科學也可以如此靠近

2018全球科技的78項重要進展和事件

1月
12
2019

2019年1月12日15時 今日科學 世界科技創新論壇

世界科技創新論壇

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2018年,世界科技繼續呈現出蓬勃的發展態勢。這讓人們日益堅信,我們正處於新一輪科技革命與產業變革的過程中。在懷念霍金、記憶2018年的同時,我們更要向著明天出發。擁抱2019,繼續新科技革命與產業變革的進程!

一 深空·深海·物質深層

1. 中國發射首次超過美國。整個2018年,中國發射了39次,其中航天科技37次、航天科工1次、民營航天企業藍箭航天1次(不幸失敗),首次超過美國成為全球年度航天發射數量最多的國家。截止12月27日,全球發射已達108次,是冷戰後首次超過100次;30年後,人類又一次發射重型火箭。

2.

美國「洞察號」成功著陸火星。在歷經6個多月、總飛行3億英里之後,洞察號(Insight)抵達火星,這是人類歷史上第8次將探測器成功送上火星地表,成為第三個正在服役的火星探測器。它已從火星傳回了火星的風聲,攜帶的儀器還可以探究火星內部構造。另外具有里程碑意義的是,兩枚微型立方體衛星跟隨到達火星軌道,充當洞察號的信號中繼器。因火星表面颳起全球性風暴,「機遇號」於6月份「失聯」。「好奇號」在風暴過後,又開始正常工作。

「洞察號」在火星表面工作(想像圖)

火星表面颳起全球性風暴

3. 火星表面發現液態水。義大利科學家通過歐洲航天局的「火星快車」探測器,在火星南極1.5千米的冰蓋下,首次發現了數米深、直徑約20千米的高鹽度液態湖泊。這是火星探索歷史上的重大突破。

火星表面發現高鹽度的湖泊

4. 美國發射帕克號太陽探測器。帕克探測器在隨後大約8年內,將完成24次繞太陽軌道的飛行,與太陽表面的距離最近時僅有610萬千米,將成為首個進入日冕層的飛行器。「帕克號」打破了塵封40多年之久的最快人造物體記錄。

帕克號太陽探測器

5. 歐日聯合首次發射水星探測器。貝皮科倫布(BepiColombo)由水星行星軌道器(歐空局)和水星磁層軌道器(日本)組成,它們在抵達水星時分離,分別進入不同高度的互補軌道。這是歐空局第一次,人類第三次向水星發射探測器。因為距離太陽太近,水星探測非常之難。

6.

小行星探測前赴後繼。日本「隼鳥2號」飛抵小行星「龍宮」,預計2020年底返回地球。美國小行星取樣探測器OSIRIS-Rex抵達一顆名為「貝努」(又譯為「不死鳥」)的小行星,並發現水的存在。據估計,貝努將可能於2135年撞擊地球。第一個小行星探測器「黎明」工作11年後即將「退役」,它先後探測了灶神星和穀神星,據信這兩顆小行星占整個小行星帶質量的45%。小行星蘊含著太陽系早期的秘密,有些小行星因擁有巨量貴金屬甚至還具有巨大商機。

日本小行星探測器「隼鳥2號」拍攝的小行星「龍宮」表面

藝術家概念下的OSIRIS-REx與貝努小行星(圖:NASA/Goddard/Chris Meaney)

7. 嫦娥四號前往月亮背部。目前已成功進入近月點約100公里的環月軌道。之前發射的「鵲橋」中繼衛星,首次實現國際地月拉格朗日L2點的測控和中繼通信。有趣的是,嫦娥四號還攜帶了一個密閉的罐子——內有馬鈴薯種子、擬南芥種子、蠶卵、土壤、水、營養液和空氣,它將驗證生物能不能在月球表面活下來。

嫦娥四號攜帶著陸區器和月球車

8. 俄羅斯載人飛船發射失敗。10月11日,俄羅斯「聯盟MS-10」飛船搭載「聯盟-FG」型運載火箭發射升空,起飛約119秒後,第二級發動機突然關閉,此後乘員艙與火箭緊急分離,並拋出降落傘著陸。飛船上的俄羅斯太空人阿列克謝·奧夫奇寧和美國太空人尼克·黑格均告生還。12月3日,載人飛船復飛,成功把三名太空人送往國際空間站。

「聯盟-FG」型運載火箭發射

9. SpaceX重型獵鷹火箭成功首飛。2月7日,SpaceX成功發射重型獵鷹火箭,上面搭載了一輛特斯拉紅色敞篷跑車Roadster,車座上還放置著一個假人模型。

SpaceX成功發射重型獵鷹火箭

10. 「新視野號」在「天涯海角」發回新年祝福。2006年發射的「新視野號」已經奔赴太陽系邊緣「柯伊伯帶」。2019年元旦,它掠過一個小行星2014MU69(徵集命名為「天涯海角」),此時距離太陽43.4個天文單位(日地距離)。值得一提的是,11月,「旅行者2號」穿過日光頂層(heliopause),成為繼「旅行者1號」器之後第二個遠離太陽的人造物體。

「新視野號」拍攝到的第一張2014MU69的照片

11.望見宇宙的黎明!科學家探測到第一批恆星的信號。亞利桑那州立大學的一座地基天線,探測到宇宙大爆炸1.8億年後第一批恆星發出的無線電信號。意外的是,該信號比理論預測的要強兩倍,被認為可能受到了暗物質的影響。

12.最精確的銀河系17億顆恆星3D地圖。歐空局的蓋亞衛星發布最新數據,綜合了22個月的測量數據,繪製出迄今為止最精確的銀河系地圖,包含17億顆恆星及其距離和運動方向等數據。

蓋亞(Gaia)拍攝的銀河系和臨近星系,含有將近17億顆恆星

13. 「彩虹魚」完成萬米海試。由上海海洋大學和西湖大學聯合組成的科考團隊在全球最深的海溝——馬里亞納海溝成功完成兩台「彩虹魚」第二代著陸器的萬米級海試,深度分別為10918米和10899米。

考察隊員將負責拍攝和誘捕生物的「彩虹魚」第二代著陸器回收到甲板(12月11日攝)(新華社記者 張建松 攝)

14. 首次實現反氫內基準能量躍遷。現今的物理學認為,宇宙大爆炸應該創造了等量物質和反物質,但反物質一直未見其蹤。加拿大和歐洲核子研究中心的物理學家首次在反氫原子內實現並觀察到了最基本、最重要的萊曼-α躍遷,向操控反氫原子邁近了一步。

鈦藍寶石雷射系統(來源:University of British Columbia)

15.首次測出質子內部的壓強,是地球大氣壓力的100萬億億億倍(1030倍),這大約是中子星核心壓力的10倍。為了量化質子內部壓力,研究人員使用了該探測器為傑斐遜實驗室的連續電子束加速裝置大接受度譜儀(CLAS)。

16. 科學家首次精確定位「幽靈粒子」起源。早在1912年,科學家就發現每天都有亞原子粒子不停地撞向地球。南極天文台建立了一個被傳感器緊密包裹的1立方公里冰體「冰立方」。2017年9月,捕捉到一個高能中微子。今年7月,科學家將其成功地溯源到一個距地球約37.8億光年的耀變體(Blazar)——巨大黑洞吸積大量物質而產生的劇烈天文現象。

17. 國際上首次揭示水的核量子效應。水的結構是《科學》雜誌創刊125周年特刊中提出的125個最具挑戰性的科學問題之一。北京大學在國際上首次獲得了單個水分子的高分辨振動譜,測得了單個氫鍵的強度。研究表明氫核的量子效應足以對水的結構和性質產生顯著的影響,澄清了學術界長期爭論的氫鍵的量子本質。

18.馬約拉納任意子首次在超導塊體材料中被發現。中科院物理所、中科院大學聯合研究團隊,首次在超導塊體材料中觀測到馬約拉納任意子,為馬約拉納物理的研究開闢新的方向。物質都是由「費米子」的基本粒子組成,每一個粒子都有反粒子。1937年義大利理論物理學家馬約拉納預言,宇宙中存在中性費米子,其反粒子是它本身,人們把這種神奇的粒子稱為馬約拉納費米子。

鐵基超導材料磁通漩渦中發現的馬約拉納任意子

二 生命·生物·生態

19. 單細胞尺度細胞譜系追蹤技術。一直以來,人們都想弄清楚單個細胞是如何發育成擁有多個器官和數十億細胞的成年動物的。這需要從活生物體中分離成千上萬個完整細胞,有效測序每個細胞中表達的遺傳物質,使用計算機或標記細胞,觀察每個基因何時啟動並誘導細胞分化。世界各地的研究團隊正在應用這些技術研究人體細胞如何在發育過程中成熟,組織如何再生,以及細胞在疾病中發生哪些變化。

斑馬魚胚胎細胞譜系

20. 世界首例體細胞克隆猴。中科院上海神經所成功地利用體細胞核轉移技術克隆出兩隻獼猴「中中」、「華華」的誕生,使得克隆非人靈長類成為現實。克隆猴的出現對於認識和治療疾病,有了全新的非人靈長類動物模型,對於腦疾病、腦科學等都具有重大意義。

克隆猴「中中」、「華華」

21. 世界首例亨廷頓舞蹈病基因敲入豬。暨南大學、中科院廣州生物醫藥與健康研究院、美國埃默里大學等多個研究團隊協作,精準地將人突變的亨廷頓基因,插入到豬的內源性基因中,在國際上首次建立了與神經退行性病人突變基因相似的大動物模型。這個裡程碑式的研究,使人們能更深入了解神經細胞死亡的機制及尋找有效的治療方法。

亨廷頓舞蹈病基因敲入豬

22. 世界首例合成真核細胞。中科院上海植物生理生態所創造出世界第一個真核細胞——單條染色體的釀酒酵母菌。據報導,瑞典科學家已經用這種酵母菌進行了工業發酵。原核、真核是生物的分類,人類屬於真核這一類。這種釀酒酵母中有1/3基因與人類基因同源。這項研究在原核與真核生物之間基因組進化搭建起橋樑,為解密生命「天書」提供新思路。

人造單染色體酵母與天然酵母細胞對比圖,兩者形態相似,但染色體的三維結構有巨大改變

23. 世界首例哺乳動物「雄雄生子」。昆蟲、魚類、爬行類和鳥類都有「單性生殖」的情況,但哺乳動物做不到,這主要是因為「印記」基因的存在。中科院動物所用CRISPR技術,成功培育出29隻「雙母親」小鼠和12隻「雙父親」小鼠。其中「雙母親」小鼠能健康生長到成年,還能繁育下一代。而「雙父親」存活48小時,屬世界首例。

24.用基因剪刀技術開發「基因試紙」。美國布羅德研究所團隊開發出「基因試紙」,在實驗室中成功檢測出一些病毒感染及肺癌患者的腫瘤標記物。可用於檢測病毒、腫瘤DNA(脫氧核糖核酸)等核酸物質。

25. 首次讓皮膚細胞變身幹細胞。美國格萊斯頓研究所首次使用CRISPR技術,直接操縱細胞的基因組,將老鼠的皮膚細胞變成了誘導多能幹細胞。這種新方法可以更簡單快捷地製造出誘導多能幹細胞,為治療多種疾病提供了巨大助力。

26. 利用幹細胞製造人工胚胎。荷蘭馬斯垂克大學等機構的研究人員利用幹細胞開發出了一種胚胎樣的結構,研究中並未使用精子或卵子。這是繼去年劍橋大學的胚胎學家使用小鼠幹細胞製造出了能進行原腸胚形成(任何胚胎生命關鍵的一步)的人造胚胎樣結構之後,向製造人工胚胎又邁進一步。

27. CAR-T細胞讓癌症患者5年內保持無癌狀態。來自賓夕法尼亞大學的科學家報導了一名慢性淋巴細胞白血病患者在2013年接受嵌合抗原受體T細胞(CAR-T細胞)治療後,5年內保持無癌症狀態,並且這些CAR-T細胞仍然存在於該患者機體的免疫系統中。

28.激活視網膜幹細胞可以恢復小鼠的視力。西奈山伊坎醫學院研究人員及一個國際研究小組,通過激活視網膜幹細胞,使失明小鼠能重新感知光線並恢復視力。在冷血脊椎動物中,視網膜幹細胞可以修復受損的視網膜神經元,而在哺乳動物中則沒有再生能力。此研究突破將為視網膜退行性疾病提供治癒的方法。

29.胚胎首次細胞分裂研究獲「改變教科書」發現。人們一直認為哺乳動物胚胎首次細胞分裂中,只有一個紡錘體負責指揮。但歐洲分子生物學實驗室的最新小鼠實驗發現,父系和母系染色體竟然是分頭行動的,分別控制雙方染色體的分離。

重新定義生命第一步,教科書將被改寫

30.迄今最完整的大腦圖像。美國一個聯合研究團隊首次繪製出了黑腹果蠅整個大腦的高清晰度三維圖像,展示了10萬個神經元每一個的具體情況,這是有史以來最完整的大腦圖譜。這項工作涉及到將超過7000張大腦切片的2100萬張圖像結合起來。

這張果蠅的大腦圖譜可以被放大至納米級別,並追蹤單個神經元的通路

31. PET/CT首次實現全身3D顯像。加州大學戴維斯分校等聯合團隊開發的系統將PET系統的掃描速度提高40倍,這樣人體承受的輻射量會減少至原來的1/40,還可以拍攝追蹤放射性標記藥物在體內移動的軌跡。

EXPLORERPET/CT是世界上首台可以對整個人體同時3D顯像的醫療成像系統

32. 世界首例逝者子宮移植懷孕生育。研究人員從一位中風身亡的45歲女性體內取出子宮,成功移植到了一位先天缺少子宮的女性體內,這名女性懷孕生下一個健康的女嬰兒。這證實了已故捐獻者的器官仍可被使用,更多病人可因此被治癒。

33. 小麥基因組圖譜繪製完成。所使用的材料是源於中國四川的「中國春」小麥品種,在21條染色體上確定了10.7萬個基因。小麥含有A、B和D三個基因組,多而複雜,約為水稻的40倍。中科院遺傳所繪製出烏拉爾圖小麥材料G1812的A基因組7條染色體的分子圖譜,注釋出了41507個蛋白編碼基因。小麥養活了世界上40%的人口,提供了人類所需熱能和蛋白質的20%。

經過13年努力,來自20個國家73個研究機構的200多名科學家終於繪製完成完整的小麥基因組圖譜

烏拉爾圖小麥A基因組7條染色體的分子圖譜

此外,中國竹藤基因組學項目研究團隊在世界上首次破譯了2種棕櫚藤(即黃藤和單葉省藤)的全基因組信息,完善毛竹基因組到高精度的染色體水平。

34. 3D電子衍射技術用於有機化學。過去主要用於無機物和大分子結構,現在可以通過電子衍射技術,快速便捷地對小分子有機物進行結構分析,對於藥物製備與結構測試非常有幫助。

分析黃體酮分子結構的整個過程大約需要30分鐘(圖片來源:C.G. JONES ET AL/CHEMRXIV.ORG 2018)

35. 伊波拉疫苗在戰區投入測試。在戰火包圍的剛果共和國,爆發了人類歷史上第二大規模的伊波拉疫情,這次使用的高效rVSV-ZEBOV疫苗為默克公司提供,已有數萬人得到接種,有望阻止傳染、拯救患者。

36. 法醫系譜學走向成熟,DNA檢測比對助力嫌犯追蹤引爭議。金州殺人案(Golden State Killer)是上世紀70、80年代在加利福尼亞州發生的一系列強姦和謀殺事件。警方在系譜學家幫助下,使用了一個公共的、簡潔的在線DNA資料庫GEDMatch,找到了嫌疑人的幾個遠房親屬,最終將嫌犯73歲的約瑟夫·詹姆斯·德安吉洛(Joseph James

DeAngelo)抓獲。但這也引發了一些有關DNA隱私的憂慮,因為即使從未測過DNA的人,利用這種自願上傳DNA的公開資料庫,就能找到超過90%的白人。

37. 水稻分子設計育種取得新進展,沙漠海水稻成功試種。中科院遺傳所基於「水稻高產優質性狀形成的分子機理及品種設計」的「中科804」,在產量、抗稻瘟病、抗倒伏等農藝性狀方面均表現突出。袁隆平院士「海水稻」在杜拜試種的「海水稻」等80多個水稻品種,經國際聯合測產專家組測產,都超出了全世界水稻4.539噸/公頃的平均畝產量(來自2014年FAO統計數據)。

沙漠海水稻試種成功

38. 新型光合作用被發現。最新研究發現,藍藻可利用近紅外光進行光合作用,其機制與之前了解的光合作用不同。這一發現有望為尋找外星生命和改良作物帶來新思路。

39. 遠古的人類混血兒。2012年,考古學家在西伯利亞一個洞穴里發現了一塊來自5萬多年前的女性骨骼碎片。今年,古遺傳學家運用DNA測試發現,該女性的母親是尼安德特人,父親是丹尼索瓦人,從而可以推測尼安德特人曾在歐亞大陸東西部廣闊的陸地上頻繁遷移。現代歐亞人群的基因組中,平均有2%的尼安德特成分,現代大洋洲人群基因組中的丹尼索瓦成分達到了5%。

骨片樣本「Denisova 11」,2012年發現於俄羅斯丹尼索瓦洞穴

40. 生活在5.58億年前的最古老動物。埃迪卡拉生物群是一群神秘的軟體生物,存在於5.41億年至5.7億年前,早於寒武紀生命大爆發,而且據信已經滅絕。澳大利亞國立大學研究者在俄羅斯白海附近的一個偏遠地區發現了一種保存完好的化石,在其中發現膽固醇分子,說明這是一種動物。

生活在超過5.5億年前的Dickinsonia是一種平坦,柔軟的生物,沿著海床移動食用微生物和藻類

41. 人類僅占地球生物總重量的1%。科學家估算出地球上所有生物的碳儲存總量高達5500億噸,其中植物噸位龐大,動物少得多,而人類占比不到1%。然而,人類以1%的數量卻對整個生態圈造成了巨大影響,非常值得深思。

42. 全球碳排放總量再創新高。全球碳計劃(GCP)科學家聯合發布的報告稱,估計2018年的排放量將增加2.7%,這意味著371億噸二氧化碳,創歷史新高。不過,有研究表明,人類活動產生的二氧化碳只有一半融入大氣層,而另一半則被植物吸收利用,這意味著一片森林有可能完全抵消一些國家全年的碳排放。

43.格陵蘭島發現直徑3萬公里的冰下隕石坑。這個隕坑被奧胡斯大學的科學家們偶然間發現的,在冰川的邊緣找到了撞擊產生的石英和玻璃等顆粒,居然還有冰前通道,這說明格林蘭冰蓋在撞擊前就已形成了,可以估計這是一個非常年輕的隕石坑。這也意味著在這麼大規模撞擊下,生命能夠倖存是多麼不易。

直徑3萬米的撞擊坑

三 量子·智能·信息

44.創造出一種全新的光物質形式。主攻量子計算機研究的麻省理工學院和哈佛大學聯合團隊,實現了三個光子構成的組之間相互作用,即粘在一起形成了此前未被觀察過的一種全新光子物質。未來有可能被用於超快的量子計算以及由光組成的複雜晶體中。

結合後的光子,得到了電子質量的一部分,傳播速度變慢,比常規光子速度慢10萬倍

45.實驗驗證量子力學打破因果序。澳大利亞昆士蘭大學科學家設計了一個「量子開關」,驗證出不確定的因果順序,可能對處理量子信息有用。

46.追逐「量子霸權」的競賽。谷歌公布世界首款72量子比特晶片Bristlecone,錯誤率僅為1%,達到了實際應用要求。英特爾公司推出49量子位超導測試晶片「Tangle

Lake」,計算能力相當於5000個八代i7;名字源於阿拉斯加湖泊,意指這些量子位需在極冷溫度等條件工作。中科大通過調控6個光子的偏振、路徑和軌道角動量3個自由度,在國際上首次實現18個光量子比特的糾纏,刷新了所有物理體系中最大糾纏態製備的世界紀錄。上海交大通過「飛秒極光直寫」技術製備出節點數達49×49的大規模光量子計算晶片,並成功進行了一種重要的模擬量子計算演示。中科大另一團隊研發出量子計算控制系統,成功製備出半導體六量子點晶片。不少人認為,在真正可行的技術出現之前,各國科研機構和企業之間將會有一場「十年的競賽」。

第一個49-比特原型

47.超級計算機爭奪激烈。在中國「神威·太湖」、「天河二號」保持五年第一之後,美國以「Summit」超算重新奪回世界第一,浮點運算速度峰值達每秒20億億次(200PFlops),性能超過「神威·太湖之光」約60%。因由需求增長,各國開始積極發展「E級超算」,中國「天河三號」原型機亮相。

中國超算走過了一條從零開始的快速跨越之路

48. 5G之爭成全球焦點,但相關標準延後。「4G改變生活,5G改變社會」。5G不僅對移動通信,而且對物聯網、XR、車聯網等都具有重要價值,被認為是萬億美元級別產業的基石。高通、華為、三星等都在加緊布局。華為與英特爾打通了全球首個2.6G頻段5G呼叫,為大規模商用打下基礎。然而,3GPP宣布後續標準工作推遲3個月,R15 Late Drop、R15 Late

DropASN.1分別要到2019年3月份、6月份才能完成。這反映出5G標準之爭和商用之路的複雜性。

49.集成電路與人工智慧晶片。因由「中興事件」,晶片倍受關注。摩爾定律呈現持續放緩的趨勢,集成電路製程開始挺進7nm,麒麟980成為第一個7nm手機SoC晶片,然後就是蘋果A12晶片。谷歌、Facebook、阿里等紛紛入局晶片。谷歌發布人工智慧晶片TPU3.0,英偉達發布了新一代GPU架構Turing(圖靈),華為發布了全球首個覆蓋全場景人工智慧的昇騰(Ascend)系列IP和晶片。

谷歌TPU3.0

英偉達發布新一代GPU

華為發布人工智慧晶片昇騰系列

50.對抗的神經網絡。兩個AI系統可以通過相互對抗來創造新的圖像或聲音,從而有可能獲得更獨立的能力,理解所見的世界,但也可能會變成了一種驚人的數字造假工具。2014年,蒙特婁大學博士生伊安·古德費羅(Ian Goodfellow)首先提出這種「生成對抗網絡」(GAN)。

51.人工智慧應用不斷拓展。微軟的機器翻譯系統首次在通用新聞的漢譯英上達到了人類專業水平,實現了自然語言處理的又一里程碑突破,將機器翻譯超越人類業餘譯者的時間,提前了整整7年。在醫學和製藥領域,人工智慧被用於診斷讀片、藥物篩選、關聯分析等,如英國癌症研究所開發的Revolver人工智慧系統正在揭示癌症如何演化擴散、反抗治療等。在休閒娛樂領域,字節跳動與NBA合作,向全球提供定製的NBA短視頻內容,NBA將利用人工智慧,增強粉絲對比賽的體驗和互動。在生活中,無人超市(Amazon

Go)、無人酒店(阿里未來酒店)、機器人廚師等都在持續發展。

52.智能與協作機器人。全球機器人市場規模近300億美元,服務機器人崛起。物流機器人、人形服務機器人、協作機器人等都得到快速發展。波士頓動力公司的人形機器人可以輕鬆進行「三連跳」。中國繼續保持全球機器人最大市場規模,但市場主要由ABB、安川、發那科、庫卡4大公司所瓜分。海康威視發布潛伏、移載、複合、叉車四大系列七大新品的移動機器人,以及基於機器視覺產品的物流讀碼系統等。

波士頓動力公司機器人可以進行「三連跳」

海康威視AGV-叉車系列

53.物聯網、雲計算、邊緣計算及網絡安全。越來越多的智能應用發生在雲端,傳統防火牆在雲時代將過時,下一代防火牆需要具有彈性的軟硬架構。從邊緣計算到邊緣存儲,再到內容託管,用戶端的網絡速度及可靠性不斷提升。LTE Category M1可以為低功耗物聯網設備提供全國甚至全球性的連接。Bluetooth

mesh正在推動機器人、工業自動化、能源管理、智慧城市應用。霧運算通過利用區域網路中其他資源將處理和控制迴路保持在本地,既不在雲端,也不在邊緣上,而是在設備周圍的「霧」中。智慧燈具為基礎的Li-Fi,已達到近10GHz的下載速度。物聯網的發展,更帶來了「殭屍攻擊」的擔心。「數據泄露(Data breaches)」、「數據暴露(data exposure)」都呈現增長態勢,「雲泄露(Cloud

leaks)」也會定期彈出。

54.北斗開始提供全球服務。2018年完成10箭19星發射任務,創造了世界衛星導航系統建設的新紀錄。北斗高精度基礎產品已經輸出到90多個國家和地區,國際民航組織批准北斗星基增強服務商標識號和標準時間標識號,國際搜救衛星組織將北斗納入全球衛星搜救系統計劃。

材料·製造·工程

55.千克將由普朗克常數重新定義。由於「千克」的定義者——一塊被嚴密保存的鉑-銥合金的重量,在100多年的極度嚴格保存條件下,仍然丟失了50微克,這個誤差對科學研究而言可能是災難性的。今年國際計量大會上,科學家們決定將使用普朗克常數重新定義「千克」。

56.萬有引力常數達到新精度。華中科大團隊測出目前國際上最精準的萬有引力常數G值,吻合程度接近10-5水平。因為精度問題,很多與之相關的基礎科學難題至今無法解決。

57.「魔角」石墨烯。麻省理工學院科學家發現,當兩層石墨烯以1.1度的「魔角」扭曲在一起時,會形成新的絕緣態——莫特絕緣體態,還可以實現非常規超導電性,兩個系統可以通過改變扭轉角度和電場來輕易調整,開創了物理學一個全新的研究領域。發表論文的第一作者是當時年僅21歲的中國物理學家曹原。

魔角石墨烯超晶格結構

58.高溫超導記錄新記錄-23℃。德國馬普化學研究所Mikhail Eremets團隊在250K(-23℃)溫度下實現了氫化鑭的超導性。這項成果使我們真正意義上接近了室溫超導。科學家McMillan (麥克米蘭)曾提出,超導轉變溫度可能存在上限,一般認為不會超過40K。這就是歷史上著名的麥克米蘭極限。

59.首次在准晶合金中發現超導性。晶體狀態一般都被認為具有超導性,人們對此已有清晰認識。在Al-Zn-Mg合金中,當Al含量降低到15%時,在保留超導性的前提下還會轉變成准晶結構,而其臨界溫度低至0.05K。

Al-Zn-Mg准晶的電子衍射圖案,該圖案呈現出十二面體的博格曼型結構

60.彎曲空間內首次實現雷射束加速。美國和以色列物理學家團隊在光束軌跡偏移中,發現曲面加速光束的軌跡,由光束寬度和表面曲率共同決定。這個看似「莫名奇妙」的實驗,其實是突破性的,它擁有各種各樣的潛在應用,其中之一就是模擬廣義相對論現象,以進一步研究諸如引力透鏡效應、愛因斯坦環、引力藍移或紅移等現象。此外,它還能提供了一種新技術,用於控制血管、微通道和其他彎曲環境中的納米顆粒。

61.在原子層面「無縫縫製」兩種晶體。兩個晶體之間的介面非常光滑,原子很薄。應用這種新技術,將為製造高質量新型電子產品提供可能,有助於開發出柔性LED、幾個原子厚度的二維電路以及拉伸後可以變色的纖維等。

62.3D金屬列印與分布式製造。3D金屬列印可以製造出重量更輕、強度更高的部件,獲得傳統方法難以做到的複雜形狀,並對金屬微結構進行更精確的控制。實現了低成本快速金屬物體列印,按需列印大型複雜金屬物體的能力將為製造業帶來變革。

63.中國「超級顯微鏡」散裂中子源投入運行。這種裝置主要利用中子流能方便地穿透目標,帶出信息,進而可以觀察高鐵輪子是否質量過關、飛機發動機是否疲勞受損等。8月份中國散裂中子源通過驗收,標誌著世界上已有中、美、日、英擁有該技術。中國散裂中子源總投資23億元,國產化率超過90%。

64.中國完成多項重要工程和戰略產品。用於監測全球空間電磁場等物理現象的「張衡一號」順利入軌,使我國成為世界上少數擁有此項技術的國家之一。松遼盆地成功實施深度為7018米的大陸科學鑽探工程,這是亞洲國家實施的最深大陸科學鑽井,也是國際大陸科學鑽探計劃(ICDP)成立22年來實施的最深鑽井。第一艘國產航母進行海試。我國自主設計建造、亞洲最大最先進的自航鉸吸挖泥船「天鯤號」成功海試。

第一艘國產航母成功海試

天鯤號成功海試

「天鯤號」水下作業模擬動圖(來源:CGTN)

亞洲最深的科學鑽井

五五 能源·交通·建設

65.中國「人造太陽」首次達到1億度。東方超環(EAST)在去年取得了穩定的101.2秒穩態長脈衝高約束等離子體運行的新的世界紀錄,今年又實現加熱功率超過10兆瓦,等離子體儲能增加到300千焦,等離子體中心電子溫度首次達到1億度,朝著未來聚變堆實驗運行邁出了關鍵一步。

世界上第一個非圓截面全超導托卡馬克、我國第四代核聚變實驗裝置東方超環(EAST)

66.太陽能電池效率創記錄。希臘有機電子技術研發團隊研發的完全卷對卷印刷聚合物基單結有機光伏電池創造了7.4%的新效率紀錄;南開大學團隊實現了17.3%的光電轉化效率,刷新了疊層有機太陽能電池材料和器件的世界紀錄;晶科能源公司高效P型單晶電池轉換效率達到23.95%;美國加利福尼亞大學洛杉磯分校等機構開發出轉換效率高達22.4%的雙層薄膜太陽能電池;松下研發出了實用面積(100cm2以上)最高效率的晶矽太陽能電池,24.7%;牛津光伏鈣鈦礦矽太陽能電池的效率達到28%;漢能砷化鎵薄膜單結電池效率達29.1%;德國弗朗霍夫太陽能研究所(ISE)與歐盟資助的CPVMatch項目合作,創造了太陽能電池組件光電轉化效率高達41.4%的記錄。

67.新型電池技術快速發展。德國弗勞恩霍夫協會通過改變電池內部電極的形態,研製出超級電池組,能將電動汽車續航能力提高一倍,且不增加體積。美國馬里蘭大學、陸軍研究實驗室和國家標準與技術研究院研究人員組成的研究小組,將傳統的鋅電池技術與水電池技術相結合,開發出了容量更大、安全性更高的可充電電池。戴姆勒、英國石油公司先後投資以色列快充電池公司,該公司研發的「閃充電池(flash

batteries)」,可在數分鐘內充滿。韓國研究團隊採用常溫液態的Ga/In共融化合物,成功開發出金屬-空氣電池(air-cell)的全新陰極材料,有望替代現有的二次電池。

68.新型核電。美國航天局和能源部「迷你」千動力核裂變反應堆成功通過測試,一個能提供高達10千瓦的電力,4個單元就可以滿足未來月球、火星及更遙遠深空的前哨基地提供足夠動力。全球首台核電球床模塊式高溫氣冷堆蒸汽發生器,在哈電集團(秦皇島)重型裝備公司通過驗收,擁有完全自主智慧財產權,為第四代核電標誌性設備之一。

69.能源區塊鏈。區塊鏈可以提高分布式能源的可視化和控制性,智能合約允許供應商和消費者通過創建基於價格、時間、地點和允許的能源類型等參數實現銷售自動化。另一方面,區塊鏈能為電動汽車車主提供補貼激勵,使用區塊鏈來處理所有計費、支付和身份驗證問題。區塊鏈可用於優化石油和精鍊產品、天然氣和液化天然氣以及電力的整個交易生命周期。區塊鏈可以為全球的碳庫存和註冊管理機構提高清晰度,可信度和互操作性。

70.首架離子噴射飛機。麻省理工學院科學家利用4萬伏特高壓將空氣中氮分子電離,驅動飛機前進。飛機翼展5米,總重量僅2.5公斤,飛行高度也只有1米左右,是人類歷史上第一架由離子引擎推動的飛機。儘管距離實用化還有很長的路,但很多人相信一如115年前萊特兄弟發明飛機一樣,將會帶來巨大變化。

MIT離子飛機

離子飛機飛行時的延時圖像

71.新能源汽車發展加速。2018年挪威汽車總銷量為14.8萬輛,電動汽車銷量占比為31.2%,繼續強勁增長,在人均電動汽車保有量方面的全球領先地位。在中國,造車新勢力蔚來、拜騰、威馬、車和家等快速崛起,推出純電動網際網路汽車。氫燃料電池汽車開始發力,「加氫3分鐘,續航600公里」,有人認為2018年可以被稱為氫燃料電池汽車「元年」。豐田、寶馬(Hydrogen7)、現代(NEXO)、本田(CLARITY)等積極推動氫燃料電池汽車發展,尤其是豐田開始大規模研發生產氫燃料電池汽車。

72.智能駕駛。新銳廠商和傳統車企都加快了對智能駕駛的研發和部署。儘管目前的技術還無法達到L5級(完全自動駕駛),基礎設施也尚未智能化,但道路測試日益火爆。Waymo開展了全球首個商業自動駕駛叫車服務。Uber也在今年持續推進自動駕駛汽車的公開道路測試,不幸的是,發生了首例死亡的事件。通用凱迪拉克SuperCruise、特斯拉Autopilot、百度ApolloPilot、奔馳Drive

Pilot、奧迪A8 TrafficJamPilot、日產ProPilot Assist、沃爾沃XC60 PilotAssist、蔚來ES8 NIOPilot等都在加速商業應用和深度開發。

網約無人車

73.飛行汽車開始從夢想走進現實。在上海「進博會」上,斯洛伐克公司AeroMobil展出了4.0版本的飛行汽車產品AeroMobil。吉利的Terrafugia飛行汽車公司生產的Transition飛行汽車開啟預定,最大飛行速度185km/h,續航里程800km。日本政府將聯合波音、NEC、豐田支持的創業公司Cartivator、ANA控股公司、日本航空公司和Yamato控股公司等約20家公司歐美多家公司共同開發飛行汽車。德國政府支持飛行汽車企業進行測試。英國發動機製造商羅爾斯·羅伊斯公司推出電動飛行出租概念車,可容納4、5名乘客,速度可達250英里/小時,行程能達到約500英里。

吉利旗下的Terrafugia公司推出的飛行汽車

74.世界在研最大的水陸兩棲飛機成功完成水上首飛。國產大型水陸兩棲飛機「鯤龍」AG600飛機,是我國首次按照中國民航適航規章要求自主研製的大型特種用途飛機。此外,第三架C919自主大型客機成功試飛。

AG600水上試飛成功

AG600水上高速滑行

75.港珠澳大橋開通。這是建築史上里程最長、投資最多、施工難度最大的跨海大橋,能抗16級颱風、8級地震。全長55公里,是中國第一例集橋、雙人工島、隧道為一體的跨海通道。創下世界上最難、最長、最深的海底公路沉管隧道、世界最大規模鋼橋段建造、世界最長海底隧道的生產浮運安裝、兩大人工島的快速成島等多項世界紀錄。首創的深插鋼圓筒快速築島技術,創造了221天完成兩島築島的世界工程記錄。

六令人不愉快的重要科技事件

76.心肌幹細胞發現者造假,31篇論文被撤稿。美國哈佛大學再生醫學研究中心前主任皮耶羅·安韋薩(Piero Anversa)被認定涉嫌偽造和篡改實驗數據。過去10多年裡,安韋薩申請了超過5000萬美元的研究經費,很多國家也進行了大量投入跟進,現在一切都沒用了。如何築牢科研誠信底線,仍需各國廣泛努力。

77.世界首例「基因編輯」嬰兒出生。南科大賀建奎宣布一對雙胞胎嬰兒誕生,因由基因編輯,她們對愛滋病天然免疫。中國同行對此予以嚴厲譴責和抵制。《自然》評出的年度十大科學人物,賀建奎位列其間,不過他被稱為「CRISPR rogue(基因編輯無賴)」。

78.霍金去世。1942年1月8日出生於英國牛津,英國劍橋大學著名物理學家,現代最偉大的物理學家之一,20世紀享有國際盛譽的偉人之一。他的《時間簡史》影響過很多人,以至於人們對於他取得的科學上成就有些不熟悉了。21歲患上肌萎縮側索硬化症(ALS),但他奇蹟般地存活著,ALS唯一留下的是清醒而健全的大腦。就是這樣的大腦,提出了奇點定理、黑洞、霍金輻射等,寫下了《時間簡史》、《大設計》、《果殼之宇宙》等不朽名著。霍金曾警告人們警惕人工智慧武器,他堅信外星人是存在的。在去世前一年,他和扎克伯格等人一起,啟動了一項名為「突破攝星」的太空探索計劃,用一個能夠達到五分之一光速的「納米飛行器」拜訪另一個星系……

在《果殼之宇宙》一書前言裡,霍金引用了莎士比亞劇本里哈姆雷特的話:「即使被關在果殼之中,我仍是無限宇宙之王。」

開心也好,悲傷也好,2018年已經離去。在懷念霍金、記憶2018年的同時,我們更要向著明天出發。擁抱2019,繼續新科技革命與產業變革的進程吧!


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