主题：【分享】2012年世界科技发展回顾:基础研究篇

2013年01月02日 来源： 中国科技网 作者： 本报国际部

    基础研究

  美 国

  “上帝粒子”研究传出新消息；最短最纯X射线和超小激光器问世；量子研究有新进展；看到纳米粒子内部结构。

  毛黎（本报驻美国记者）费米实验室7月表示，他们在“万亿电子伏特粒子加速器”(Tevatron)500万亿次正负质子碰撞产生的残骸中发现了希格斯玻色子存在的征兆，并将其质量范围压缩至118Gev／c2到132Gev／c2之间。此次获取信号的确定性水平约为“2.9西格玛”，这意味着仍有大概千分之一的可能性，得到的“上帝粒子”信号只是噪音或统计异常。不过，这些数据只能接近证明它的存在，还需要根据欧洲大型强子对撞机（LHC）的实验结果来建立发现“上帝粒子”存在的更坚实证据。

  科学家用制造可见光激光的方法，打造出了世界上波长最短、最纯的X射线激光；西北大学科学家利用3D蝴蝶结式的纳米金属空腔结构开发出只有病毒大小的新型超小激光器。它能最大限度地突破阈值限制，让所有光子都以激光形式进行发射。

  耶鲁大学的物理学家证明了量子纠错的最基本形式，相关技术可以纠正那些在高速运算中出现的错误；科学家研制出单晶体人造钻石，使量子比特存储时间超过1秒钟。其亦是人类首次实现用一种材料在常温下将量子比特存储如此长时间，代表着量子信息处理的最新发展；斯坦福大学利用金属镝造出世界上第一个双极量子费米子气体，其兼具晶体和超流液二者相互矛盾的特征，是全新的量子物质形态。

  科学家使用扫描透射电子显微镜首次看见纳米粒子内部的情况，并获得纳米粒子中单个原子及原子排列的三维图像；普渡大学研制的纤细等离子体纳米天线阵列采用新奇的方式对光进行精确地操控，改变光的相位，创造出负折射现象；研究人员用激光照射一种蝴蝶结形的纳米光学天线阵列获得灵巧的光镊，它能镊住各种粒子并能把不同粒子按大小排列；利用透射电子显微镜和先进的液体池处理技术，科学家对由铂、铁纳米粒子构成的纳米棒的生长轨迹进行了实时观测，结果有力地支持了纳米粒子在晶体生长中充当“人造原子”角色的理论。

  物理学家探索出了一种基于二次谐波产生过程的电流探测新方法，可直接“看”到电子的运动并测出电子的速度；在某些超导体中，运动电子好像比真空中的自由电子重1000倍，但同时电子运动却毫无阻力。科学家表示，产生这种现象是由于“量子纠缠”的过程，该过程决定了晶体中运动电子的质量。

  物理学家利用激光从超冷的铷原子气体云内激发单个原子，开发出能快速、有效创建单光子的新方式。这套单光子系统有望应用于光量子信息处理之中，其为研究原子的纠缠态和自旋波等提供了便利条件；联合量子研究所（JQI）的科学家研制出只需耗时120皮秒而能耗仅为90阿焦的最低能耗全光开关。

  圣母大学通过实验证明了利用石墨烯原子层可以有效操控太赫兹电磁波，并制作出基于石墨烯材料的太赫兹调制器样机；科学家借助红外线光束，沿石墨烯表面激发出了电子波，并证明通过简单的电路，能够控制这些被称为等离子体振子的振荡波的长度和高度。

  康奈尔大学将“时空斗篷”上升到实验阶段，其研制出的事件隐身装置通过加速或放慢光束的不同部分，令一个事件彻底消失约40皮秒。此外，科学家借用将激子冷却到绝对零摄氏度左右，首次观察到了激子内发生自发相干现象时的各种图案。研究人员开发出直径不足2英寸的平面几何图形状的新型中子发生器。科学家在原子内部发现了新的三体原子束缚态。在这种状态下，三个相同的原子松散地依附在一起，既存在于玻色子中又存在于费米子中。

  斯坦福大学和南加州大学开发出设计碳纳米管线路新方法，生产出一种以碳纳米管为基础的全晶片数字电路。该技术突破了碳纳米管在实际应用中的两个瓶颈：即使在许多纳米管发生扭曲偏向的情况下，新碳纳米管数字电路的整个线路仍能工作；如果线路中出现了金属碳纳米管，会导致短路、漏电、脆弱易受干扰等，新碳纳米管数字电路中那些不必要的元素可被清除。

  俄罗斯

  利用激光首次成功合成磁性粒子；将建成世界最大激光装置；发现影响超导临界温度的新因素。

  张浩（本报驻俄罗斯记者）1月，俄科学院乌拉尔分院电子物理研究所利用激光首次成功合成磁性粒子。激光合成法可使纳米粒子产量比传统制备法约增加一倍，能耗也可降低85%。其被视为当前世界上最先进的氧化铁磁性纳米粒子制备方法，在环境治理、生物陶瓷和定向给药等方面具有广阔应用前景。

  2月，俄联邦核中心发布消息称，下诺夫哥罗德州吉维耶夫区将建成世界最大激光装置。该激光装置的功率为2.8兆焦耳，超过目前已知最大的美国和法国约2兆焦耳的同类装置功率。俄科研人员透露，该激光装置造价约为450亿卢布，具有军民两用性质，可用于能量高密度物理、稠密热等离子物理及激光热核聚变等领域的研究。

  2月，俄科学家发现了影响超导临界温度的新因素。俄科学院乌拉尔分院固态化学研究所通过对含氧铁基超导复合材料进行研究发现，超导材料的结构和稳定性受氧原子空缺的影响。通过改变超导材料结构中氧原子的当量能够对超导材料的临界温度产生影响。研究结果为新材料研制开辟了道路，并可能在多个领域引发技术飞跃。

  5月，俄科学院西伯利亚分院生物物理研究所在研究细胞内部活动变化的过程中，通过对海洋桡足类水蚤荧光蛋白基因编码的重组、蛋白质改性以及对分子发光强度的研究，首次获得了发光强度超过自然水蚤蛋白5倍的突变发光蛋白。研究同时发现，该水蚤荧光蛋白的远端氨基酸非常接近于哺乳动物，适用于哺乳动物细胞反应变化过程的荧光分析，比天然的荧光蛋白具有更强的灵敏度。

  英 国

  希格斯粒子，暗物质研究渐显真容；宇宙探索发现频仍，量子研究进步明显。

  刘海英（本报驻英国记者）7月4日，欧核中心（CERN）宣布发现一种新粒子，其特性与所谓的“上帝粒子”即希格斯粒子的理论描述保持高度一致，质量范围大约在125GeV至126GeV之间，信号确定水平约为5西格玛，即99.98%。但CERN表示，还有数据在分析中，仍具不确定性，还需要更多数据来佐证。

  7月31日，欧核中心称“上帝粒子”被找到的可信度增大。更为完整的分析结果将确定性水平提高到接近6西格玛，准确率达到99.997%，为新粒子就是希格斯玻色子提供了更强有力的支撑。最早预言希格斯粒子存在的英国科学家彼得·希格斯也成了国人的骄傲。

  12月14日，来自欧核中心ATLAS项目组的最新结果发现，新粒子在质量以及衰变为双光子的速率等属性上与粒子物理学标准模型的预测有一定偏差——新粒子的质量比以其衰变为Z玻色子来计算要多大约3GeV。这使得新粒子为“上帝粒子”的身份依旧存疑。

  暗物质研究方面，1月，包括英科学家在内的一国际科研团队绘制出了迄今最大最详细的暗物质分布图，标志着人类对暗物质性质的理解又向前迈进了一大步；9月，英德科学家经过2年研究得出结论称，暗能量存在的可能性高达99.996%。虽然在6月，英国达勒姆大学天文学家称，据以确定宇宙物质组成的标准宇宙模型可能是错误的，暗物质和暗能量也许根本就不存在。但一系列新发现表明，也许暗物质如希格斯粒子一样，在争议之后会逐渐露出真容。

  天文学领域，1月，英美天文学家利用哈勃望远镜发现了聚在一起的5个星系，这一处于最初发展阶段的星系团距离地球131亿光年，是在早期宇宙观测到的最遥远原星系团；5月，英天文学家根据赫歇尔天文望远镜的观察数据得出结论，大质量黑洞会遏制早期恒星的诞生，该发现有助于解释星系核球与其中心黑洞质量的关系，亦为探讨恒星形成提供了线索；10月，英美等国科学家发现一颗位于天鹅座并与4颗恒星相伴的行星，这是科学家首次发现此类天体系统。

  量子研究领域，1月，英荷科学家利用铌酸锂波导，实现了对单光子路径和偏振的快速控制；4月，英科学家首次利用光让电子“穿越墙壁”，实现了量子隧穿；8月，英加科学家首次用相机拍下量子纠缠的图像，在同一时刻观察到量子光场的全景，使多达2500种不同的纠缠态呈现眼前。

  基础研究领域，英科学家通过化学工程制造出一种名为Cr7Ni的特殊分子结构，可延长量子比特寿命，其磁性能保持量子叠加态超过15微秒；首次对极热致密等离子体进行受控研究，实验结果推翻了50年来人们广泛接受的模型，将对从核聚变到恒星内部运行机制等许多研究领域产生重要影响。

  法 国

  “普朗克”探测器发现分子云和神秘微波，以及连接星系团的热气体带；欧航局批准暗物质探测项目。

  李钊（本报驻法国记者）2月，欧洲航天局（简称欧航局）发布公告称，“普朗克”太空探测器最近观测到非常罕见的分子云和特殊的微波“雾”。这些发现有助于科学家深入了解宇宙结构。11月，欧航局又宣布，“普朗克”探测器首次探测到连接两个星系团的热气体带。探测结果显示，在距离地球约10亿光年的“埃布尔399”星系团和“埃布尔401”星系团之间有长达1000万光年的丝状热气体带。欧航局初步推测，这些气体可能是由冷尘埃形成的纤维状物质和产生于星系团的气体混合而成。“普朗克”探测器于2009年5月启用，其主要任务是探测宇宙诞生的“余烬”——宇宙微波背景辐射，以帮助科学家研究早期宇宙形成和物质起源的奥秘。

  6月，欧航局宣布，“欧几里德”暗物质和暗能量探测项目正式获欧航局科学项目委员会批准，进入全面建设阶段。根据这一项目，欧航局计划于2020年发射一艘探测飞船，飞船上有直径1.2米的望远镜、可见光照相机和近红外照相机，通过大型分布式处理系统来绘制覆盖三分之一天空、多达20亿个星系及其暗物质的三维分布图，以揭示宇宙间暗物质和暗能量的真相。这一项目的正式通过对科学界、相关机构和欧洲工业来说是一个重大的里程碑，其有望让科学家更好地了解暗能量和暗物质的本质及其对星系的影响，以及探索宇宙加速膨胀的原因。

  法物理学家塞尔日·阿罗什和美物理学家戴维·瓦恩兰因“提出了突破性的实验方法，使测量和操控单个量子体系成为可能”获得2012年诺贝尔物理学奖。两人各自独立发明和发展了测量及操控单个粒子的方法，并能在实验过程中保有粒子的量子力学特质，而这种方式在此之前被认为是不可企及的。这也为量子物理的实验研究进入新时代铺平了道路。

  11月21日，为期两天的欧航局部长级会议决定为未来的太空探索项目投入100亿欧元，以增强欧洲在太空领域的竞争力。

  11月，法国国家保护性考古研究院宣布该机构在法北部塞纳－马恩省发现一具保存近乎完整的猛犸象骨架化石。考古人员首先发现了两根猛犸象牙、股骨和部分骨盆，在随后的深入发掘过程中又挖掘出了肱骨、颌骨以及4段相连的脊椎骨。这具骨架虽已经散开，但分散范围很小。虽然目前还无法断定其性别，但考古人员初步确定，这头被命名为“赫尔穆特”的猛犸象是一头20岁至30岁的成年猛犸象，高2.8米至3.4米，重约5吨，毛发覆盖全身，拥有很厚的脂肪层，大约生活在公元前20万年至5万年。

  德 国

  新一代粒子加速器FAIR在德始建；首个量子初级网络构建成功；研发出新型、简易、低成本皮秒激光系统。

  李山 （本报驻德国记者）科学设施方面，国际大科学合作项目新一代粒子加速器FAIR (反质子与离子研究设施) 在德国达姆施塔特开始建设。该项目总投资约12亿欧元，其中德联邦教研部将投入5.26亿欧元，是迄今为止教研部向单个科研设施支持力度最大的项目。

  量子研究方面，德马普量子光学研究所历经数年，设计出一种 “完美控制”量子网络中所有组件的方法，进而第一次将两个各自代表网络节点的系统，通过一个60米长的光纤相连，并在它们之间进行量子信息高效率和高保真的交换。这是首个初级量子网络，其包含一对纠缠原子，这对纠缠原子可通过单光子相互传递信息，是“已经实现了第一个在节点之间可完成量子信息可逆交换的量子网络原型。”

  地球和环境研究方面，德奥斯那布吕克大学参与的科研小组对地球生物起源提出一种新观点，认为地球生物的发源地可能是地球表面火山活动地区的池塘和沼泽地，而并非目前普遍认为的海洋是地球生物的发源地；5月，德使用齐柏林新技术(NT)飞艇开展迄今为止持续时间最长的欧洲气候监测研究，测量大气化学对气候变化的影响；德极星号科考船则于10月27日起航，远赴南极开展为期18个月的考察。

  测量领域，德卡尔斯鲁尔理工学院和鲁尔波鸿大学共同研发出用于测量距离的雷达系统并得到成功应用。这个雷达系统以一个微米的精确度为测量距离创下了新纪录；德耶拿大学则与企业联合研发出一种新型、简易、低成本的皮秒激光系统，扩大了传统激光系统脉宽范围，非常适于工业应用；德国美茵茨大学开发出一种利用黄金纳米微粒发射的微弱辐射来“感知”和观察蛋白质分子运动的新方法。

  天体物理方面，德莱布尼茨天体物理研究所从理论到实验证实了一种磁场效应，它可以解释，类日恒星为何在寿命末期的转速要比预期慢很多。

  其他方面，德国德累斯顿工业大学研制出世界首个“化学芯片”，它处理的是以物质浓度为特征的化学信息，可自主实现化学信息的处理过程，是一种真正具有芯片实验室功能的微处理器；德哥廷根大学与马普学会的科学家通过红外线光谱分析手段首次确定最小的水分子晶体结构，即最少需要275个水分子才可以形成晶体。该结论是研究物质由原子状态进入固体状态的变化过程（相变物理学）领域的重要成果。

  日 本

  计算推出，东京地区可能发生里氏7级地震；探查震源，创造最新海平面下掘进世界记录。

  葛进（本报驻日本记者）东京大学地震研究所通过计算得出，东京地区可能发生里氏7级地震。目前东京所在的日本首都圈地区发生的3至6级地震频率与东日本大地震前相比近。这也从侧面为地球早期生命起源于热水环境这一学说提供了证据。

  东京大学的研究人员发现，地球内部存在个别“热点”移动现象。所谓“热点”指的是能够喷出地球内部熔岩的火山或者海底火山，以往人们的认识是这些火山的位置都是不会移动的，受地壳运动影响，移动的只是这些火山的喷火口。此次研究推翻了这一认识，有助于人们重新审视以往的地壳运动理论。

  已经增加了约5倍，根据小规模地震频率增加则发生更大规模的地震几率也会上升的规律，经计算，今后30年内东京地区发生大规模地震的概率为98%，而今后4年内的发生概率为70%。

  日地质勘探船“地球”号于今年5月在调查引起东日本大地震的震源区域时，将探头掘进到了海底地下865.5米，从而创造了最新的海平面下掘进世界记录，为7740米。

  日国立天文台的研究人员与丹麦的研究人员在离地球约400光年的宇宙空间中，发现了可作为生命构成要素的糖分子。同样类型的糖分子过去曾在宇宙中的两个地方发现过，而在适合行星形成的场所还是首次发现。该

  研究成果有助于人们研究地球以外的行星上会出现何种生命形式。

  日京都大学物质—细胞统合系统据点iPS（诱导多功能干细胞）细胞研究中心主任长山中伸弥和英发育生物学家约翰·格登因在细胞核重新编程研究领域的杰出贡献而获2012年诺贝尔生理学或医学奖。山中伸弥是诱导多功能干细胞的创始人之一。2007年，他所在的研究团队通过对小鼠的实验，发现诱导人体表皮细胞使之具有胚胎干细胞活动特征的方法。此方法诱导出的干细胞可转变为心脏和神经细胞，为研究治疗目前多种心血管绝症提供了巨大助力。又因其实现了细胞分化过程的逆转，被称为生理学上的革命性突破。

  日理化学研究所人工合成的元素被确认为元素周期表上的第113种元素。该元素的命名权将由日本产生，这也是元素周期表上第一次出现由日本人发明的元素。

  东北大学与高辉度光科学研究中心的研究人员利用大型放射光设置（Spring-8）试验发现，地球内部的地幔部分是由化学构成不同的上下两层组成。该项研究成果将有助于人们弄清地球的形成和进化过程。

  海洋研究开发机构通过解析基因组证明，生活在约70摄氏度的地下温泉水中的细菌在所有已知细菌中与他们“共同的祖先”最为相近。这也从侧面为地球早期生命起源于热水环境这一学说提供了证据。

  东京大学的研究人员发现，地球内部存在个别“热点”移动现象。所谓“热点”指的是能够喷出地球内部熔岩的火山或者海底火山，以往人们的认识是这些火山的位置都是不会移动的，受地壳运动影响，移动的只是这些火山的喷火口。此次研究推翻了这一认识，有助于人们重新审视以往的地壳运动理论。

  韩 国

  韩政府借承办核安全峰会之机，加大了在核开发领域的基础研究投入。

  薛严（本报驻韩国记者）3月，韩国浦项产业科学研究院表示，已经成功从1000升盐水中提取出5公斤锂，并把提取时间从原来的12个月大幅缩减到1个月，提取率也由以前的50%提高到了80%以上。除锂之外，还可以分离提取盐水中的镁、钙、钾和硼等高附加值元素。

  9月，韩科学技术研究院（KAIST）表示，该院新材料工学研究组在世界上首次开发出了可以弯曲且性能卓越的电池。该研究组在硬质矿物云母制造的电路板上，将薄层构造堆积的两极物质“锂钴氧化物”进行700摄氏度的热处理后，除去云母剩余的物质即成为具有柔韧性的电池材料，再采用塑料包裹的办法，制造出相当于头发十分之一厚度的超薄且柔韧的电池。科研人员表示，该电池弯曲前后电压没有变化，反复进行一万次充电和放电实验显示运作稳定。同时，电池内部使用了耐热性强的固体电解质，因此没有爆炸的危险。

  南 非

  科学家发现地球上最早“幼儿园”——恐龙“幼儿园”

  李学华（本报驻南非记者）南非和加拿大科学家对恐龙蛋化石和恐龙幼仔足印的研究表明，在恐龙中可能存在着集体定居和抚育孩子的行为。这大概是地球上最早的幼儿园。

  科学家表示，恐龙可能非常关心甚至溺爱自己的孩子。小恐龙只有在体格足够大（是刚孵出来的2倍大）以后，才会离开父母的保护，独立生活。这是因为恐龙幼仔未长出牙时，需要由它们的父母喂养，且很有可能是成年恐龙提供反刍食物来喂养幼仔。而基于化石和沉积学的证据，科学家断定，这些结伴定居、细心照料孩子的恐龙为巨椎龙。它们体长6米多，生活在1亿9千万年前的早侏罗纪时期，被科学家称为恐龙时代的“绵羊”。此次发现的恐龙窝点比早前已知的有类似定居行为的恐龙化石遗址要早1亿年，这为研究早期恐龙的繁育生物学提供了经验数据。

    《科技日报》（2013-01-02 二版）