 410亿数据将改变人类知识 寻找暗物质主要有3种途径。一种是利用粒子对撞产生直接暗物质；另一种是利用引力场间接探测。暗物质不发光，但是可以产生引力，因此可以通过对引力场变化的测量来寻找暗物质。中国主导的&ldquo 熊猫计划&rdquo （PandaX）就是后一种方法的实践。 阿尔法磁谱仪项目代表了第三种途径。从理论上讲，暗物质相互碰撞会产生过量正电子（所带电荷量与我们常见的带负电的电子恰好相反），因此可以通过探测正电子来寻找暗物质。 自从2011年5月16日被安置到国际空间站迄今，阿尔法磁谱仪已运行四十多个月，共搜集了540亿个宇宙射线数据。刚刚公布的研究成果，是基于对最先收集到的410亿个数据的分析。在这些数据中，科学家观测到约1000万个电子与正电子，这是半世纪来检测到的正电子分率的最大值。 根据丁肇中研究小组此次在美国《物理评论快报》上发布的结果，已发现的宇宙射线中过量正电子的5个特征分别为：正电子比例上升是从8吉电子伏特（1吉等于10亿）的能量开始；在速率方面，正电子占电子与正电子总数的比例快速增加；在275吉电子伏特左右停止增长；比例上升的过程较为均衡，没有明显的峰值；还有正电子似乎来源于宇宙空间的各个方向，而不是某个特定方向。 据丁肇中介绍，证明暗物质所需的最后1个特征就是正电子的产生率会不会突然下降，&ldquo 这个要花很多的时间，&rdquo 丁肇中说，&ldquo 很快下降一定是暗物质跟暗物质对撞产生正电子，因为暗物质能量有限，到一定能量以后就不可能再产生正电子，所以会突然下降。&rdquo 对于这一批数据的意义，丁肇中说：&ldquo 到现在为止我们所得到的结果，没有一个和过去100年所收集的结果是一样，所以也可以这么说，就是所有的结果慢慢改变人类对于这些的了解。&rdquo 中国研制阿尔法磁谱仪核心部件 由丁肇中教授领导阿尔法磁谱仪(AMS)项目是目前世界上规模最大的科学项目之一。阿尔法磁谱仪的结构很复杂，任务很艰巨，但它工作的基本原理却是高中物理中带电粒子在磁场中运动的知识。 说白了，阿尔法磁谱仪就是一个带电粒子探测器，其核心部件是由中国科学家和工程师经 4 年努力研制的永磁体，可以产生一个很强的磁场。当宇宙中的带电粒子穿过这个磁场时，磁场就对它施加洛仑兹力使之发生偏转，这时，记录有关数据，再用电子计算机进行数据处理，就可以从中区分出正电子等各种带电粒子。 丁肇中于1995年提出了阿尔法磁谱仪的设想，并主持其相关的国际合作计划。这计划是一个国际合作项目，动员了来自15个国家31所大学院校的上百名科研人员。 中国科学家为磁谱仪倾注了大量心血，参加阿尔法磁谱仪国际合作的中国单位还包括中国科学院电工研究所、上海交通大学、东南大学、山东大学、中山大学，以及中国台湾的&ldquo 中央研究院&rdquo 物理研究所、&ldquo 中央大学&rdquo 、中山科学研究院等。 阿尔法磁谱仪最关键的永磁体系统是由中国科学院电工研究所、中国科学院高能物理研究所和中国运载火箭技术研究院联合研制，211厂生产制造。 2011年5月16日，美国&ldquo 奋进号&rdquo 航天飞机将阿尔法磁谱仪送入太空，安放在国际空间站上。

阿尔法磁谱仪(又译反物质太空磁谱仪，简称AMS)于2011年被放置到国际空间站(ISS) 　　穿越辐射探测器(Transition Radiation Detector)能检测高能粒子的速度 硅追踪器(Silicon Trackers)用于追踪粒子的运动轨迹，轨迹的弯曲程度显示了粒子的电荷 永磁铁(Permanent Magnet)是阿尔法磁谱仪的核心部件，能令粒子轨迹弯曲 飞行时间计算器(Time-of-flight Counters)能计算低能粒子的速度 星体追踪器(Star Trackers)能扫描星域，以确定阿尔法磁谱仪在太空中的朝向 切伦科夫探测器(Cerenkov Detector)可精确计算快速通过的粒子速度 电磁量能器(Electromagnetic Calorimeter)用于计算影响粒子运行所需的能量 反符合计数器(Anti-coincidence Counter)可将干扰粒子过滤出去。 　　在宇宙的遥远天体之间，引力的作用并不能解释天文学家看到的一切，如果只有这些天体的引力，那各个星系应该处于分崩离析的状态，因此在各个星系之间，还存在把它们联接在一起的物质。天体物理学家将这种理论中的物质称为“暗物质”，我们看不见它们，但它们确实在星系间起着作用。在最大的距离尺度上，宇宙正在加速扩张。因此我们更需要关注与引力作用截然不同的暗物质。目前的理论估计，宇宙的73%为暗能量，23%为暗物质，而只有4%是我们已知的物质。 　　北京时间2月20日消息，据国外媒体报道，作为人类在太空中进行的最为昂贵的实验，阿尔法磁谱仪(简称AMS)项目即将向地球发送回首批观测数据。这个大型的实验装置被放置在国际空间站上，用于探测宇宙射线及高能粒子。 　　诺贝尔物理学奖获得者丁肇中称，将于未来几周内发表涉及暗物质的研究论文。阿尔法磁谱仪项目最初便是由丁肇中提议开始。在宇宙中，正是那些我们看不见的暗物质将各个星系联接在一起。研究者并不了解这些谜一般的宇宙物质如何构成，但有理论提出，大质量弱相互作用粒子(简称WIMP)是暗物质最有希望的候选者，这是一种尚处于理论阶段的粒子。 　　虽然天文望远镜无法探测到大质量弱相互作用粒子，但阿尔法磁谱仪很有希望通过间接的方法来确认其存在，并描述它的性质。即将刊出的研究论文(发表期刊还未确定)将对这项研究的进展作详细阐述。 　　丁肇中在麻省理工学院任物理学教授，他在20世纪90年代中期提出的这个项目如今到了一个重要的里程碑时刻。“我们等待了18个月来写这篇论文，如今到了最后审视的阶段，”丁教授在波士顿的一次美国科学促进会(AAAS)的年会上发言道，“我预计在未来两到三周内，我们就能发布研究成果。我们一共有六个分析小组对相同的数据结果进行分析。如你所知，每个物理学家都有他们自己的见解，我们现在要保证每个人都能同意彼此的观点。这项工作现在已经完成得差不多了。” 　　20亿美元的仪器：“探索未知” 　　2011年，造价20亿美元的阿尔法磁谱仪搭载奋进号航天飞机前往国际空间站，这也是奋进号的最后一次任务。阿尔法磁谱仪重达7吨，拥有一个巨大的特制超导磁铁，能使落在它上面的粒子轨迹发生弯曲。 　　粒子的弯曲轨迹显示了它的电荷，再通过一系列的探测器对粒子的质量、速度和能量等进行分析，科学家便能准确知道捕获的是什么粒子。据丁肇中教授称，在阿尔法磁谱仪运行的最初18个月中，已经探测了250亿次粒子事件。 　　暗物质和暗能量之谜 　　在这些粒子事件中，有近80亿次是快速运动的电子及与其对应的反物质——正电子。理论上，大质量弱相互作用粒子的碰撞和湮灭会产生大量电子和正电子。通过测定二者的比例，以及在能量谱上的行为变化，科学家或许能找到研究暗物质问题的途径。 　　“在对正电子和电子的观测中，如果发现二者比例突然上升然后急剧下降，那就是星系中暗物质湮灭的关键标志，”芝加哥大学卡弗里宇宙学研究所的迈克尔特纳(Michael Turner)教授说，“在能量体系中也要考虑，是否具有各向异性?正电子是从固定的某个方向还是从所有方向出现?” 　　特纳教授并未参与阿尔法磁谱仪的合作项目。他继续说道：“暗物质应该无所不在。因此如果我们发现正电子从某个特定的方向发出，就意味着该信号是来自像脉冲星(一种中子星)一类的天体，而不是暗物质。”据悉，此次阿尔法磁谱仪的数据涉及的是0.5至350GeV(10亿电子伏特)质量范围内的正电子—电子比例。这一范围已经是其他实验中，科学家认为可能发现暗物质的上限。 　　特纳教授说，科学家已经逐渐接近了目标。他预测未来数年将会被铭记为“大质量弱相互作用粒子(WIMP)的十年”，而且通过一系列的研究，包括利用大型强子对撞机制造WIMP等，暗物质的性质将逐渐呈现在我们面前。 　　“理论上，这种粒子的质量大约在质子质量的30、40和300倍之间，即在30至大约1000GeV之间，”特纳教授说，“大型强子对撞机能够制造这样质量的粒子，丁肇中的阿尔法磁谱仪能探测到这样质量的粒子湮灭，而位于深地底的探测器对这样质量的粒子也非常敏感。如果非常幸运的话，我们能同时获得有关暗物质的三个特征信号，分别是通过观测粒子湮灭、直接探测粒子以及用大型强子对撞机制造粒子，这三种方法在同样的质量范围内都很灵敏。”

美国“奋进”号航天飞机当地时间16日从肯尼迪航天中心发射升空，前往国际空间站。这是“奋进”号最后一次升空，主要任务是运送名为“阿尔法磁谱仪2”的太空粒子探测器。记者昨获悉，在研制阿尔法磁谱仪的过程中，东南大学承担了重要任务。 　　专家介绍，宇宙大爆炸产生了正物质，理论上，还应当存在反物质和暗物质，但现实中又苦于找不到它们存在的真凭实据。在诺贝尔奖获得者、美籍华人丁肇中的领导下，16个国家和地区的研究人员开始了寻找这两种神秘物质的征程。他们的主要工具就是阿尔法磁谱仪。 　　1998年，美国“发现”号航天飞机搭载第一代阿尔法磁谱仪升空，但由于种种原因，实验受挫，仪器被毁。此后，科学家开始研制第二代阿尔法磁谱仪。 　　“阿尔法磁谱仪就像人类派往太空的神探。”东南大学计算机学院院长罗军舟教授介绍，它的主要本领是能够探测到太空中“流窜”的粒子，这基于磁谱仪强大而特殊的磁场。因为带电粒子进入磁场后其轨迹会发生变化，不同带电粒子的轨迹变化也不同，而不带电的粒子其轨迹则不会发生变化，因而观测粒子进入这一磁场后轨迹是否变化、变化程度有什么不同，就可以推知这是何种粒子。 　　在第二代磁谱仪的研发中，东南大学承担的主要任务包括：建立磁谱仪模拟实验系统、反物质探测系统、数据处理和海量数据存储系统。其中，磁谱仪模拟实验系统能够模拟仪器上出现的任何问题，反物质探测系统是磁谱仪上若干层探测器的重要组成部分，而数据处理和海量数据存储系统将为科学家将来寻找反物质提供数据。 　　“磁谱仪在空间站运行过程中，会产生大量的数据，传输到美国国家航空航天局(NASA)，再由NASA传输到丁肇中负责的、位于日内瓦的欧洲核子研究中心。” 　　罗军舟说，研究中心会把数据传输到东南大学，进行分析。磁谱仪产生的数据量将达到420个T，相当于21个国家图书馆的藏书量。数据分析过程中，东南大学还将搭建一个数据平台，供参与这一项目的各国物理学家调取研究，反物质和暗物质到底能否发现，都将取决于这个数据分析平台。 　　据悉，第一代阿尔法磁谱仪的原型系统目前也陈列在东南大学的AMS01实验室内，供国内学者研究。

2011年，全球科研领域捷报频传，外空新发现、医卫新研发、基础研究新突破……一项项成果记录着人类在探索和发展道路上的不懈追求与努力。 　　1、植物纤维中取“汽油”　生物燃料研发获突破 　　3月，美国研究人员利用生物技术直接从植物纤维素中提取出新型燃料异丁醇，该生物燃料在性质上更接近普通汽油，其能量密度、辛烷值和蒸汽压均与汽油相似，可与汽油以任何比例调配，普通汽车引擎也可直接使用。无论从燃烧效率还是生产和使用成本来看，生物制异丁醇都可谓最佳汽油替代品。 　　这一成果可谓下一代生物燃料研究的巨大进展，而生物燃料不仅可以催生新兴产业，更有助于人类尽早摆脱对化石能源的依赖。 　　2、长时间“捕获”反氢原子　反物质研究迎契机 　　6月，欧洲核子研究中心成功用磁场陷阱“捕获”112个反氢原子，“捕获”时间最长达1000秒。此前反氢原子的束缚时间仅为172毫秒，科学家在反物质原子束缚时间上取得巨大突破，有利于对反物质性质进行精确研究。 　　科学界对此欢欣鼓舞，认为这是物理学领域的一次突破，距离反物质的“真相”又“近了一步”。英国《自然》杂志称，成功“捕捉”反氢原子后，通过比较反物质和正物质，科学家们就可以测试粒子物理学“标准模型”中最核心的基本对称理论。 　　3、测序马铃薯基因组　为粮食安全作贡献 　　中国科学家主导的国际研究团队于7月成功完成马铃薯基因组测序工作，《自然》杂志当月发表了马铃薯全基因组序列图和相关论文。 　　作为世界上第三大粮食作物，马铃薯对全球粮食安全的作用日显重要。通过全基因组设计育种，马铃薯育种家们能加速培育高产、高营养和抗病虫害的新品种。中方团队主导的这项研究，也奠定了中国在这一研究领域的国际领先地位。 　　4、分离甲流超级抗体　加速“全能”疫苗研发 　　英国和瑞士科学家7月在《科学》杂志上报告说，他们利用X射线晶体学的新方法，在一名甲型流感病毒感染者体内分离出甲流病毒超级抗体，动物实验显示该抗体可中和所有甲流病毒。 　　由于流感病毒的血凝素演变非常快，科学家不得不每年重新制备新疫苗以应对其变化。研究人员一直希望研制出“全能型”通用流感疫苗，从而“一劳永逸”。而这项发现为通用流感疫苗的研制带来希望，可能成为该领域研究具有历史意义的转折点。 　　5、外星液态水证据有望探寻地外生命 　　美国航天局8月和11月分别宣布，根据火星勘测轨道飞行器和“伽利略”号探测器发回的观测数据，研究人员在火星和木星的卫星——木卫二上发现液态水存在的证据。其中火星表面存在液态水的证据是迄今为止获得的“最好证据”，而木卫二的冰封表面下可能存在大量液态水。这一发现为人类寻找地外生命带来了更大希望。 　　6、中微子“超光速” 现代物理学基础或改写 　　9月，意大利格兰萨索实验室实验装置接受了730公里外欧洲核子研究中心的中微子，研究人员发现，中微子跑过这段距离的时间比光速快了60纳秒。欧核中心10月开启的复核实验，再次证实相关结果。 　　中微子“超光速”现象引发物理学界巨大争议，因为其意义事关现代物理学基础。如最终被证实，以“光速不可超越”为基石的爱因斯坦相对论将被改写，人类的时空观或将重建。 　　7、抗艾疫苗新成果 艾滋病患盼福音 　　西班牙马德里的格雷戈里奥马拉尼翁医院10月宣布，该院研制的名为“MVA-B”的艾滋病疫苗已进入人类临床测试的第二阶段。初步测试证明，该疫苗能弱化艾滋病病毒，使其只能引发“轻微慢性感染”，对30名试验对象的测试结果显示，免疫率高达90%。 　　8、发现宜居行星　地球找到“孪生兄弟” 　　美国航天局12月宣布，科学家利用“开普勒”太空望远镜，在距地球约600光年外的恒星系统中发现了一颗宜居星球。这个代号为“开普勒-22b”的行星，其所处行星系统与太阳系类似，半径约为地球半径的2.4倍，绕恒星运行的周期约为290个地球日。 　　作为人类迄今发现的最小且最适于表面存在液态水的行星，这颗行星的发现证明，地球的“孪生兄弟”也许真的存在。类地行星一直是人类太空研究的热点之一，如果未来真能发现如地球般适合人类居住的星球，其意义不言而喻。 　　相关新闻：2011年度“中国高校十大科技进展”评选揭晓

5月16日,高精度粒子探测器“阿尔法磁谱仪2”搭乘美国“奋进号”航天飞机驶入寰宇。 　　5月16日，几经推迟之后，高精度粒子探测器——“阿尔法磁谱仪2(AMS–02)”搭乘美国“奋进号”航天飞机的“绝唱之旅”，驶入寰宇。未来10年或更长时间里，它将在国际空间站运行，寻找反物质和暗物质，探索宇宙的起源及其构成。 　　“鲜为人知的是，它体内有一颗强大的‘中国心’——一块‘MADE　IN　CHINA’、内径约1.2米、重约2.6吨、中心磁场强度1370高斯的环形巨大永磁铁。”中科院高能物理研究所所长、中科院院士陈和生接受新华社记者专访时说。 　　“阿尔法磁谱仪”实验是一个大型国际合作科学实验项目。由诺贝尔物理学奖得主、华裔美国科学家丁肇中教授领导，美国、中国、德国等16个国家和地区的数百名研究人员参与其中。陈和生是这个团队首批科学家和主要成员之一。 　　反物质和暗物质是两种“神秘”物质。从理论上讲，它们应当存在，但现实中还没有找到证明它们存在的真凭实据。“宇宙是最终的实验室。”丁肇中在4月底发表的公报中表示。 　　“要分辨物质与反物质，就得想办法测量粒子带正电还是负电。这就需要把一个巨大的磁铁送到太空中去。如果使用常规磁铁，到处弥漫磁场根本无法在太空中运行。”陈和生说。 　　1998年6月，“阿尔法磁谱仪1(AMS–01)”搭载美国“发现号”航天飞机首次进入太空，成为人类送入宇宙空间的第一个大型磁谱仪。当时，陈和生在佛罗里达州肯尼迪航天中心亲历了那次为期10天的实验。 　　“这10天里，中国永磁体经受住了考验，工作正常。时隔13年后的今天，它再次‘披甲上阵’，到国际空间站做长期实验，帮助AMS–02‘捕捉’神秘的反物质和暗物质。”谈起AMS–02最核心部件——中国造永磁体，陈和生无比自豪。 　　丁肇中曾多次坦言，磁谱仪项目是他40多年科研生涯中遇到的“难度最大”的实验，甚至比当初为他赢得诺奖的J粒子实验还要“困难得多”。 　　“最大的挑战就是要将大型磁铁放入太空。”丁肇中说。美国国家航空航天局(NASA)对磁铁的负载安全要求极高。一是要降低漏磁，避免干扰航天飞机和空间站其他仪器的工作。二是磁二极矩必须极小，以免磁谱仪在地球磁场作用下产生转动。 　　按照惯例，NASA对搭载大型设备需做三次安全评估，而中国制造的钕铁硼磁铁只做了两次就顺利“闯关”。业内人士说，这在NASA检验史上还是第一次。 　　这块强大的“中国心”到底神奇在哪里? 　　“中科院电工研究所、高能所和中国运载火箭技术研究院的科学家们通力合作，选择新型高磁能积钕铁硼材料，采用独特的‘魔环’结构磁路设计，64个磁化方向连续变化的永磁条安装其中。这种结构使永磁体磁场约束在AMS磁体内部，漏磁和磁二极矩比NASA的要求小了一个数量级。”陈和生说。 　　不久前，AMS–02曾进行模拟空间测试。科学家根据测试结果决定，沿用曾服役AMS–01的中国永磁体，它可以使磁谱仪使用寿命长达18到20年。 　　此外，AMS-02在AMS-01的基础上增加了若干新的子探测器。其中，中科院高能物理研究所与中国航天科技集团公司的专家和意大利、法国同行共同研制出作为探测器关键部分的电磁量能器。 　　“电磁量能器能精确测量光子和电子的能量，并排除宇宙线质子的本底，对探测的暗物质粒子十分关键。”陈和生说。 　　参加AMS02国际合作的国内单位还有东南大学、中山大学、山东大学、上海交通大学和北京航空航天大学。

美国《时代》周刊12月9日在其网站上揭晓了本年度十大科学发现评选结果。 　　1. 最出众的长角恐龙 　　美国科学家在犹他州发现了15只角，而它们竟然是重达2500公斤的巨型恐龙的头顶装饰物。这种名为科斯莫角龙的恐龙生活在7600万年前，犹他大学研究人员在2007年的一次探险活动中出土了这些化石残骸，但直到今年9月才正式为其命名并进行了描述。化石不仅揭示了这种年代久远的奇异物种，而且表明从前的北美与现在并不一样。 　　2. 物质比反物质多1% 　　美国费米国家实验室的Tevatron加速器在碰撞实验中发现，中性B介子衰变后的产物似乎存在一种不对称性。传统的粒子物理学理论认为，宇宙大爆炸应该产生了等量的物质和反物质，但二者相遇的瞬间就会一起湮灭，而事实是目前的世界由物质组成，反物质却不知所踪。直到今年，费米实验室的科学家发现，粒子碰撞过程中产生的μ介子(一种重电子) 数量比反μ介子多1%。虽然这是个很小的数目，但很显然，正是物质和反物质数量上这一微小差额创造了宇宙。 　　3. 月球水比想象的丰富 　　布满灰尘和岩石的月球予人的印象便是一片不毛之地。但其实它比我们想象的要更加潮湿。美国国家航空航天局的LCROSS(月球陨坑观测和传感卫星)对月球南极附近区域实施了“双星撞月”任务，并对撞击产生的羽尘进行了分析，结果发现月球水的含量比天文学家预期的多出大约50%，月球的湿润程度几乎是撒哈拉沙漠的两倍。这或许足以让未来定居月球的人就地建造供水设施，相较于从地球运水而言更容易也更经济。 　　4. 机器人考古墨西哥金字塔 　　墨西哥特奥蒂瓦坎古城遗址上的金字塔群一直是北美6大考古宝藏之一。现在，尘封往事的神秘面纱将被缓缓揭开：科学家今年将一个配备有照相机的考古机器人送到地下，机器人在探索过程中发现了一条12英尺(约3.66米)宽的隧道，其建于2000年前的拱型屋顶依旧保存完好。考古学家满怀希望地认为，隧道可能通往大祭司的坟墓，这一发现将揭示建造这座中美洲大都市的人从前的生活面貌。 　　5. 衰老是基因作祟 　　为什么有些人可以青春永驻，而有些人却在为“红颜辞镜”而叹息感慨?原因之一可能与人类TERC基因附近的一小簇DNA(脱氧核糖核酸)序列有关。一项发表在《遗传学》杂志上的英国研究发现，拥有一个TERC基因副本的人，其端粒的长度与年长他们三四岁但不携带这一基因的人差不多，换句话说，他们比实际年龄老了三到四岁。而《自然》杂志公布的另一项研究表明，哈佛医学院的研究人员通过开启过早衰老的老鼠体内的一个端粒酶基因，扭转了老鼠的衰老进程，老鼠的器官也得以再生，其萎缩的大脑体积增大，并且恢复了生育能力。 　　6. 行星普查数量激增 　　天文学家们从未停止过对太阳系外已知行星的普查，并于今年发现了许多新的天体“公民”。最令人兴奋的发现当属Gliese 581g，这是天文学家发现的首颗在所谓的“宜居带”围绕母星旋转的太阳系外行星，该区域气温条件不太冷也不太热，适合生命存活。不过，这颗“宜居”行星可能真的是个童话故事，因为后续研究已经在怀疑其是否存在。但对于科学家来说，有一点毋庸置疑，那就是那里还有更多类似的星球存在，或者人类很快就会找到它们。 　　7. 隐藏历史的终极时空斗篷 　　时空斗篷听上去好像挺玄的，但英国伦敦帝国学院的物理学家马丁麦考尔在《光学杂志》上发表了一篇论文，从理论上描述了利用“超物质”打造时空斗篷的可行性。通过对“超物质”进行分子改造，可以扰乱电磁能(光粒子)的流动，光在经过“超物质”时传播速度就会出现加快或者放慢，从而在时间和空间上形成一段空白。按照麦考尔半开玩笑的描述，使用这项技术，窃贼可以进入房间将保险柜里的物品席卷一空，但一刻不停工作的监控摄像头却会“错过”这一过程。不过，该技术也有美中不足之处：考虑到光传播的速度，哪怕只隐形几分钟，这件斗篷的尺寸就得大约1亿米长。 　　8. 史前化石或能填补人类进化空白 　　南非马拉帕洞穴出土了两具距今大约200万年前的高级灵长类动物骨架化石，分别属于一位成年女性和一名男童。在从猿到人的进化过程中，由于南方古猿和人猿之间有着巨大的差异，科学界一直怀疑，这两者之间存在某种过渡物种。《科学》杂志今年4月刊登论文指出，化石可能填补了人类进化史上重要的一环，因为之前几乎没有骸骨证据表明在那段时期中人类进化过程到底发生了什么。但对于这个被称为源泉南方古猿的新物种具有何意义，古生物学家持有不同观点，有些人认为它对于理解人类进化并无帮助。 　　9. 合成第117号元素 　　俄美科学家利用粒子加速器，成功将锫和钙同位素合成为一种拥有117个质子的新元素ununseptium，它可能就是科学家一直寻找的第117号元素。新元素只存在瞬间(不到一秒)就消失了，必须在其他实验室再次被独立合成出来，才能获得认可，确保它在元素周期表上永久地“站住脚”。对Ununseptium进行的放射性衰变分析可能将证实“稳定岛”的存在，根据这一理论，超重元素可能稳定存在长达几个月或者几年的时间。但就目前来看，元素周期表似乎还没有被完全补足。 　　10. 猫的饮水技巧 　　麻省理工学院、普林斯顿大学和弗吉尼亚理工大学的科学家们终于揭开了为何一只猫在喝牛奶的时候却不会弄湿下巴和胡须的秘密。对高速录像的分析结果显示，狗会将舌头卷成长柄勺状来舀水喝，而猫的饮用方式更优美，它会将自己的舌头卷到液面以下，然后轻轻触碰液面。猫舔食液体的速度快达每秒4次，这是一个地心引力、惯性和以每次0.1毫升的速度舔食液体却不会引起液体动荡或溢出的流体动力学相互作用的复杂过程。

轻反原子核由反质子和反中子组成。根据《自然物理》杂志发表的一篇论文，大型强子对撞机（LHC）团队研究认为，轻反原子核或能在银河系中穿越很长的距离。这项研究结果表明，这些反原子核或能用于寻找暗物质。反原子以及反原子构成的反分子等，统称为反物质，反物质与我们周围世界中的常规“正”物质相遇，则发生湮灭，释放大量能量。也正因如此，地球上没有反原子核的天然来源，但它们会在银河系的其他地方产生。有观点提出，反原子核可能是源于太阳系外的高能宇宙辐射与星际介质（星系中恒星之间空间）中的原子相互作用的结果。另一种观点认为，反原子核是尚未发现的暗物质粒子湮灭所形成的。为探索反原子核与物质的相互作用，欧洲核子研究中心的LHC所属ALICE合作组，日前分析了氦-3（氦的一种稳定同位素）原子核的反粒子。研究人员利用LHC的粒子对撞产生反氦-3原子核，再让这些反原子核与ALICE探测器中的物质相互作用，让它们消失。通过研究，团队科学家们确定了反氦-3原子核的消失概率，以及这种概率在这些反原子核穿越银河系过程中所产生的影响。

据英国《新科学家》杂志网站8月18日(北京时间)报道，俄罗斯国立核研究大学的亚历山大费德罗夫及其同事在即将发表于最新一期《物理评论快报》上的研究论文中说，根据他们的计算，一个强大的激光器可将制造出的首个正负电子对加速到很高的速度，从而让它们发光，这道光再与激光“合力”，产生更多的电子对。而这正是量子力学在20世纪30年代的一种预言。 　　量子力学的不确定性原理意味着，宇宙空间并不是真的空无一物。相反，宇宙的随机波动使之变成了“一锅热腾腾的粒子汤”，电子以及其对应的反物质正电子就在其中。通常情况下，这些粒子一碰到其反物质，彼此都会瞬间湮灭于无形，我们根本来不及一睹其真容。不过，物理学家在20世纪30年代曾经预言，一个非常强大的电场可以让这些“幽灵粒子”显露形迹。由于这些粒子带有相反的电荷，电场可以将它们推往相反的方向，使它们分开而不至于同归于尽。 　　而能够产生强大电场的激光器就是完成这项任务的理想“人选”。1997年,美国斯坦福直线加速器中心的物理学家们利用激光成功制造出了正负电子对，不过当时一次只能产生一个正负电子对。现在，科学家通过计算表明，下一代功能更强大的激光器可以通过启动连锁反应，捕捉到数以百万计的正负电子对。 　　俄研究小组的计算表明，对于一台可将大约1026瓦的能量聚焦于一平方厘米范围的激光器而言，这样的连锁反应能够有效地将其激光转变成数百万个正负电子对。 　　该研究论文的合作者、德国马普量子光学研究所的乔治科恩称，第一个拥有如此强大功能的激光器或许于2015年由欧洲超强激光设施项目建成，不过之后还需几年时间完成必要的升级才能达到每平方厘米聚焦1026瓦的能量。 　　美国普林斯顿大学的柯克麦克唐纳表示，能够产生大量正电子的能力对于粒子加速器非常有用，比如提议新建的国际直线对撞器，其能够以极高的能量使电子和正电子一起粉碎，模拟宇宙诞生瞬间的高能量场景。 　　目前用于大批量制造正电子的标准方法是将一块金属片上的高能电子束点火，以产生正负电子对。有专家认为，与之相比，超强激光器利用连锁反应来制造正电子的成本过于高昂。

由中国科学院院士工作局、中国工程院学部工作局和科学时报社共同主办，557名中国科学院院士和中国工程院院士，投票评选瀚霖杯2010年中国十大科技进展新闻和世界十大科技进展新闻，2011年1月19日在京揭晓。 　　2010年世界十大科技进展新闻 　　1、人造生命迈出关键一步 　　美国J• 克雷格• 文特尔研究所的研究人员在《科学》杂志上报告说，他们人工合成了一种名为蕈状支原体的细菌的脱氧核糖核酸(DNA)，并将其植入另一个内部被掏空的、名为山羊支原体的细菌体内。最终他们使植入人造DNA的细菌重新获得生命，并开始在实验室的培养皿中繁殖。研究人员表示，这是第一个人造细胞，它向人造生命形式迈出了关键一步。专家评论认为，这是人类历史上最重要的科技成果。 　　2、首次探测到暗物质粒子 　　神秘的暗物质一直令科学家感到迷惑不解，这种看不见的物质占宇宙质量的大约四分之三。美国佛罗里达大学科学家首次探测到暗物质粒子。在美国明尼苏达州北部的索丹铁矿地下2000英尺(约合610米)，动用了30台高灵敏度探测仪，并将温度降低至零下273.1摄氏度。在这种实验环境下，当一种被称为“弱相互作用大质量粒子”(Wimp)撞击一个普通的原子时，这些探测仪将能够捕捉到撞击事件，从而确定Wimp粒子的存在。 　　3、发现“超级细菌” 　　8月11日，来自英国、瑞典、印度和巴基斯坦的四国科学家在权威医学杂志《柳叶刀-传染病》上联合发表文章称，他们发现了几种“超级细菌”，对几乎所有抗生素都有极高的耐药性，而这些细菌可能对全球的公共健康造成极大影响。这些菌株有一个共同点：都携带着一种相同的基因突变，能编码金属-β-内酰胺酶， 简称NDM-1。有了NDM-1，细菌就等于有了非常坚固的护盾，因为这种酶能够水解大多数抗生素，使之失效。上述文章发表后不久，“超级细菌”就在多个国家小规模爆发，引起了不小的恐慌。 　　4、首次成功制造并捕获反物质原子 　　欧洲核子研究中心的科学家成功制造出多个反氢原子，并利用磁场使其存在了“较长时间”。这是科学家首次成功捕获反物质原子。氢原子是只有一个质子和一个电子的最简单的原子。实际上，欧洲核子研究中心早在1995年就第一次制造出了反氢原子，但只能存在几个微秒的时间，就与周围环境中的正氢原子相碰并湮灭。此次的突破之处在于，制造出数个反氢原子后，借助特殊的磁场首次成功地使其存在了“较长时间”——约0.17秒。这一成果被看作是物理学领域的一大突破，将大大推动有关反物质的研究。 　　5、IBM发布硅纳米光子芯片技术 　　IBM公司12月2日发布了其在芯片技术领域的最新突破——历时10年研发的CMOS集成硅纳米光子学技术，该芯片技术可将电子和光子纳米器件集成在一块硅芯片上，使计算机芯片之间通过光脉冲(而不是电子信号)进行通讯。这一新技术的另一个优势在于它可在一个标准的芯片制造生产线上生产，不需要新的或者特殊的工具。科学家有望据此研制出比传统芯片更小、更快、能耗更低的芯片，为亿亿次超级计算机的研发开辟道路。 　　6、“普朗克”卫星绘出首幅宇宙全景 　　欧洲航天局7月5日宣布，该机构的宇宙探测卫星“普朗克”根据此前收集的数据，绘出了首幅宇宙全景。这幅图的珍贵之处在于捕捉到宇宙微波背景辐射，它形成于宇宙大爆炸时期，经过137亿年的漫长旅行才到达地球，对研究人员而言，它就是研究星系起源的 “活化石”。图像正中是地球所在的银河系，其周围布满了冷尘埃形成的纤维状物质，研究人员分析说，这片区域正是恒星形成的地方，而“普朗克”卫星拍下正在诞生的星体以及尚处在萌芽状的恒星。天文学家根据它提供的数据，可以更好地了解宇宙的起源及其现在的运行方式。 　　7、大型强子对撞机质子束流对撞首获成功 　　欧洲核子研究中心3月30日宣布，大型强子对撞机总能量为7万亿电子伏特的两个束流对撞获得成功。这是世界上目前能量最高的对撞。科学家认为，对撞成功对探索宇宙起源和粒子研究具有里程碑式的意义。欧洲核子研究中心11月4日宣布，2010年大型强子对撞机质子对撞运行当天圆满结束，已完成今年的实验目标，获得的主要成果包括对撞机的“性能参数亮度”达到设计目标，确认粒子标准模型的部分内容，在质子对撞中首次探测到“顶夸克”，确定“受激夸克”等新粒子产生的能级范围。 　　8、“千人基因组计划”获重大成果 　　由中、美、英国科研机构发起的大型国际科研合作项目“千人基因组计划”，10月28日在英国《自然》杂志上以封面文章形式发布了迄今最详尽的人类基因多态性图谱，同时也在美国《科学》杂志上报告了在基因研究技术手段上的收获，相关成果标志着人类基因研究进入了一个划时代的新阶段。这一计划取得了两个重要成果，第一是获得了迄今最详尽的人类基因多态性图谱，第二是探索出了研究基因多态性的新技术手段。 　　9、发布首份全球海洋生物普查报告　 　　历时10年的全球“海洋生物普查”项目10月4日在伦敦发布最终报告，根据普查得出的统计数据，海洋生物物种总计可能有约100万种，其中25万种是人类已知的海洋物种，其他75万种海洋物种人类知之甚少，这些人类不甚了解的物种大多生活在北冰洋、南极和东太平洋未被深入考察的海域。来自80多个国家和地区的2700多名科学家共发现6000多种新物种，它们以甲壳类动物和软体动物居多，其中有1200种已认知或已命名，新发现待命名的物种约5000种。这是历史上首次进行全球海洋生物普查。 　　10、量子纠缠首次在电晶体线路中完美实现 　　一个由法国、德国和西班牙物理学家组成的研究团队首次确凿地证明：从电晶体装置中分离出来的粒子，仍可实现量子纠缠。这是量子力学的一次突破性进展。量子纠缠在全固体材料中的完美实现，意味着量子力学真正走进了电子元件中，量子纠缠和全固体材料结合的目的就是实现量子计算以及更加固若金汤的通信。该成果让科学家迈入了量子研究的新境界。在以原子为基石的微观世界里，光与电的行为将不再服从古典规则，而是量子物理规律。(郭祎)

正在组装中的“阿尔法磁谱仪2”太空粒子探测器。 　　“奋进”号昨晚踏上最后太空之旅 　　美国“奋进”号航天飞机16日从美国佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空，服役近20年的“奋进”号由此踏上了自己的“绝唱”之旅。这是其第25次也是最后一次升空，主要任务是为国际空间站运送名为“阿尔法磁谱仪2”的太空粒子探测器。 　　粒子探测器阿尔法磁谱仪(AMS)用于探测宇宙中的反物质和暗物质，探索宇宙的起源与未知。AMS计划是由诺贝尔奖获奖者丁肇中教授领导的、由全球16个国家和地区的56个研究机构合作承担的国际性大型科研项目，超过1500名科研人员参与其中。中山大学参与研制的“硅微条轨迹探测器热控系统”将为AMS的硅微条探测器提供高度稳定和均匀的温度环境，中大也成为AMS中唯一研制用于太空实验装置的中国高校。

今日视点 　　美国《科学》杂志20日公布了本年度10大科学突破，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。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。 　　1.希格斯玻色子 　　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。(驻美国记者 毛黎)

由中国科学院、中国工程院主办，中国科学院院士工作局、中国工程院学部工作局、中国科学报社承办，中国科学院院士和中国工程院院士评选的瀚霖杯2011年中国十大科技进展新闻、世界十大科技进展新闻，2012年1月17日揭晓。 　　2011年中国十大科技进展新闻 　　1 天宫一号与神舟八号成功实现交会对接 　　11月3日1时36分，神舟八号与天宫一号在太空成功实现首次交会对接。从接触到最后锁紧，它们用了8分钟。对接机构完成锁紧后，天宫一号姿态启控，建立起组合体飞行模式，开始组合体运行，进行一系列相关科学试验。11月14日20时，在北京航天飞行控制中心的精确控制下，天宫一号与神舟八号成功进行了第二次交会对接。这次对接进一步考核检验了交会对接测量设备和对接机构的功能与性能，获取了相关数据，达到了预期目的。11月17日19时32分，神舟八号飞船降落于内蒙古四子王旗主着陆场。天宫一号与神舟八号交会对接任务取得圆满成功。继美俄之后，中国成为世界上第三个掌握完整的太空对接技术的国家。 　　天宫一号与神舟八号成功实现交会对接，标志着我国空间交会对接技术取得重大突破，实现了我国空间技术发展的重大跨越。这是我国载人航天事业发展史上的重要里程碑。 　　2 “蛟龙”号载人潜水器成功突破5000米 　　7月26日上午， “蛟龙”号在第二次下潜试验中成功突破5000米水深大关。共有来自13家单位的96名科研人员参加了本次海试任务。海试期间，共完成5次下潜作业，共有8人完成15人次下潜，下潜深度分别为4027、5057、5188、5184和5180米。潜水器在海底完成多次坐底试验，并在中国大洋协会多金属结核勘探合同区开展海底照相、摄像、海底地形地貌测量、海洋环境参数测量、海底定点取样等作业试验与应用，完成了各项试验任务。 　　本次海试是国家“863”计划海洋技术领域的重点任务，由科技部委托、国家海洋局组织、中国大洋协会具体实施，旨在检验和考核“蛟龙”号在5000米级深度的安全性能和作业能力，为开展更大深度海试和未来实际应用奠定基础。 　　这次海试成功，是我国海洋科技发展的一个里程碑，标志着我国具备了到达全球70%以上海洋深处进行作业的能力。 　　3 百亩超级杂交稻试验田亩产突破900公斤 　　杂交水稻之父袁隆平院士指导的超级稻第三期目标亩产900公斤高产攻关获得成功。百亩试验田位于湖南省邵阳市隆回县羊古坳乡雷峰村，18块试验田共107.9亩。9月18日，这片由袁隆平研制的“Y两优2号”百亩超级杂交稻试验田正式进行收割、验收。农业部委派的专家组，中国水稻所所长程式华、江西农业大学党委书记石庆华、农业部科教司推广处徐志宇等国内杂交稻专家一行现场组织指导对袁隆平院士研制的“Y两优2号”超级杂交稻进行收割验收作业，测得隆回县羊古坳乡雷峰村百亩片亩产达到926.6公斤。杂交水稻大面积亩产900公斤，这是世界杂交水稻史上迄今尚无人登临的一个高峰，也是袁隆平带领中国专家迎战世界粮食问题的新课题。此前，由袁隆平院士领衔的科研团队，先后在1999年、2005年，成功攻克超级杂交稻大面积亩产700公斤、800公斤两大世界难关，使中国杂交水稻超高产研究保持世界领先地位。 　　4 首座超导变电站建成 　　4月19日，由中国科学院电工研究所承担研制的中国首座超导变电站在甘肃白银市正式投入电网运行。这也是世界首座超导变电站，标志着我国在国际上率先实现完整超导变电站系统的运行。这座变电站的运行电压等级为10.5千伏，集成了超导储能系统、超导限流器、超导变压器和三相交流高温超导电缆等多种新型超导电力装置，可大幅改善电网安全性和供电质量，有效降低系统损耗，减少占地面积，在核心、关键技术上获得了近70项完全自主知识产权。 　　这座超导变电站采用的四项超导技术中，超导储能系统是目前世界上并网运行的第一套高温超导储能系统 超导限流器是中国第一台、世界第四台并网运行的高温超导限流器 超导变压器是中国第一台、世界第二台并网运行的高温超导变压器，也是目前世界上最大的非晶合金变压器 三相交流高温超导电缆是研制时世界上并网示范的最长的三相交流高温超导电缆。 　　5 发现大脑神经网络形成新机制 　　复旦大学脑科学研究院马兰教授研究团队经3年多研究，发现一种在体内广泛存在的蛋白激酶GRK5，在神经发育和可塑性中有关键作用。这一发现揭示了GRK5在神经系统中的功能，以及调节神经元形态和可塑性的新机制，也给神经元发育异常引起的孤独症和唐氏综合征等疾病的治疗和药物研发提供了新的思路。这一发现刊登在美国《细胞生物学杂志》上，被选为研究亮点和封面论文，并被国际医学和生物论文评价系统“Faculty of 1000”选为“必读”论文，《科学》杂志子刊《科学—信号传导》撰文予以重点介绍。 　　很多影响认知的疾病，比如孤独症、精神发育迟缓、脆性综合征、唐氏综合征等都伴有神经元形态发育的异常。这一研究发现GRK5具有促进神经元形态发育的新功能，证明GRK5是一个促进神经网络形成、调节脑学习记忆等功能的重要蛋白质，为神经元发育异常引起的精神障碍的治疗和药物研发提供了新靶点。 　　6 世界最大激光快速制造装备问世 　　华中科技大学史玉升科研团队研制成功工业级的1.2米×1.2米、基于粉末床的激光烧结快速制造装备，这是世界上最大成形空间的此类装备，超过德国和美国的同类产品。这一装备与工艺的开发表明，我国在先进制造领域取得新突破，使我国在快速制造领域达到世界领先水平。 　　快速制造技术的最大优势是可以扩大人类的创意空间，加速工业产品设计与开发的步伐。已有200多家国内外用户购买和使用这项技术及装备，为我国关键行业核心产品的快速自主开发提供了有力手段。我国一些铸造企业应用该技术后，将复杂铸件的交货期由传统的3个月左右缩短到10天左右，我国发动机制造商将大型六缸柴油发动机的缸盖砂芯研制周期由传统方法的5个月左右缩短至一周左右。该技术被欧洲空客公司等单位选中，用于辅助航空航天大型钛合金整体结构件的快速制造。 　　7 发现人肝癌预后判断和治疗新靶标 　　美国《癌细胞》(Cancer Cell)杂志发表了中国工程院院士、医学免疫学国家重点实验室主任曹雪涛课题组及其合作者的研究论文，报道了其通过深度测序技术进行人正常肝脏、病毒性肝炎肝脏、肝硬化肝脏和人肝癌microRNA组学分析，发现了microRNA-199表达高低与肝癌患者预后密切相关，证明microRNA-199能靶向抑制促肝癌激酶分子PAK4而显著抑制肝癌生长，从而为肝癌的预防判断与生物治疗提供了新的潜在靶标。该工作面向我国重大疾病防治需求和医学界目前普遍重视的转化医学研究，是集基础研究、生物技术与临床标本和病人资料分析等多家单位和学科交叉合作的成果。有关专家认为，该工作揭示的正常与疾病肝脏microRNA组数据为后期进一步研究microRNA在肝脏生理和肝脏疾病中的作用奠定了基础。 　　8 首座快堆成功实现并网发电 　　由中国核工业集团公司组织，中国原子能科学研究院具体实施，我国第一个由快中子引起核裂变反应的中国实验快堆7月21日10时成功实现并网发电，标志着我国在占领核能技术制高点，建立可持续发展的先进核能系统上跨出了重要的一步。 　　该堆采用先进的池式结构，核热功率65兆瓦，实验发电功率20兆瓦，是目前世界上为数不多的大功率、具备发电功能的实验快堆，其主要系统设置和参数选择与大型快堆电站相同。以快堆为牵引的先进核燃料循环系统具有两大优势：一是能够大幅度提高铀资源的利用率，可将天然铀资源的利用率从目前在核电站中广泛应用的压水堆的约1%提高到60%以上 二是可以嬗变压水堆产生的长寿命放射性废物，实现放射性废物的最小化。快堆技术的发展和推广，对核能的可持续发展具有重要意义。 　　9 首座超深水钻井平台在上海交付 　　中国船舶工业集团公司上海外高桥造船有限公司为中国海洋石油总公司建造的“海洋石油981”3000米超深水半潜式钻井平台，5月23日在上海命名交付。 　　这座钻井平台是当今世界最先进的第六代超深水半潜式钻井装备，是中国实施南海深水海洋石油开发战略的重点配套项目。该钻井平台投资额60亿元人民币，将用于南海深水油田的勘探钻井、生产钻井、完井和修井作业，最大作业水深3000米，最大钻井深度12000米，总长约114米，宽90米，高137.8米，面积比一个标准足球场还大，高度相当于43层高楼。平台配置了目前世界上最先进的DP3动力定位系统和卫星导航系统。可谓海洋工程中的“航空母舰”。 　　“海洋石油981”深水钻井平台成功设计建造，填补了中国在深水钻井特大型装备项目上的空白，对于增强中国深水作业能力，实现国家能源战略规划，维护国家海洋权益等具有重要战略意义。 　　10 深部探测专项开启地学新时代 　　深部探测技术与实验研究专项，集中了国内118个机构、1000多位科学家和技术专家联合攻关，取得了一系列重大发现，为下一步地壳探测工程的实施奠定了基础。该专项计划实现覆盖大陆的大地电磁探测阵列网，目前中国大陆电磁标准网已完成全国4°×4°(经度×纬度)控制格架，华北实验区1°×1°观测网格。同时，初步建立起适应中国大陆地质地貌条件的深部精细结构探测技术体系，并首次按照国际标准建立了一个覆盖全国的地球化学基准网，在国际上首次建立了一套81个指标(含78种元素)的地壳全元素精确分析系统。此外，针对地壳活动性规律研究的应力测量技术也得到完善，有助于了解现今地震、地质灾害等发生的成因。 　　我国首台自主研发和生产的1万米超深科学钻探装备于12月20日在成都竣工出厂。这标志着国家深部探测技术与实验研究专项取得了又一个里程碑式的进展。 　　2011年世界十大科技进展新闻 　　1 英国发明超薄“纳米片”制备方法 　　英国研究人员最近发明出通用快捷的纳米片制备方法，能够将多种材料制成只有一层原子的超薄纳米片。 　　英国牛津大学等机构的研究人员在美国《科学》杂志上报告说，只要将具有层状结构的原材料置于某些溶剂中，然后利用超声波对之进行振荡，就可以使这些材料分解成只有一层原子的纳米片。实验显示，氮化硼、二硫化钼、二硫化钨等物质都可以通过这种方法制成纳米片。 　　研究人员瓦莱里娅尼科洛西说，本次研究所发明的方法简单快捷、成本低廉且产量高，有望在工业中大规模制备纳米片材料。 　　据介绍，纳米片可以制成各种薄膜，根据原材料性质的不同而用于诸多领域，如用于生产半导体和下一代电子器件等。本次研究将可能为这些工业领域带来革命性进步。 　　2 最大太阳能飞机首次跨国飞行成功 　　世界最大的太阳能飞机——瑞士制造的“太阳驱动”号5月13日在飞行12小时59分后，于瑞士时间同日21时39分在比利时首都布鲁塞尔降落，飞行距离630公里，成功完成首次跨国飞行。 　　“太阳驱动”项目发布的公报说，“太阳驱动”号由瑞士探险家安德烈勃希伯格驾驶，于当地时间13日8时40分从瑞士帕耶那机场起飞，途经法国和卢森堡，平均时速50公里，最高时速达70公里，平均飞行高度1828米，最高达到3600米。 　　“太阳驱动”号翼展长度为63.4米，机翼上覆盖着太阳能电池板，为飞机上总重达400公斤的4个蓄电池充电。“太阳驱动”号自身重量约1600公斤，仅相当于一辆小货车。这次飞行平均时速50公里，最高时速达70公里，平均飞行高度1828米，最高达到3600米。太阳能飞机可充当空中观测和通信平台，其独特之处在于当气象条件允许时，这种飞机可源源不断地获取太阳能，长时间在某一空域盘旋工作。 　　3 科学家成功“抓住”反物质原子长达一千秒 　　欧洲核子研究中心的科研人员6月5日在英国《自然—物理》杂志上报告说，他们成功地将反氢原子“抓住”长达一千秒的时间，也就是超过16分钟，这有利于对反物质性质进行精确研究。 　　科学家在论文中说，他们在这一轮研究中，先后用磁场陷阱抓住了112个反氢原子，时间从1/5秒到一千秒不等。分析还显示，这次抓住的反氢原子大多数处于基态，也就是能量最低、最稳定的状态。这有可能是人类迄今首次制造出的基态反物质原子。如果能让反物质原子在基态存在10分钟到30分钟，就可以满足大多数实验的需要。在这一轮研究中，科学家最多一次抓住了3个反氢原子。他们希望能将更多的反氢原子束缚较长时间，使测量数据在统计上更加精确。 　　反物质至今是物理学领域的一大谜团。研究反物质原子的特性、比较它们与普通原子在物理规律上是否对等，可能有助于解开上述疑点。 　　4 美国研制出世界上第一束生物激光 　　美国哈佛医学院的物理学家Malte Gather和Seok-Hyun Yun研制出世界上第一束生物激光。这种生物激光的关键是绿色荧光蛋白(GFP)。研究人员将一些产生了GFP的细胞置于两面镜子之间——它们的距离仅仅相当于一个细胞的宽度，即只有约20微米。为了发出激光，细胞中的GFP需要被另一束激光——约1毫微焦耳的低能蓝光脉冲所激发。虽然这种激光很微弱，但能被清晰地探测到，而用于生成激光的这个细胞仍然存活。科学家推测，这种生物激光能够在新型传感器或光基治疗中找到应用，例如，这种激光的使用通过使已有药物产生反应从而杀死癌细胞。 　　美国约翰霍普金斯大学的材料科学家Qingdong Zheng推测，这种生物激光能够在新型传感器或光基治疗中找到应用，例如，这种激光的使用通过使已有药物产生反应从而杀死癌细胞。他说：“这是一项很棒的工作。” 　　5 美国研制成功反激光器 　　美国耶鲁大学的科研人员2月17日报告说，他们研制成功一种反激光器，进入这一装置的激光光束将彼此干涉进而互相抵消。该装置在未来的量子计算机等领域具有潜在用途。 　　研究者介绍说，传统激光器吸收电能，并在非常窄的频率范围内释放光。反激光器则吸收激光光束，最终释放热能，这些热能很容易转化为电能。此外，传统激光器利用“增益介质”，比如半导体物质来产生聚焦光束，而反激光器则利用硅作为“损耗介质”来捕获激光光束。 　　负责这项研究的耶鲁大学应用物理学教授道格拉斯斯通表示，这一装置无法用于制造激光防护罩，其最明显的应用领域是高能计算机领域，还可以用作可随意开关的光学开关，相关技术也会在放射学领域派上用场。 　　这项研究成果发表在美国《科学》杂志上。 　　6 美国“好奇”号火星探测器发射升空 　　11月26日从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空，这个探测器主要用于探索火星过去或现在是否存在适宜生命生存的环境。“好奇”号个头与小汽车相当，重约900公斤，是2004年登陆火星的“机遇”号和“勇气”号火星车的5倍多，长度约为它们的两倍。以核燃料钚提供动力的“好奇”号携带的探测设备更多、更先进，在火星表面的连续行驶能力也更强。经过约5.6亿英里(约合9亿公里)的旅程后，它预计于2012年8月6日在火星着陆，展开为期一个火星年(约687个地球日)的探测。 　　“好奇”号的着陆点预定在火星盖尔陨坑中心山丘的一处山脚下。盖尔陨坑位于火星赤道以南，得名于澳大利亚已故天文学家沃尔特盖尔，形成于大约3.5亿至3.8亿年前，直径约为154公里，面积相当于美国康涅狄格州和罗得岛州之和。盖尔陨坑中心山丘的层状物含黏土和硫酸，着陆点周围存在沉积物形成的冲积扇，这些物质和地貌的形成都与水有关。 　　7 晶体中量子纠缠态信息存储成功 　　加拿大卡尔加里大学科学家和德国科学家合作首次成功在一种特殊晶体中存入光量子纠缠态的编码信息，该项研究成果是量子网络发展的一个里程碑，有望在不久的将来让量子网络成为现实。量子网络的一大优势是可以保护信息在传输过程中不被第三方截取。 　　参与研究工作的卡尔加里大学物理系教授沃夫冈泰特尔介绍，他们在研究工作中将数据信息编码成光量子的纠缠态。在这种状态里，光量子之间形成“纠缠”关系，即便是它们游离开来相距甚远，也会保持这种“纠缠”关系。在某种程度上讲，这种“纠缠”关系意味着量子之间尽管相距甚远还将存在着通信联系。但困难在于，如何能够使它们固定不动而不破坏这种脆弱的量子链接。 　　研究人员使用了一种掺入稀土离子的晶体，并将其冷冻到零下270摄氏度。在此温度下，晶体材料性质发生变化，使得研究人员可以存储和提取这些量子，而不产生明显的退化。 　　8 中外科学家完成马铃薯基因组测序 　　14个国家的29个机构联合成立“国际马铃薯基因组测序协作组”，其中包括中国农业科学院蔬菜花卉研究所、深圳华大基因研究院等。 　　经过6年艰苦努力，该协作组发现，马铃薯基因组包含约3.9万个基因，几乎是人类基因数量的两倍。这项研究成果刊登在英国《自然》杂志上，并成为最重要的封面论文。论文通信作者之一、中国农业科学院蔬菜花卉所黄三文博士说，有了全基因组序列图，将加速马铃薯新品种的培育，原本需要10年至12年的育种过程将有望缩短至5年左右。此外，它还将有助于培育抗病、高营养、高产等优良特性的马铃薯新品种。黄三文透露，中国在这项耗资6000万美元的国际合作项目中发挥了主导作用。他说：“中方使用整个协作组5%的经费(约300万美元)，完成了(论文中成果)70%的工作量。” 　　9 日本研制出世界最快计算机 　　日本IT业巨头富士通公司和日本理化研究所共同宣布已经在神户合作开发出一款运算速度可以达到每秒1.051万万亿次的超级计算机。这款新型超级计算机名为“京”，这是全球首款运算速度越过1万万亿次大关的“超级运算机器”。 　　超级计算机“京”是在日本文部科学省的监督下研制的，该计划原先的设想是由日本本土IT巨头富士通、日立和NEC公司共同承担这项耗资12亿美元的项目，但是在2009年的全球金融危机中，日立和NEC公司先后宣布退出。剩下的富士通公司独力支撑，决心用该公司自己生产的，专为高性能计算机设计的SPARC64 VIIIfx芯片进行研制。“京”采用864座机柜，连接超过8.8万块CPU，这些处理器经过设计能够进行联合运算。富士通此次并未给出“京”的耗电量水平数据，但是根据它在6月份达到每秒1000万亿次运算水平的时候，其实测功率约为9.89兆瓦，也就是大约每年989万美元的用电费用。 　　10 荷兰制造出世界最小分子“电动车” 　　一辆堪称世界最小的“电动车”出现在英国《自然》杂志的封面上，这是一个结构特殊的分子，它也有四个“轮子”，当接收到电流时就向前“行驶”，不过，它“行驶”的距离要以纳米来计算。 　　荷兰格罗宁根大学等机构的研究人员合成的这个分子在中间有一根“主轴”，前后两端各有两个类似轮子的结构。如果用特别小的探针碰一下这个分子，为之提供电流，四个“轮子”就会开始旋转，驱动整个分子前行。在铜板表面对这辆“电动车”进行的测试显示，如果施加10次电流，它可以前进6纳米(1纳米为百万分之一毫米)。 　　这种分子“电动车”将来可用于许多微观领域，比如把微量药物送达人体所需要的地点。不过研究人员表示，这还有很长路要走，因为本次实验是在零下200多摄氏度的低温和高度真空环境中完成的，如何在常规环境下也能让分子“电动车”工作是首先要解决的问题。

国际高能物理学界高度关注的环形正负电子对撞机（CEPC）又有新进展。“我们已经基本完成了CEPC的《技术设计报告》，今年将进行国际评审。”全国人大代表、中科院高能物理研究所所长王贻芳院士日前在接受科技日报记者采访时透露。CEPC是2012年中国科学家提出的关于未来高能对撞机的设想方案。科学家们希望用它研究希格斯粒子、宇宙早期演化、反物质丢失等一些未解的关键科学问题和新的物理规律，并寻找暗物质及其他新粒子。2018年，CEPC的《概念设计报告》正式发布。按照概念设计，CEPC将是一个建在地下50—100米处的周长100公里的“大环”。“在CEPC预研项目支持下，我们攻克了超导高频腔、增强器极弱磁铁、真空镀膜、数字束流测量与控制设备等多项关键技术难关，并研制出相关样机。而且超导高频腔达到了国际最好水平。”王贻芳说，超导高频腔可以通过极高的能量效率给带电粒子加速，相当于现代粒子加速器的“发动机”。王贻芳介绍：“我们研制的超导高频腔的样机，技术指标绝对是国际领先的，为我国建设国际领先的高重频自由电子激光装置和未来高能正负电子对撞机提供了技术和设备保证。”

实验站现场执行经理李小男研究员正在介绍探测器运行情况。 　　深圳特区报讯(记者 綦伟 文/图)日前，美国《科学》杂志公布2012年度十大科学突破中，中国大亚湾发现中微子第三种振荡模式位列其中。《深圳特区报》一直关注大亚湾中微子实验，曾在2011年12月7日、2012年3月9日、3月21日、12月22日 进行跟踪报道，引起强烈反响。 　　昨天，《人民日报》头版头条刊发《大亚湾中微子实验成果世界瞩目》的消息，对大亚湾中微子实验发现新的中微子振荡模式的成就和意义进行报道。 　　10年前，我国中微子物理研究还几乎为零 今天，来自大亚湾中微子实验的发现已上榜《科学》2012年度十大科学突破第4位。历经4年准备和4年建设，一个“抢”字贯穿大亚湾中微子实验过程，这是“抢”出来的世界级科学突破。 　　国际竞争中“抢”出国际领先 　　近日，记者再次来到位于大亚湾核电站内的中微子实验站，发现这里的科研人员们一如往常，正一丝不苟监测探测器运行取数情况，或进行实验设备的日常维护。实验站现场执行经理李小男研究员说：“入选年度十大科学突破当然高兴。但最感到痛快的，还是去年10月到12月大家抢着把探测器安装到位，成功开启运行的那一刻。” 　　那是一次果断的变阵提速。面对日本、美国、法国和韩国中微子实验的竞争，大亚湾实验国际合作组决定将计划安装的8个中央探测器改为先安装运行6个，力争最先发现中微子混合角θ13参数值。 　　“真抢!”李小男说，那一段时间没有节假日，天天从清早忙到深夜。不仅现场抢安装、抢调试、抢运行，远在北京中科院高能所的数据分析人员也抢先开发出分析软件并进行了多次演练。去年12月24日，6个中央探测器开始运行捕获中微子事例，两个月后，实验组便在置信度大于99.9999%的水平上测得θ13不为零，向世界宣布首次发现了中微子的第三种振荡模式。如此快的速度，让合作组内的美国伙伴们都感到不可思议。 　　国内多家单位在帮着实验组一起抢。科技部、中国科学院、国家自然科学基金委、广东省、深圳市和中国广东核电集团，共同出资1.57亿元对大亚湾实验给予支持。“用核反应堆来测量θ13参数值是最便利的，这个几乎所有高能物理科学家都知道。但是有哪个核电站会允许在离反应堆仅几百米的地方施工建设一个大型地下实验站呢?”当了解到实验的重要意义后，中广核集团不仅同意工程建设，而且还出资3500万元。深圳市政府为此专门召开了有20多个委办局领导参加的协调会，中心内容就是如何保证大亚湾实验工程顺利开工。 　　多方努力，保证了大亚湾实验工程安全高效建成投入使用。李小男感慨：“这恐怕只有在中国才办得到。” 　　实验运行6年 精测值50年领先 　　乘电动车进入幽暗的隧道，记者来到位于地下百米的实验大厅。今年8月，实验曾暂停，将另外两个中央探测器安装到位后，10月19日大亚湾中微子实验开始进入全部探测器同时运行的完整测量阶段。 　　“现在我们正用新的物理分析方法，以求更精确地分析这一物理结果。”李小男说，之前是数测到的中微子个数，现在加入能谱分析，即不仅知道有多少个，而且知道每个的能量是多少。两种分析方法可以互相验证。 　　由于新方法对探测器性能的要求更高，实验组已经在8月份对全部探测器进行了一次新的全体积不同能量的标定。“现在物理结果的统计误差约有10%。估计全部8个探测器运行约6年左右，将可把统计误差降到约5%的精度目标。50年内，这都将是最精确的测量数值。” 　　大亚湾中微子实验首席科学家、中科院高能物理研究所所长王贻芳研究员介绍,实验使我们更深入地了解中微子的基本特性，也对未来中微子物理的发展方向起着决定性作用。只有得到这一结果，才能设计下一代中微子实验，如为不同种类的中微子质量排序，或测量中微子振荡中的宇称和电荷对称性破坏，以理解宇宙中物质—反物质不对称现象，即宇宙中“反物质消失之谜”。 　　实验二期项目初步选址开平 　　大亚湾中微子实验组仍在“抢”。10月份到现在，李小男到处跑，开始为大亚湾中微子实验二期项目忙碌。“本来想喘几口气，没想到这么快就启动了。” 　　王贻芳透露，中微子实验二期选址已基本上定在江门开平，在距离阳江核电站和台山核电站都是53公里左右的地方。“正在立项中。我们计划能够在2014年前开始动工，用6年时间建成。” 　　王贻芳说，中微子实验二期工程建成后，将可期待在测量三种中微子的质量顺序上有一个重大突破。届时，我国对于中微子的研究将达到真正的国际领先。　　“一个方面的领先，不算全面的领先。”王贻芳说，计划中的我国中微子研究发展分三步走。第一步目标已经在大亚湾反应堆中微子实验站实现，在精确测量θ13值方面取得国际领先 第二步，中微子实验二期瞄准多个科学目标，将在很多方面开展中微子研究，取得突破后，我国便真正达到在国际中微子物理科学研究中的领先水平。之后为第三步远期目标，将利用加速器产生的中微子更精确测量中微子物理参数。 　　“在中微子实验二期中，中微子探测器将更大。”王贻芳说，一期8个中央探测器总共800吨，二期将达到2万吨。“探测技术上也将实现一个大的跨越。”

日前，美国最能代表其科技实力的机构———美国宇航局特别嘉奖了一位中国科学家———山东大学空间热科学研究中心主任程林。11日，山东大学宣布了这一消息。 　　11日，山东大学召开新闻发布会宣布，因为在国际重大科学计划———阿尔法磁谱仪(AMS)项目中作出基础性贡献，该项目热系统首席科学家、山大教授程林获得了美国宇航局的特别嘉奖。美国宇航局将一块在太空中随奋进号航天飞机飞行了16天的AMS标识作为珍贵的纪念品赠送给了程林。 　　据介绍，美国宇航局对此嘉奖证书的官方介绍为：兹授予政府和非政府人士，以表彰其对美国宇航局太空计划所作出的重要贡献和取得的杰出成就。 　　程林教授向记者展示了美国宇航局颁发证书的电子版。证书上还有6名奋进号航天飞机宇航员的签名。 　　据了解，AMS项目汇集了来自16个国家和地区的600位相关领域的顶尖科学家和工程师，其科学使命是在宇宙中探测反物质和暗物质的存在，以及宇宙起源等。5月16日，阿尔法磁谱仪(AMS)随奋进号的“绝唱之旅”顺利升空。 　　山大团队先后有23人参与该项目，负责为AMS研制热系统。程林比喻说，这相当于给AMS提供“空调”。AMS有六个非常精密的粒子探测器和650个微处理机，“没事的时候都想不起来开‘空调’，而在太空环境下，过冷或过热都会导致探测器无法工作，因此AMS的整体寿命取决于热系统的寿命。” 　　据介绍，山大作为AMS的全球三个数据中心之一，将对国际空间站传输的海量数据进行存储和分析，继续承担AMS的后续研究工作。

2012年3月8日，973计划项目首席科学家、大亚湾中微子实验国际合作组发言人王贻芳在北京宣布，大亚湾中微子实验发现了一种新的中微子振荡，并测量到其振荡几率，将对粒子物理研究产生巨大的推动作用，介绍该结果的论文已于3月7日送交美国物理评论快报(Physical Review Letters)发表。 　　中微子是一种不带电，质量极其微小的基本粒子，共有三种类型，在微观的粒子物理和宏观的宇宙起源及演化中同时扮演着极为重要的角色。中微子有一个特殊的性质，即它可以在飞行中从一种类型转变成另一种类型，通常称为中微子振荡。原则上三种中微子之间相互振荡、两两组合，应有三种模式，其中两种模式“太阳中微子之谜”和“大气中微子之谜”已被多个实验证实，但第三种振荡则一直未被发现，甚至有理论预言其根本不存在(即其振荡几率为零)。中国科学院高能物理研究所的科学家利用我国大亚湾核反应堆群产生的大量中微子，来寻找中微子的第三种振荡，终于在近日先于国际上的几个竞争实验室，首次发现了这种新的中微子振荡模式，并精确测量到该振荡几率，被国际同行专家认为是“完美的确认和漂亮的结果”。这次发现不仅使我们可以更深入了解中微子的基本特性，也为我们了解为什么宇宙中正物质远远多于反物质开启了大门。 　　2006年，973计划批准“大亚湾反应堆中微子实验”项目立项，针对大亚湾反应堆中微子实验的基础理论开展研究，设计了一系列高精度的研究方法，得到了此项突破性的成果，同时还培养了一支中微子研究的队伍，提升了我国在该研究领域的国际地位。

数学家马克凯克曾说，世界上天才有两种：一种是普通的天才，他们的成就其他人也可以做到，只要他足够的努力并且有一点好运；另一种是超常的天才，他们有着惊人的、不循常理的洞察力，很难有其他人能达到那一种智慧，保罗狄拉克就是这一类天才，被称为“魔术师”。“保罗狄拉克1902年8月8日出生于英格兰布里斯托，是英国理论物理学家，量子力学的奠基者之一，并对量子电动力学早期的发展作出重要贡献。他的风格以精确和沉默寡言而著称，是一个少见的“纯粹”的学者型人物。尼尔斯玻尔说：“在所有物理学家中，狄拉克拥有最纯净的灵魂。” ”1925年，维尔纳海森堡提出量子力学，狄拉克几乎同时开始研究量子力学。起因是他基于海森堡提出的量子力学矩阵公式对经典力学进行了规范量化，他独立的数学等价于海森堡的矩阵公式，包括一个用于计算原子性质的非交换代数，这是狄拉克迈向新量子理论的第一步。1928年，狄拉克发表了著名的“狄拉克方程”，作为电子波函数的相对论运动方程。这项工作还使他预测了正电子（电子的反粒子，除其电荷外在所有方面都与它相同，其存在后来被卡尔安德森在1932年观察并证实）和物质-反物质的存在湮灭，以及有助于解释量子自旋的起源作为一种相对论现象。1930年，狄拉克出版了量子计算著作《量子力学原理》，这是物理史上的里程碑，成为量子力学的经典教材。在这本书中，狄拉克将海森堡先前关于矩阵力学的工作和薛定谔关于波动力学的工作整合成一个数学体系。此外，他还创造了互补对易的所谓“q数”间的运算规则，并以此发展出一个漂亮的量子力学符号运算体系，包括用以表示量子态的著名的左矢（1933年，因为“发现了在原子理论里很有用的新形式”，即量子力学的基本方程——薛定谔方程和狄拉克方程，狄拉克和薛定谔共同获得了诺贝尔物理学奖。1984年，狄拉克去世。总结狄拉克的一生，毫无疑问是历史上最伟大的物理学家之一，三个关键的工作，奠定了量子力学、量子场论以及量子电动力学的基础，即便是爱因斯坦也没有办法在这么短的期间内对本世纪物理的发展作出如此决定性的影响。公众号

4月25日下午，国家重点研发计划“大科学装置前沿研究”重点专项“阿尔法磁谱仪探测器升级和物理研究”项目启动会在中国科学院高能物理研究所召开。中科院前沿科学与教育局、中科院高能物理研究所、清华大学、北京大学、中国科学院大学、山东大学、浙江大学、山东高等技术研究院、西北工业大学等单位的领导、专家及项目参研人员代表40余人，通过现场与视频相结合的方式参加了启动会。会议由项目专家组组长陈和生院士主持，中科院前沿科学与教育局物理与化学处,高能所科研业务处、粒子天体物理中心和粒子天体物理重点实验室的相关负责人分别致辞。 　　中科院高能所是项目牵头单位，山东大学、浙江大学、山东高等技术研究院、西北工业大学为参与单位。项目负责人李祖豪研究员汇报了AMS探测器升级和物理分析项目的总体实施方案，课题负责人高能所董静高级工程师、唐志成副研究员和山东大学许伟伟教授分别汇报了课题的组织管理和课题任务实施计划。课题一阿尔法磁谱仪升级，通过承担显示度高的硅探测器模块研制并参与探测器的集成和测试，全面掌握空间大型硅探测器的研制技术，将为我国未来自主开展的HERD等空间实验提供技术积累。课题二和课题三侧重物理分析工作，涵盖了AMS实验的重要物理研究方向，包括暗物质和反物质寻找及宇宙线原子核能谱的精确测量。通过项目的实施，可以进一步提升项目组在AMS国际合作组的显示度，进而提升我国在相关领域的国际显示度。 　　与会专家对项目实施方案进行了讨论，认为研究内容和预期指标满足任务书的要求，实施方案目标明确，技术路线合理，计划可行；并针对硬件升级课题进一步加强与国内相关单位的合作提升国内对大规模空间硅探测器的研发能力，以及物理分析课题进一步加强与理论结合，组织召开国际国内相关物理议题研讨会等事宜进行了深入讨论。

中微子在宇宙起源及演化中扮演着极为重要的角色，至今仍有诸多未解之谜，是基础科学领域的国际前沿热点之一。我国的江门中微子实验以揭开中微子质量顺序之谜为首要科学目标。目前，江门中微子实验的核心探测设备——中心探测器的有机玻璃球正在有序安装。总台央视记者 郑玮玮：现在我们看到的是江门中微子实验的中心探测器，在外面球形的结构是不锈钢主结构，中间正在安装的是35.4米直径的有机玻璃球。有机玻璃球将来会灌装2万吨液体闪烁体，液体闪烁体是捕捉中微子的靶物质。在大科学装置江门中微子实验地下700米的实验大厅内，科研人员正在用全站仪测量有机玻璃节点和有机玻璃板的位置坐标数据。据介绍，有机玻璃球壁厚120毫米，重600多吨，是世界上最大的单体有机玻璃结构，生产和建造在国内外都史无前例。为了保障探测器数据分析的准确性，有机玻璃球在建造过程中需要严格控制每一块板和每一层板的尺寸和位置精度。中国科学院院士 中国科学院高能物理研究所所长 王贻芳：它独创的设计在于把过去的大型中微子探测器的结构从三层结构变成两层结构，过去一般是钢结构的外面是水，里面放矿物油。三层结构变成两层结构之后，钢球就变成钢梁，这样中间这层矿物油变成水，大大降低造价。江门中微子实验核心探测设备——中心探测器位于地下实验大厅内44米深的水池中央，其不锈钢主结构设计采用直径约41米的球形网壳结构形式，作为探测器的主支撑结构，它将承载35.4米直径的有机玻璃球、两万吨液体闪烁体、两万只20英寸光电倍增管、两万五千只3英寸光电倍增管、前端电子学、电缆、防磁线圈、隔光板等诸多关键部件。江门中微子实验位于广东江门开平市，是由中科院和广东省共同建设的大科学装置，同时也是一个大型的国际合作项目。2015年开始建设，计划2023年完成建成。亚湾中微子实验装置退役 二代装置接棒对中微子的研究一直是科学界关注的热点。江门中微子实验装置是我国第二代中微子实验装置，其前身是两年前已经圆满完成科学目标正式退役的大亚湾中微子实验装置。大亚湾中微子实验装置由中科院高能物理研究所主持，是中美两国在基础研究方面最大的国际合作项目。2012年3月，大亚湾实验国际合作组宣布发现了一种新的中微子振荡，这一重大发现对于研究物质本原和宇宙起源，理解宇宙中反物质消失之谜具有重要意义。该实验成果入选美国《科学》杂志2012年度十大科学突破。中微子是宇宙中最古老、数量最多的物质粒子，从宇宙诞生的大爆炸起就充斥在整个宇宙空间，每秒钟都有亿万个中微子穿过我们的身体，但它几乎不与任何东西发生反应，甚至可以轻松穿过整个地球。大亚湾中微子实验项目使人类对物质世界的基本规律有了新的认识，也为未来中微子研究指明了方向。（总台央视记者 郑玮玮）

暗物质粒子探测卫星“悟空”号国际合作组利用卫星前六年观测数据分析得到10GeV/n到5.6TeV/n能段宇宙线硼/碳比和硼/氧比的精确测量结果，并发现能谱新结构。相关研究成果于10月14日在线发表在《科学通报》（Science Bulletin）上。宇宙线是来自外太空的高能粒子，包括各种原子核、电子、高能伽马射线和中微子等。自1912年赫斯发现宇宙线以来，人类对它的观测和理论研究已经长达一个世纪。但时至今日，关于宇宙线的起源、加速机制以及它们在星际空间和星系际空间中的传播及相互作用等基本问题依然没有得到彻底的解答。在宇宙线中，碳核、氧核等属于恒星核合成过程中产生的原初粒子，而硼核则主要是碳核、氧核在传播过程中和星际物质发生碰撞后产生的次级粒子。因此，通过对宇宙线中硼/碳（B/C）和硼/氧（B/O）流量比的精确测量可以研究宇宙线在传播路径上的相互作用过程。上个世纪40年代至60年代建立起来的经典宇宙线传播模型预测B/C和B/O随能量的变化服从单一幂律分布，且谱指数应为-1/3或-1/2。近些年的直接观测实验（如PAMELA、AMS-02）发现宇宙线B/C在百GeV/n以下能区确实符合单一幂律分布，其谱指数非常接近-1/3，被认为是建立于1941年Kolmogorov星际介质湍流理论的直接证据。但在更高能区，尤其是TeV/n以上，前述实验因测量精度的限制无法给出准确的探测结果，不能对现有的宇宙线传播模型给出有效检验。“悟空”号是我国发射的第一颗用于空间高能粒子观测的卫星，其核心科学目标除了通过对电子宇宙线和伽马射线的观测来间接探测暗物质粒子，还包括通过探测宇宙线核素粒子来研究宇宙线的加速和传播机制。和国际上其他类似探测设备相比，“悟空”号覆盖能段宽、能量测量准、粒子鉴别强，特别是具备优异的电荷分辨本领，可以对高能宇宙线核素粒子进行高精度鉴别（图1）。10月14日，基于其收集到的前六年观测数据，“悟空”号国际合作组获得了10 GeV/n到5.6 TeV/n能段的B/C和B/O的精确测量结果（图2）。这是国际上首次实现对1 TeV/n以上B/C和B/O进行精确测量，能量上限比阿尔法磁谱仪（AMS-02）实验高出5倍。“悟空”号的探测结果表明，在宽能段范围内B/C和B/O明显偏离单一幂律分布的行为特征。“悟空”号首次以高置信度发现宇宙线B/C和B/O在相同能量（约100 GeV/n）处出现变硬的行为，意味着经典的宇宙线传播理论需要进行重要的修改。该结果对揭示宇宙线的传播机制以及星际介质的湍动属性具有十分重要的意义，也意味着之前基于反物质宇宙线的暗物质间接探测的天体物理背景需要重新估计。上述研究工作得到国家自然科学基金委、中科院、江苏省的多个项目的支持。图1 “悟空”号测量的电荷谱

史上最强激光器能撕裂真空 超高场激光器有望帮助人类解答一系列关于宇宙空间的难题 　　据英国《每日电讯报》10月30日报道，一座能撕开真空的激光发射器有望在英国问世，它将帮助科学家破解宇宙的未解之谜。 　　史上最强激光发射器的正式称谓是“超强激光构造计划超高场激光器”(Extreme Light Infrastructure Ultra-High Field Facility)，它是继大型强子对撞机(Large Hadron Collider)之后物理学界的又一个重大实验项目，英国卢瑟福 阿普尔顿实验室高级激光技术与应用中心的科学家目前正在研制实验所需的相关技术。 　　欧盟委员会今年早些时候已经批准了在捷克、匈牙利和罗马尼亚分别建立三座激光发射器的计划。这三座激光发射器总造价约2亿欧元(约合17.6亿元人民币)，预计2015年正式启用，将作为超高场激光器的组成部分，并为其提供原始激光束。整个超高场激光器将于2020年前后问世，总造价约10亿欧元(约合88亿元人民币)，运转后将能在百万兆分之一秒内制造出总能量相当于全世界全部电能输出10万多倍的强大激光，全部激光束汇聚为一点后将产生比太阳核心还极端的超高温高热状态。 　　科学家希望利用超高场激光器“撕破”宇宙中的真空，探索宇宙空间的构成和所谓“暗物质”的真相。与人们通常的认识不同，宇宙中所谓的“真空”其实并非空无一物。根据科学家推测，所谓的真空是在物质与反物质的相互抵消作用下形成的 由于构成真空的所谓“鬼粒子”转瞬即逝，因此一直未能被人类所认识。超高场激光器的出现有望改变这一局面，甚至可以帮助科学家验证“额外维度”(extra-dimension)的存在。德国物理学会主席沃尔夫冈桑德纳教授表示：“我们往往认为真空中没有任何物质，但事实上，真空似乎是由存在时间极短的成对分子组成的。高能激光射线能将这些分子拉开，并延长它们存在的时间。” 　　此外，超强激光还有望催生癌症激光疗法和新的医学诊断方法。普利茅斯大学理论物理学副教授托马斯 海因茨尔接受采访时称：“超强激光构造计划将引领我们进入前所未知的物理学新领域，必将有许多令人惊讶的发现等待着我们。” 　　超高场激光器的最终落户地址将于明年公布，目前除英国外，俄罗斯、法国、匈牙利、罗马尼亚和捷克的研究机构也都在积极申请。

由中国科学院、中国工程院主办，中国科学院学部工作局、中国工程院办公厅、中国科学报社承办，中国科学院院士和中国工程院院士投票评选的2021年中国十大科技进展新闻、世界十大科技进展新闻于2022年1月18日在京揭晓。此项年度评选活动至今已举办了28次。评选结果经新闻媒体广泛报道后，在社会上产生了强烈反响，使公众进一步了解国内外科技发展的动态，对普及科学技术起到了积极作用。　　2021年世界十大科技进展新闻　　01、全球首个“自我复制”的活体机器人诞生 美国佛蒙特大学、塔夫茨大学和哈佛大学威斯生物启发工程研究所的科学家发现了一种全新的生物繁殖方式，并利用其创造了有史以来第一个可进行自我复制多代的活体机器人——Xenobots 3.0。　　它仅有毫米大小，既不是传统的机器人，也不是已知的动物物种，而是一种从未在地球上出现过的、活的、可编程的全新有机体。据悉，该活体机器人或许可以有助于医学的全新突破——除了有望用于精准的药物递送之外，它的自我复制能力也使得再生医学有了新的帮手，或可为出生缺陷、对抗创伤、癌症与衰老提供开创性的解决思路。11月29日，相关研究成果发表于美国《国家科学院院刊》。02、核聚变向“点火”迈进一大步 我们在地球上之所以能看到阳光、感受到温暖，都是源自于发生在太阳核心的核聚变。核聚变指的是当原子合并在一起时，释放出巨大能量的过程，这个过程可以在碳排放几乎为零的情况下，源源不断地提供绿色能源。但是，想在实验室里实现核聚变并非易事，一个重大的挑战就是“点火”（即聚变反应所产生的能量等于或超过输入能量的时刻）。　　8月8日，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的国家点火装置（NIF）进行了一项新的实验。NIF的科学家团队重现了存在于太阳核心的极端温度和压力，NIF的强大的激光脉冲引发了燃料丸的核聚变爆炸，产生了1.35兆焦耳（MJ）能量——大约相当于一辆时速160公里的汽车的动能。　　这一能量达到触发该过程的激光脉冲能量的70%，意味着接近核聚变“点火”，即反应产生的能量足以使反应持续下去，在无限聚变能源的道路上迈出了一大步。03、科学家借助AI技术破解蛋白质结构预测难题 科学家们一直希望通过基因序列简单地预测蛋白质形状——如果能够成功，这将开启一个洞察生命运作机理的新世界。美国华盛顿大学和英国DeepMind公司分别公布了多年工作的成果：先进的建模程序，可以预测蛋白质和一些分子复合物的精确三维原子结构，并将这些结构放入公开的数据库免费供全球科研人员使用。　　据DeepMind公司报告显示，其人工智能程序AlphaFold预测出98.5%的人类蛋白质结构，有助于深入理解一些关键生物学信息，从而更好开展药物研发。而美国华盛顿大学创建的高精确的蛋白质结构预测程序名叫RoseTTAFold，基于深度学习，它不仅能预测蛋白质的结构，还能预测蛋白质之间的结合形式。仅需十分钟，RoseTTAFold就能用一台游戏电脑准确计算出蛋白质结构。相关论文于7月15日分别刊登于《自然》和《科学》。04、“基因剪刀”首次治疗遗传病 研究人员首次利用CRISPR治疗罕见致命肝病，该方法依赖一种包含编码DNA剪切酶的mRNA和另一种将其引导到特定基因序列的RNA。图片来源：ELLA MARU STUDIO　　一直以来，人们若要使用被称为“基因剪刀”的CRISPR基因编辑技术治疗遗传疾病，需要清除一个巨大的障碍：将分子剪刀工具直接注射到受影响的细胞中，从而实现DNA切割。　　英国伦敦大学研究人员发现CRISPR技术能使一种突变基因失活。研究首次将CRISPR药物注射到一种罕见遗传病（转甲状腺素蛋白淀粉样变性病）患者的血液中，并发现其中3人的肝脏几乎停止产生有毒的蛋白质。　　虽然目前还不能确定CRISPR治疗是否能缓解该疾病的症状，但初步数据让人们对这种一次性治疗的效果感到兴奋。相关研究结果5月28日发表于《新英格兰医学杂志》。据悉，这项新工作在能够灭活、修复或替换身体任何部位的致病基因方面，迈出了关键的第一步。　　05、史上最冷反物质问世 加拿大国家粒子加速器中心的Makoto Fujiwara团队与合作者在瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究组织粒子物理实验室进行了一项名为ALPHA-2的反氢捕获实验，演示了反氢原子的激光冷却，将样品冷却到了接近绝对零度。　　激光冷却经常被用来测量常规原子的能量跃迁——电子运动到不同能级。该团队开发了一种激光，它能以适当的波长发射被称为光子的光粒子，从而降低正在直接朝向激光移动的反原子的速度。研究人员将反原子的速度降低到1/10以下。对于冷却的反氢原子，该团队获得的测量精度几乎是未冷却的反原子的3倍。　　该研究产生了比以往任何时候都更冷的反物质，并使一种全新的实验成为可能，有助于科学家在未来更多地了解反物质。相关研究成果3月31日刊登于《自然》。06、“芝麻粒”大小心脏模型问世 奥地利科学院生物学家Sasha Mendjan和团队使用人类多能干细胞培养出芝麻大小的心脏模型，又称心脏线。它可以自发地进行组织，在不需要实验支架的情况下发展出一个中空的心房。Mendjan团队以特定的顺序激活所有参与胚胎心脏发育的6个已知信号通路，诱导干细胞自我组织。　　随着细胞分化，它们开始形成不同的层——类似心脏壁的结构。经过一周的发育，这些类器官自组织成一个有封闭腔的3D结构，几乎重现了人类心脏的自发生长轨迹。此外，研究小组还发现心脏壁状组织能有节奏地收缩，挤压腔内的液体。　　该团队还测试了心脏类器官对组织损伤的反应。他们用一根冷钢棒冷冻部分心脏类器官，并杀死该部位的许多细胞，研究发现，心脏成纤维细胞（一种负责伤口愈合的细胞）开始向损伤部位迁移，并产生修复损伤的蛋白质。相关研究5月20日发表于《细胞》，这项进展使得科学家能创造出一些迄今为止最真实的心脏类器官，为制药公司将更多药物引入临床试验提供了可能。07、科学家利用人工智能实现两项数学突破 纯数学研究工作的关键目标之一是发现数学对象间的规律，并利用这些联系形成猜想。从20世纪60年代开始，数学家开始使用计算机帮助发现规律和提出猜想，但人工智能系统尚未普遍应用于理论数学研究领域。12月1日，一篇发表在《自然》上的论文显示，DeepMind公司研发出一个机器学习框架，能帮助数学家发现新的猜想和定理。　　此前，该框架已经帮助发现了不同纯数学领域的两个新猜想。研究人员将这一方法应用于两个纯数学领域，发现了拓扑学（对几何形状性质的研究）的一个新定理，和一个表示论（代数系统研究）的新猜想。研究人员表示，这是计算机科学家和数学家首次使用人工智能来帮助证明或提出复杂数学领域的新定理。08、科学家成功在实验室中构建人类早期胚胎样结构 美国得克萨斯大学达拉斯西南医学中心研究人员领衔的团队成功用人多能干细胞分化诱导出人类早期胚胎样结构。该结构与人囊胚期胚胎具有类似的结构，能正确表达相应的基因与蛋白，并且可在体外发育2至4天，形成类羊膜囊等结构。相关研究成果3月17日刊登于《自然》。　　据介绍，借助人类早期胚胎样结构，研究人员能深入研究胚胎的早期发育，更加了解人类早期重大疾病造成的流产、畸形儿、女性受孕障碍等现象，并为其寻找可行的解决方案。此外，研究人员还可以通过这项技术建立药物筛选模型，为进入临床应用的孕妇药品提供安全性模拟检测。09、激光传输稳定自如创世界纪录 澳大利亚国际射电天文学研究中心（ICRAR）和西澳大利亚大学（UWA）等机构的研究人员创造了在大气层中最稳定传输激光信号的世界纪录。该团队将相位稳定技术与先进的自导向光学终端相结合，实现了此次最稳定的激光传输。　　新技术有效地消除了大气湍流，允许激光信号从一个点发送到另一个点，而不会受到大气的干扰。这一结果是用一个通过大气传输的激光系统比较两个不同地点间时间流动的全球最精确的方法。相关论文1月22日发表于《自然—通讯》。　　据悉，这项研究有广阔的应用前景，可以用来精确地检验爱因斯坦的广义相对论，或者发现基本物理常数是否随着时间而变化。同时，这项技术的精确测量能力在地球科学和地球物理学中也有实际用途，可以改进有关地下水位如何随时间变化的卫星研究或寻找地下矿藏。　　此外，该技术在光通信领域的应用可以将卫星到地面的数据传输速率提高几个数量级，下一代大型数据收集卫星能更快地将关键信息传送到地面。10、科学家“绘制”最清晰原子“特写” 美国康奈尔大学的 Muller团队捕捉到了迄今为止最高分辨率的原子图像，打破了其2018年所创下的纪录。据悉，Muller团队使用叠层成像技术，用X射线照射钪酸镨晶体，然后利用散射电子的角度来计算散射它们的原子的形状。这些进步使得研究小组能够观察更稠密的原子样本，并获得更好的分辨率。　　据了解，这种最新形式的电子叠层成像分析技术使科学家可以在所有三个维度上定位单个原子。研究人员还将能够一次发现异常结构中的杂质原子，并对它们及其振动进行成像。相关论文5月21日刊登于《科学》。

最新一期的美国《科学》杂志对2010年的科研热点进行了预测，包括癌细胞代谢、细胞染色体外显子测序与疾病、多功能干细胞研究、阿尔法磁谱仪，以及人类太空飞行的未来等领域。 　　多功能干细胞。位于2008年《科学》杂志十大科学进展之首的细胞重编程能把成人皮肤细胞重新编程为诱导多能干(iPS)细胞，而iPS细胞可以被诱导发育为各种成熟细胞类型。研究人员利用这些方法在个体患者身上造出新的细胞，进而检查这些细胞是否有生理和遗传异常，或用它们来试验可能的治疗方法。科学家已经从I型糖尿病、帕金森氏症和另外至少十几种疾病的患者身上造出了iPS细胞。随着越来越多的研究人员加入这个领域并且取得新发现，2010年还会有更多种疾病的iPS细胞制造出来。 　　阿尔法磁谱仪。作为一个创新性的太空粒子物理试验设备，阿尔法磁谱仪(AMS)将在2010年7月交付国际空间站使用。AMS的研制开发工作由诺贝尔奖得主物理学家丁肇中领导的国际小组负责，它将通过探测宇宙射线来寻找反物质、暗物质和奇异微子存在的证据。AMS最初计划在2003年发射升空，因“哥伦比亚”号航天飞机坠毁而停止。但在2008年，美国国会通过了一项法案，授令美国宇航局(NASA)发射这个价值20亿美元的设备。 　　外显子组研究。2010年，科学家将对数千个人类基因组中编码蛋白质的脱氧核糖核酸(DNA)进行测序，希望找到与人类疾病有关的新基因。这些被称为“外显子组(exome)测序”的研究已经揭示了神秘的遗传性疾病的遗传原因，并有望填补所谓的全基因组关联研究的空白。全基因组关联研究用DNA芯片技术扫描基因组以期发现可能引起疾病的风险标记。虽然这些研究在近几年很流行，但没能解释常见疾病和性状的遗传性能。有些研究人员认为通过测序发现的更罕见的变异将揭开这些遗传“暗物质”的面纱。 　　用生物化学战胜癌症。科学家在上世纪20年代首次发现的癌细胞的怪异代谢行为是否会最终带来新的治疗方法?为了分解葡萄糖，肿瘤细胞经常从普通的需氧通道转到另一种被称为糖酵解的不需要氧的代谢方式。干扰细胞的这个异常新陈代谢已成为很多研究的主题。 　　人类太空飞行。美国的航天飞机在服役近30年后，预定将于2010年9月退役，奥巴马总统必须为NASA挑选出下一个能够载人的运载火箭。他可以采用“阿瑞斯”运载火箭目前的设计，或是要求对现有一次性运载火箭进行改进，或是让商业公司提供一个费用更低的选择。奥巴马还将决定是否在未来10年内实现重返月球，以及飞往某颗小行星或是火星的某颗卫星。

5月10日，科学技术部发布国家重点研发计划“大科学装置前沿研究”等“十四五”重点专项2021年度项目申报指南。“十四五”国家重点研发计划深入贯彻落实党的十九届五中全会精神和“十四五”规划，坚持“四个面向”总要求，积极探索“揭榜挂帅”等科技管理改革举措，全面提升科研投入绩效。有关事项通知详情点击此处链接。“大科学装置前沿研究”重点专项2021 年度项目申报指南本重点专项总体目标是：开展专用大科学装置的科学前沿研究，推动我国粒子物理、核物理、天文学等重要学科的部分研究方向进入世界先进行列；开展平台型大科学装置的先进实验技术和实验方法研究，提升大科学装置支撑科技创新、经济社会发展和国家安全的能力。继续支持我国具有特色和优势的大科学装置开展前沿探索研究，力争在世界上率先实现若干重大前沿突破。2021年度指南围绕粒子物理、核物理、强磁场、天文学、先进光源、交叉应用等6个方向进行部署，拟支持21个项目，拟安排国拨经费概算5.15亿元。同时拟支持8个青年科学家项目，拟安排国拨经费概算4000万元，每个项目500万元。本专项 2021 年度项目申报指南如下。1. 粒子物理1.1 CKM 矩阵参数与底强子非粲衰变CP破坏的精确测量研究内容：利用海量的底夸克实验数据开展CP破坏等重味 物理前沿课题研究，主要包括：精确测量CKM夸克混合矩阵参数，例如β和γ相角等；精确测量B介子非粲衰变的CP破坏，包括理解三体衰变复杂的CP破坏结构等；在底重子衰变中寻找CP破坏，包括衰变到三体或四体末态，并理解其中多体末态的CP破坏结构。考核指标：对γ相角相关的重要衰变道进行测量，并结合其他测量结果，将γ相角的测量精度提高到4度以内；在无圈图污染过程中完成sin2β测量，精度达到10%以内。若干B介子非粲衰变和底重子衰变的CP破坏的测量结果达到世界最好水平或为世界首次测量。1.2 基于中微子的反应堆监测新技术及相关物理研究研究内容：发展新型中微子探测技术，开展反应堆监测技术和物理研究，主要包括：发展极低阈值、极低本底双相氩时间投影室探测技术，寻找反应截面最大但尚未被探测到的反应堆中微子—原子核相干散射过程，以实现中微子探测器的小型化，用于反应堆监测，同时研究其相关物理；发展基于新型低温液体闪烁体的高能量分辨探测器技术，用于精确测量反应堆中微子能谱及核素谱。考核指标：发展小型化反应堆中微子探测技术，研制并运行一个极低阈值、极低本底的双相氩时间投影室探测器，采用低本底氩，有效质量不低于150kg，探测阈值达到1keV核反冲能；利用台山反应堆，成功探测到反应堆中微子—原子核相干散射信号；测量低能标下的弱混合角。研制并运行一个采用高量子效率硅光电倍增管的新型低温液体闪烁体探测器，有效质量不低于1吨， 能量分辨在3MeV时优于1%，比现有大型液闪探测器的最好水平（Borexino,~2.8%）提高2.5倍以上；利用台山反应堆，测量高精度反应堆中微子能谱和核素谱，为江门中微子实验提供有效谱形误差1%以内的数据依据，对U235和Pu239测量的有效谱形误差达到4%和8%。1.3 无中微子双贝塔衰变和太阳中微子实验关键技术研究研究内容：依托中国锦屏地下实验室，开展寻找无中微子双贝塔衰变、太阳中微子探测实验的关键技术和方法研究，并初步建立相关实验装置开展实验探测。考核指标：在无中微子双贝塔衰变实验领域开展先进高纯锗半导体探测器、极低温晶体量能器、基于Topmetal技术的高气压时间投影室等实验技术研究，确定具有中微子双贝塔衰变有效质量小于10meV灵敏度的探测器技术方案；建设百吨级太阳中微子探测平台，实现太阳B8中微子的探测，重建出太阳中微子方向，5MeV 能量区间，太阳角重建的角度分辨为35度（68%的置信区间）。1.4 依托大型国际合作装置阿尔法磁谱仪（AMS）的物理研究研究内容：依托大型国际合作装置AMS实验，开展暗物质和反物质寻找，宇宙线的起源加速和传播规律机制的物理研究工作。通过宇宙线正电子、反质子和反氘核的精确测量，进行暗物质寻找；通过宇宙线反氦核、反碳核和反氧核的测量寻找原初反物质；精确测量宇宙线各原子核的能谱以研究宇宙线的起源加速和传播规律。参与国际合作，研制满足空间环境要求的新型大面积硅探测器，应用于AMS02的探测器升级。考核指标：暗物质寻找的研究，分析AMS实验数据得到1GeV~1.4TeV的宇宙线正电子能谱测量结果700~1000GeV精度达到35%；得到1GV~500GV的宇宙线反质子能谱结果,反质子能谱500GV精度好于20%；得到宇宙线反氘研究结果。反物质寻找的研究，得到宇宙线反氦研究结果。宇宙线起源加速传播机制的研究，得到2GV~3TV的宇宙线Na、Al、S、亚铁（Z=21~25）等分析结果，100GV精度4%~5%，3TV精度20%~40%；研制成 满足空间条件的10cm×100cm硅探测器，位置分辨率好于5微米，优良通道占比超过 95%。2. 核物理2.1 STAR束流能量扫描实验中QCD相结构和临界点的实验研究研究内容：针对量子色动力学（QCD）的核物质相结构和QCD临界点的重大科学问题，依托相对论重离子对撞机（RHIC）的螺旋管径迹探测器（STAR）的第二期束流能量扫描实验，主要开展质心能量20GeV以下的重离子碰撞实验的物理分析。通过测量守恒荷的高阶矩、超子整体极化和矢量介子的自旋排列、多奇异强子的产生、同质异位核素的可能的手征磁效应分析等，建立系统的QCD相结构和临界点的实验探针与方法，研究QCD物质相结构和QCD临界点。考核指标：基于STAR实验第二期能量扫描实验数据,获得质心系7~20GeV不同能量点下的守恒荷的高阶矩的高精度实验数据，系统测量Λ、反Λ超子及矢量介子的整体极化及自旋排列的快 度依赖与能量依赖并揭示其物理起源，精确测量Ω粒子、φ粒子等 多奇异强子的产额分布并揭示其产生机制；通过测量分析同质异 位素碰撞中相关物理量给出QCD手征磁效应、手征磁波效应是否在夸克胶子等离子环境中被观测到的结论；利用以上分析得到的系统实验结果给出QCD相结构及QCD临界点的信息。2.2 低能区原子核结构与反应及关键天体核过程研究研究内容：针对 X 射线暴和超新星等爆发性天体环境中的关键核反应过程，依托北京放射性核束装置BRIF和相关核天体物 理研究装置等，在低能区开展高精度的原子核的基本性质、结构特性与反应机制及关键天体核过程研究，积极发展相关微观模型，在更广泛的同位旋和角动量维度上探索原子核有效相互作用新规律，探索宇宙元素起源和星体能量产生机制。考核指标：完善BRIF高精度核物理实验平台（带电粒子探测器阵列立体角覆盖达4Pi的40%以上，能量分辨好于50keV），测量3~5项奇特原子核的基本性质、反应截面和衰变过程，统计精度好于10%；发展结合人工智能的核理论分析方法，探索原子核有效相 互作用及其演化规律；完善BRIF和相关核天体物理实验平台（伽马探测器阵列立体角覆盖达4Pi的60%以上），发展天体核反应的 高精度实验方法，测量天体演化相关的3~5项核反应截面和放射性原子核半衰期，统计精度好于10%；结合天文观测，验证天体演化模型，理解宇宙元素起源和星体能量产生机制；建立相关微观模型，研究α团簇和核物质状态方程等在天体核过程中的关键作用。3. 强磁场及综合极端条件3.1 强磁场下的代谢性疾病发病机制及防控新方法研究研究内容：瞄准糖尿病和脂肪肝两种代谢性疾病，依托稳态强磁场大科学装置，发展高场生物磁共振波谱与成像新技术，深入研究糖尿病和脂肪肝发生发展和调控机理；探索不同参数稳态磁场对糖脂代谢、铁代谢和氧化还原等代谢性疾病关键过程的调控及机制，研究稳态磁场对肠道微生物代谢的影响，探索稳态磁场在糖尿病和脂肪肝诊疗中的新策略。考核指标：发展针对糖尿病和脂肪肝等代谢性疾病的新型核磁共振波谱与成像检测方法，开发1~2种治疗糖尿病和/或脂肪肝的候选药物；阐明稳态磁场对糖脂代谢、铁代谢和氧化还原的调控机制，明确稳态强磁场生物安全界限，开发磁场在糖尿病和脂肪肝的潜在应用，研发1~2种基于磁场防控糖尿病和脂肪肝的演示样机，血糖和脂肪肝改善达到20%。3.2 强磁场下零/窄带隙新型电子材料制备及其应用研究研究内容：依托稳态强磁场装置，针对下一代电子器件对零带隙/窄带隙新型电子材料的需求，围绕极端条件强磁场下电子材料制备的关键技术与关键科学问题，聚焦磁场对材料生长调控规律的获取，系统开展强磁场下窄带隙化合物半导体、零带隙低维碳基材料、高频碳/磁薄层材料、新型热电材料等新型电子材料制备与应用研究，开拓其量产应用。考核指标：开发出强磁场（≥18T）辅助布里奇曼单晶炉样机1台；在强磁场下研发出几种具有实用化前景的零带隙/窄带隙电子材料，包括大尺寸窄带隙化合物半导体（~1 英寸，带隙~0.62eV，霍尔电阻率2000cm2/Vs，位错密度2）、高性能碳基光热催化量子点与光电材料（吸收/发射波长1200nm，光热转换效率≥40%，纳米酶催化效率≥0.1μM/s，载流子迁移率~10cm2/Vs，光响应性~106A/W）、适应于GHz/THz 波段的轻质宽带高频吸收材料 （GHz波段：吸收20dB、带宽5GHz；THz波段：吸收20dB、 带宽1THz）、低成本高性能多元纳米复合热电薄膜（ZT 值≥2.0， 温差≥10K，成本降低 50%）；探索研发材料在器件中的量产应用。3.3 强磁场回旋管高功率太赫兹波源及电子自旋共振谱仪研究内容：依托脉冲强磁场装置，针对材料电子自旋与核自旋的关联、激发和弛豫过程等研究需求，开展THz回旋管理论与技术、高精度磁场位形和波形调控方法、THz高品质波束形成与瞬态测量技术、高功率THz波激励下的电子自旋共振谱仪研究，为探索关键材料结构、性能以及动力学变化提供先进测试平台。考核指标：建立基于强磁场的高功率回旋管太赫兹波源设计理论体系，解决磁场时空分布精确调控等关键技术问题，实现高功率太赫兹脉冲波和连续波输出。（1）脉冲波辐射源：磁场强度40T，频率1THz，功率300W；（2）连续波辐射源：磁场强度15T，频率800GHz，功率30W；（3）电子自旋共振谱仪：时间分辨≤10ns，带宽1GHz，DEER空间分辨2~50nm。4. 天文学4.1 依托LAMOST、FAST的恒星稀有天体和关键物理过程研究研究内容：瞄准恒星内部结构和关键物理过程，依托LAMOST、FAST大科学装置，搜寻和发现恒星关键/稀有天体， 探测恒星内部结构，识别Ia型超新星前身星；发展恒星对流模型，研究特殊元素的形成和输运、角动量转移过程；深入探讨双星演化的走向和结局，以及超新星等重要双星相关天体的形成和演化，结合黑洞观测，多方面提高宇宙测距精度。考核指标：发现几颗双星公共包层演化阶段天体；构建贫金属星和氦星的快速物质损失模型，系统建立双星演化的关键性判据；确定对流超射和星风在物质与角动量转移中的作用； 获得下主序恒星和红巨星表面存在磁场的星震学证据；通过FAST确定几颗超新星前身星；提高超新星等宇宙标尺的测距精度。4.2 第25太阳周重大爆发活动与空间天气研究研究内容：针对太阳爆发活动及空间天气形成的重大科学问题，充分利用我国自主观测设备，探索重大爆发活动中磁场时空演化、爆发机理、能量释放机制、空间天气形成机理及影响的全链路过程。诊断太阳活动中等离子体加热、粒子加速、激波形成与演化，获得对重大太阳活动产生机理及其空间天气效应新的可靠物理理解，并建立高精度的物理和数值预报模型。考核指标：确保我国自主观测新设备，如MUSER、NVST、AIMS、WeHot、FASOT等发挥科学效益；取得第25太阳活动周重大活动事件完整观测，建立数据库，涵盖国内外磁场、光学、 射电等多波段成像及光谱/频谱数据，开发新型大数据分析方法；发展三维（辐射）磁流体力学数值模拟，建立针对重大太阳爆发事件的理论和数值模拟模型；建立灾害性空间天气的高精确度预报模式和方法。5. 先进光源、中子源及前沿探索5.1 超高功率软 X 射线光源新原理及关键技术研究研究内容：针对能源科学、超导材料科学、超快物理化学和光刻等科学和应用领域对高功率EUV/软X射线光源的具体需求，依托软X射线自由电子激光大科学装置，开展超高平均功率和超 高峰值功率EUV/软X射线光源的新原理及核心关键技术研究，包括探索基于同步辐射和自由电子激光等产生高功率软X射线脉冲的新机制，发展高功率X射线光源所需种子激光、光学传输和诊断等关键技术。考核指标：完成基于角色散机制的高平均功率EUV/软X射 线光源（平均功率100W）和基于啁啾激光增强型自放大自发辐射的高峰值功率软X射线光源（峰值功率100GW）的物理机制研究；基于软X射线自由电子激光装置实验验证高功率X射线产 生的新机制，掌握其关键技术和实验方法，为用户提供峰值功率大于1GW、光子能量大于200eV的软X射线激光；掌握超高重复频率（1MHz）紫外波段种子激光和超大带宽红外波段种子激光等关键技术；掌握超高功率软X射线的光学传输、光学元件冷却（平均热负载100W，峰值功率100GW）和光学诊断（时间测量精度好于1fs）等技术。6. 交叉科学与应用6.1 超高真空平面微纳量子器件的分子束外延直接生长和原位表征技术研究研究内容：发展选区外延生长和片上掩模外延生长等技术，实现量子材料微纳结构和平面异质器件的超高真空分子束外延直接生长；开发极低温、强磁场原子力显微镜，实现绝缘基底上的微纳结构和器件的扫描隧道谱电子态表征；改进平台扫描微波显微镜、氧化物分子束外延生长等技术设备；基于这些新发展的技术研究拓扑-超导异质结构中的马约拉纳模相关物理机理等关键科学问题。考核指标：利用分子束外延在超高真空环境直接生长出超导电极间距6.2 粒子流、先进光源新实验技术研究研究内容：依托同步辐射光源、超快强激光、先进中子源、加速器等束流装置平台，针对材料科学技术、信息科学技术、生命健康和环境保护等领域的关键科学技术问题，发展急需的先进实验技术和方法。考核指标：在选定的研究领域和研究目标，通过研究平台与相关领域研究部门的密切合作，研发在同步辐射光源、超快强激光、中子源和加速器上为解决上述瓶颈问题急需的先进实验技术和实验方法，促进大设施在材料科学技术，信息科学技术、生命健康和环境保护等领域的交叉实验研究。有关说明：本方向拟支持不超过8个项目。附件：“大科学装置前沿研究”重点专项2021年度项目申报指南.pdf形式审查条件要求.pdf指南编制专家名单.pdf

7月28日，中国科协在第二十三届中国科协年会闭幕式上发布了10个对科学发展具有导向作用的前沿科学问题、10个对工程技术创新具有关键作用的工程技术难题，并首次发布10个对产业发展具有引领作用的产业技术问题。10个前沿科学问题为：如何突破大尺寸晶体材料的制备理论和技术？纳米尺度下高效催化反应的作用机制是什么？农作物基因到表型的环境调控网络是什么？中微子质量和宇宙物质-反物质不对称的起源是什么？地球以外有统一的时间规则吗？大脑中的记忆是如何产生和重现的？以新能源为主体的新型电力系统路径优化和稳定机理是什么？铝合金超低温变形双增效应的物理机制是什么？如何揭示板块运动动力机制?“亚洲水塔”失衡失稳对青藏高原河流水系的影响如何？10个工程技术难题为：如何高效利用农业微生物种质资源？如何解决三维半导体芯片中纳米结构测量难题？如何开发比能量倍增的全固态二次电池？如何发展我国自主超高分辨率立体测图卫星关键技术？如何利用人工智能实现医疗影像多病种识别并进行辅助诊疗？如何突破深远海航行装备制造与安全保障工程技术难点？如何创建5G+三早全周期健康管理系统？如何通过重要生态系统修复工程构建精准高效的生态保护网络和恢复生物多样性？如何构建我国生态系统碳汇扩增的技术体系？如何制造桌面级的微小型反应堆电池？10个产业技术问题为：如何实现面向大规模集成光芯片的精准光子集成？如何开发针对老龄化疾病的医用人工植入材料？如何开发融合软体机器人与智能影控集成技术的腔道手术机器人产品？如何开发大规模低能耗液氢技术和长距离绿氢储运技术？如何解决我国航空发动机短舱关键技术问题？如何突破耕地重金属的靶向快速经济安全减污技术？如何利用风光水加快实现“碳中和”目标？如何攻克漂浮式海上风电关键技术研发与工程示范难题?如何制备高洁净高均质超细晶高端轴承钢材料？如何发展与5G/6G融合的卫星互联网络通信技术？2018年以来，中国科协组织全国学会等科技共同体，面向广大科技工作者征集评选重大前沿科学问题和工程技术难题，在中国科协年会上发布，四年共评选、发布了130个问题难题。2021年，共征集到89个国内科技组织、73个国外组织和境外专家推荐的472个问题、难题，2万余名一线科技工作者和战略科学家参与推荐和研判。此外，今年首次向近年来积极参与征集发布活动并作出重要贡献的学会授予重大科技问题难题征集发布优秀学会牌匾。中国科协将推动构建重大问题难题研判品牌体系，践行科技共同体的价值使命，凝聚科技工作者共识，深化全球科技交流合作，不断研判科技发展趋势，识别关键核心技术，团结科技力量协同攻关，推动高水平科技自立自强。

科技部25日在京公布2015年度中国科学十大进展，实现单个蛋白质分子的磁共振探测、实现单光子多自由度量子隐形传态、探测到宇宙早期最亮中心黑洞质量最大的类星体和解析细胞炎性坏死的关键分子机制等研究入选。　　“2015年中国基础研究取得重大突破，杰出人才和重大成果不断涌现。”科技部基础研究管理中心副主任耿建东说。本次遴选被推荐的256项科学进展，均为2014年12月1日至2015年11月30日间正式发表的研究成果。　　按照得票排序，2015年度中国科学十大进展分别为：　　1、实现单光子多自由度量子隐形传态 　　2、理论预言并实验验证外尔半金属的存在 　　3、揭示埃博拉病毒演化及遗传多样性特征 　　4、实现对反物质间相互作用力的测量 　　5、探测到宇宙早期最亮中心黑洞质量最大的类星体 　　6、发现东亚最早的现代人化石 　　7、揭示人类原始生殖细胞基因表达与表观遗传调控特征 　　8、解析细胞炎性坏死的关键分子机制 　　9、研制出碳基高效光解水催化剂 　　10、实现对单个蛋白质分子的磁共振探测。　　详细解读如下：　　实现多自由度量子隐形传态　　量子隐形传态在概念上非常类似于科幻小说中的“星际旅行”，可以利用量子纠缠把量子态传输到遥远地点，而无需传输载体本身。中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究小组在国际上首次成功实现多自由度量子体系的隐形传态，成果以封面标题的形式发表于《自然》杂志。这是自1997年国际上首次实现单一自由度量子隐形传态以来，科学家们经过18年努力在量子信息实验研究领域取得的又一重大突破，为发展可扩展的量子计算和量子网络技术奠定了坚实的基础。该成果被英国物理学会评为“2015年度国际物理学十大突破之首”。　　量子信息技术以一种革命性的方式对信息进行编码、存储和传输，在信息安全和运算速度等方面突破经典信息技术的瓶颈。量子通信是迄今为止唯一被严格证明是无条件安全的通信方式，可以从根本上解决国防、金融、政务等领域的信息安全问题 量子计算具有超快的并行计算能力，有望为密码分析、大数据处理和药物设计等大规模计算难题提供解决方案。在量子通信和量子计算技术的基础上，可构架多节点多用户的广域量子网络平台。而实现以上所有这些技术的一个核心单元就是多自由度的量子隐形传态。　　中国科学家找到外尔费米子　　德国科学家外尔1929年指出，当质量为零时，狄拉克方程描述的是一对能量相同但具有相反手性的新粒子，即外尔费米子。80多年过去了，人们一直未能观测到这种神奇的粒子。　　近年来，拓扑绝缘体尤其是拓扑半金属等领域研究的快速发展为寻找外尔费米子提供了新的思路，它们可以作为准粒子存在于外尔半金属材料中。寻找外尔半金属材料是一个非常具有挑战性的科学问题，也是该领域国际竞争的焦点之一。2015年，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)方忠研究组(翁红明等)通过理论计算预言，TaAs家族材料就是要寻找的外尔半金属体系 陈根富研究组合成出了该材料的晶体，并观察到理论预测到的因手征反常导致的负磁阻效应 丁洪研究组(丁洪和钱天等)与合作者用角分辨光电子能谱证实了理论预言的三维电子能谱和费米弧。　　中国科学家的一系列工作终于“找到”了外尔费米子这样一个隐身80多年的“幽灵”粒子。此外，美国普林斯顿大学的Z. Hasan研究组和清华大学的陈宇林研究组及合作者也得到类似的结果。外尔半金属的发现提出了很多新的科学问题，同时也为开发低能耗电子器件等变革性技术提供了新的思路。　　揭示埃博拉病毒演化及遗传多样性　　2014年初在西非暴发了埃博拉病毒病疫情，之前的研究显示，此次疫情病毒的变异速率比以往有成倍的提高，该结果引起了全球疫情防控机构的恐慌。人们担心病毒的高速变异可能导致更加烈性的病毒变异株产生，同时大量变异可能对基于PCR技术的病毒检测产生漏检。军事医学科学院微生物流行病研究所曹务春研究组与中国科学院微生物研究所高福研究组和军事医学科学院放射与辐射医学研究所贺福初等合作，对2014年9月至11月间的大量病例标本进行基因组测序，获得来自塞拉利昂的175株病毒的全长基因组数据，发现在此期间埃博拉病毒在系统发生上进一步分化，遗传多样性快速增加，出现了多个新的病毒流行分支。但此疫情中埃博拉病毒的变异速率，与先前暴发疫情中埃博拉病毒的变异速率接近。这些研究成果加深了对病毒进化特点以及传播动力学的理解，消除了国际社会对于埃博拉病毒快速变异的担忧，同时大量基因组序列的发表为现场病毒检测PCR引物设计提供了参考，并将有助于对埃博拉病毒疫苗和治疗方案的研发。相关研究论文发表在2015年8月6日《自然》上。　　首次测量到反物质间 相互作用力　　美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)的STAR实验将质心能量为200GeV的金离子相互碰撞，产生出大量的反质子，这为测量反质子-反质子间相互作用提供了机会。中国科学院上海应用物理研究所马余刚研究组与美国布鲁克海文国家实验室唐爱洪研究组等合作，利用STAR实验结果，通过对反质子-反质子之间动量关联函数的测量，首次提取了反质子-反质子相互作用的有效力程和散射长度。研究表明，反质子-反质子之间存在着强吸引力，可以克服反质子-反质子之间的由于同号(负电荷)所产生的库伦排斥力，结合成反物质原子核。而且他们测量得到的结果与质子-质子相互作用的对应值在误差范围内一致。他们的研究结果提供了两个反质子间相互作用的直接信息，给出了对量子场论和对称原理的一个直接验证，为进一步理解更复杂的反原子核及其属性奠定了基础。相关研究论文发表在2015年11月19日《自然》上。《自然》审稿人对该研究给予高度赞赏：“这是首例反质子-反质子作用的直接测量。　　人类原始生殖细胞 基因表达与表观遗传调控特征　　生殖细胞(精子和卵子)是人类维持生命延续、代代相传的种子和纽带。在妈妈的肚子里，胎儿除了要完成自身发育，还要为其后代做好准备，形成原始生殖细胞(PGC)并进行性腺发育,以保证性成熟后形成正常的精子和卵子。　　这类特殊的原始生殖细胞与其他细胞有何不同?基因表达调控的特征是什么?除了遗传序列本身，祖父辈及父母亲还把哪些表观遗传记忆留在了PGC细胞中?哪些表观遗传记忆信息必须需要清除?人类对其还缺乏深刻的认识。　　北京大学生物动态光学成像中心汤富酬研究组和北京大学第三医院乔杰研究组采用最新的单细胞转录组高通量测序等关键技术，深度解析了人类原始生殖细胞多个发育阶段的转录组和DNA甲基化组的动态变化，揭示了人类原始生殖细胞基因表达调控的一系列关键特征。　　该项研究显示，处于发育早期的人类原始生殖细胞协同表达一系列多能性基因以及生殖系特异基因。　　基因组DNA甲基化作为一种关键的表观遗传修饰方式，是调控细胞分化过程中基因表达的关键机制之一。　　他们的研究首次发现女性原始生殖细胞中X染色体重新激活明显早于小鼠，而且SOX15 仅特异性高表达于人类早期原始生殖细胞，推测其是调控原始生殖细胞发育与性别分化的重要基因。　　此外，该项研究发现人类原始生殖细胞在发育过程中会经历大规模的表观遗传记忆(DNA甲基化标记)的擦除，在胚胎第11周时原始生殖细胞中仅有6%—7%的DNA甲基化得以保留 但另外一方面，基因组中的一些特殊的重复序列元件上仍然残留大量甲基化，这为研究人类隔代遗传现象的表观遗传学基础提供了重要线索。相关研究论文发表在2015年6月4日《细胞》上。　　发现东亚最早的现代人化石　　作为人类起源与演化研究的重要组成部分，现代人起源一直是古人类学研究与争议的热点。目前，国际学术界的主流观点支持现代人起源于非洲，认为现代人19万年前起源于非洲，6万年前扩散到欧亚大陆，成为当地现代人的祖先。近10年来，中国学者在这个领域的研究取得一系列重要进展，确定早期现代人至少10万年前在华南地区已经出现。　　然而，学术界对于具有完全现代形态的人类在东亚地区出现时间尚不清楚。中国科学院古脊椎动物与古人类研究所刘武和吴秀杰研究组与英国María Martinón-Torres合作等报告了对中国南部湖南省道县福岩洞的最新发掘资料。他们先后发现了47枚人类牙齿化石以及大量动物化石。　　研究显示，道县人类牙齿尺寸较小，明显小于欧洲、非洲和亚洲更新世中、晚期人类，位于现代人变异范围，牙齿齿冠和齿根呈现典型现代智人特征。这些形态和尺寸对比分析说明道县人类牙齿已经具有完全现代形态，可以明确归入现代智人。测年结果表明，这批人类化石的埋藏年代在 8—12万年前。动物群组成则指示出晚更新世早期的特点，进一步支持测年的结果。据此可以确定，具有完全现代形态的人类至少8万年前在华南局部地区已经出现。这项研究以可靠的地层年代数据和详实的化石形态特征提供了迄今最早的现代类型人类在华南地区出现的化石证据，填补了现代类型人类在东亚地区最早出现时间和地理分布的空白。这是继2010年广西智人洞下颌骨发现之后，中国学者在东亚现代人起源方面取得的又一项重大突破，对“中国没有早于6万年的现代人”这一国际主流观点提出了有力挑战。　　此外，与这群现代人同时代的北方地区，还生活着形态特征更原始的“土著居民”，道县的研究描绘了一幅中国南北地区不同人群共同存在的场景，进而提出现代人在中国扩散的可能路线为由南向北。这些发现对于探讨现代人在欧亚地区的出现和扩散具有非常重要的意义。相关研究论文发表在2015年10月29日《自然》上。　　发现宇宙早期最亮、中心黑洞质量最大天体　　发现遥远宇宙中的明亮天体对了解早期宇宙的结构极为重要，位于宇宙早期的高红移类星体是研究早期宇宙的重要探针。迄今为止，天文学家通过大型巡天已经发现了30多万个类星体，其中大约有40个类星体红移大于6(即距离超过127亿光年)。每个类星体中心都包含一个质量约为10亿个太阳质量的黑洞，它们正在猛烈地吞噬其周围的物质，并在黑洞附近释放出巨大的能量。　　北京大学物理学院吴学兵研究组与合作者基于自主发展的选取高红移类星体候选体的有效方法和判据，利用中国科学院云南天文台的2.4米光学望远镜首先观测和国外4台大型光学和红外地面望远镜后续观测，发现一个距离我们128亿光年(红移6.3)、发光强度是太阳的430万亿倍、中心黑洞质量约为120亿太阳质量的超亮类星体。　　这是目前发现的在宇宙早期最亮、中心黑洞质量最大的一个类星体，也是世界上第一个利用2米级光学望远镜发现的红移6以上的类星体。该发现证实在宇宙年龄只有9亿年时，就已经形成质量为120亿太阳质量的黑洞，这对目前的黑洞形成和增长理论以及黑洞和星系共同演化理论都提出了严重的挑战，并为未来研究早期宇宙中黑洞和星系的形成和演化提供了一个特别的实验室。相关研究论文作为封面推荐论文发表2015年2月26日《自然》上。　　解析细胞炎性坏死的关键分子机制　　细胞炎性坏死(细胞焦亡)是机体的重要免疫防御反应，在拮抗和清除病原感染和内源危险信号中都发挥重要作用。过度的细胞焦亡会诱发多种自身炎症/免疫性疾病，最新研究显示艾滋病的发生也和细胞焦亡有关。然而人们对细胞焦亡发生的机制完全不清楚。　　北京生命科学研究所邵峰研究组与合作者，利用最新的CRISPR/Cas9基因组编辑技术，针对caspase-1 和caspase-11介导的细胞焦亡通路进行了全基因组范围遗传筛选，鉴定出全新的GSDMD蛋白，并证明GSDMD是所有炎性caspase的共有底物，该蛋白的切割对于炎性caspase激活细胞焦亡既是必要的也是充分的。这是20年来首次揭示细胞焦亡的关键分子机制，为多种自身炎症性疾病和内毒素诱导的败血症提供了全新的药物靶点。该研究还首次发现gasdermin家族蛋白(包含GSDMD)都具有诱导细胞焦亡的功能，进而重新定义了细胞焦亡的概念，并开辟了细胞程序性坏死和天然免疫研究的新领域。相关研究论文发表在2015年10月29日《自然》上。　　碳基高效光解水催化剂　　利用太阳光直接催化分解水同时制取氢和氧是发展清洁、绿色可再生能源的理想策略之一。在过去40年，聚焦于一步、四电子过程来研究光催化分解水，已经开发出多种无机和有机材料体系的光解水催化剂。然而，大多数光催化剂量子效率较低、稳定性较差。苏州大学纳米科学技术学院康振辉、Yeshayahu Lifshitz和李述汤研究组设计构建出一种非金属碳纳米点-氮化碳纳米复合材料高效光解水催化剂，提出并示范了一种两步、两电子过程的高效完全光解水新机制，实现了可见光下高效的全分解水。该催化剂具有较好的稳定性(可见光催化活性200天保持不变)以及较高的太阳能到氢能的转换效率(波长420± 20 nm下量子效率为16%，太阳能到氢能的转换效率约为2%)。此外，该催化剂材料还具备廉价、资源丰富、环境友好等优点。相关研究论文发表在2015年2月27日《科学》上。还被《化学世界》、《国家科学评论》等多家科学媒体进行专题报道。伦敦大学玛丽女王学院Steve Dunn教授评价该研究为“是该领域的彻底变革”。该研究结果为深入理解和设计高效光催化剂提供了新的思路。　　实现对单个蛋白质分子的磁共振探测　　在纳米尺度上直接测量单个分子的组成、结构及动力学性质，是当今物质科学探索的发展趋势。自旋磁共振是重要的物质科学研究手段，在前沿科学和国民生产众多领域均有广泛的应用。然而基于磁电感应探测原理的传统磁共振技术，通常只能测量毫米尺度以上百亿个分子系综的统计平均性质，无法实现对单个分子的直接测量。　　中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室(筹)杜江峰领衔的研究团队使用最新的量子操控技术，基于钻石量子探针和新颖的自旋量子干涉仪探测原理，实现了单分子磁共振的突破。该团队于国际上首次获取了单个蛋白质分子(直径约5纳米)的顺磁共振谱，并解析出其动力学信息，成功将电子顺磁共振技术分辨率从毫米推进到纳米，灵敏度从上百亿个分子推进到单个分子。该新技术可用来在单分子层面认识物质科学和生命科学的机理，在物理、化学及生命科学等多个领域有广泛应用前景，特别是其室温大气的宽松实验条件为生命科学等领域的研究提供了尤为适宜的条件。相关研究论文发表在2015年3月6日《科学》上。这一成果在国际同领域引起了很大反响，得到美国化学会、德国马普所等广泛的新闻报道。《科学》杂志将该成果选为研究亮点并配发专文报道，称其“实现了一个崇高的目标”，“是通往活体细胞中单蛋白分子实时成像的重要里程碑”。