21世紀10年代迎來(lái)了偉大的謝幕
這是一個(gè)碩果累累的年代
從生命到星球
從人類(lèi)到宇宙
我們都有了更加深刻的理解
在最大的尺度上
我們看見(jiàn)了看不見(jiàn)的
在最小的尺度上
我們找到了苦苦追尋的上帝粒子
你會(huì )發(fā)現
這些重大的突破不再是孤軍奮戰的結果
而是來(lái)自世界各地的上千名科學(xué)家
多年協(xié)作所獲得的成就
在我們期待21世紀的第三個(gè)10年
將會(huì )帶來(lái)怎樣意想不到的發(fā)現之前
我們有必要回顧一下
在過(guò)去10年中那些令人振奮的進(jìn)展
看，引力怪獸！
黑洞是宇宙中最奇異的天體
它擁有極其強大的引力
任何東西一旦落入黑洞的事件視界
都不可能逃脫
幾十年來(lái)
黑洞領(lǐng)域一直存在一個(gè)巨大的謎題
落入黑洞的信息丟失了嗎？
這個(gè)所謂的黑洞信息悖論實(shí)際上揭示了
廣義相對論和量子理論間的巨大矛盾
沉靜多年后
2012年，四名物理學(xué)家發(fā)表了
著(zhù)名的火墻悖論
再次燃起了這一領(lǐng)域的戰火
為了解決這一悖論
霍金等人相繼提出了“表觀(guān)視界”和“軟毛”
但離最終的解決方案或許還有很長(cháng)的一段路要走
在觀(guān)測方面
天文學(xué)家過(guò)去會(huì )通過(guò)尋找黑洞周?chē)奈矬w
來(lái)確認它們的存在
黑洞會(huì )吞噬附近的氣體和恒星
并在它的周?chē)纬晌e盤(pán)
熾熱的吸積盤(pán)會(huì )釋放出可探測的X射線(xiàn)
在我們銀河系的中心
也潛藏著(zhù)一個(gè)質(zhì)量為太陽(yáng)400萬(wàn)倍的黑洞
天文學(xué)家通過(guò)追蹤圍繞著(zhù)該黑洞旋轉的恒星
揭露了越來(lái)越多的秘密
2019年4月10日
遠在5500萬(wàn)光年之外的
M87星系中心的超大質(zhì)量黑洞
在一臺虛擬地球大小的望遠鏡中
終于現出了原形
自此，再也沒(méi)有人懷疑黑洞的真實(shí)性
毫無(wú)疑問(wèn)
這是屬于黑洞大發(fā)現的年代
來(lái)自宇宙的信使
13億年前
在遙遠的宇宙深空中
兩個(gè)黑洞不期而遇
它們相互旋繞、慢慢靠近
最終合為一體
在不到一秒的時(shí)間里
合并事件將約3倍的太陽(yáng)質(zhì)量
轉換成了引力波向外輻射
在廣漠的空間中以光速傳播
直到2015年9月14日
當引力波抵達地球后
激光干涉引力波天文臺（LIGO）
終于捕捉到了引力波對時(shí)空的輕微擾動(dòng)
從愛(ài)因斯坦第一次的預言
到成功探測歷經(jīng)了100年
到了2017年8月
驚喜再次降臨
科學(xué)家第一次發(fā)現了雙中子星的合并
在這次的合并事件中
科學(xué)家不僅探測到了引力波
還探測到了短伽馬射線(xiàn)暴
發(fā)現了重元素形成的秘密
以及確認了一個(gè)千新星事件
而當我們發(fā)現越來(lái)越多雙中子星合并時(shí)
或許也能夠幫助我們解決宇宙學(xué)中的一個(gè)大難題
宇宙究竟膨脹的有多快？
2017年9月
科學(xué)家在距離地球37光年遠的耀變體中
探測到了伽馬射線(xiàn)、射電波.....
更是捕捉到了尋找已久的高能中微子
這一發(fā)現是解決一些物理學(xué)難題的關(guān)鍵一步
比如極高能宇宙射線(xiàn)的起源
光子、中微子、宇宙射線(xiàn)、引力波
這些來(lái)自外太空的“信使”
帶來(lái)了不同的宇宙信息
過(guò)去我們一次只能探測到其中一種
但隨著(zhù)種種突破的到來(lái)
標志著(zhù)多信使時(shí)代的崛起
多信使天文學(xué)就好比把
視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)和觸覺(jué)結合在一起
使我們擁有更完整的感官去描繪宇宙的全景
尋找未知的世界
2019年10年
諾貝爾物理學(xué)獎授予了兩名天文學(xué)家
以表彰他們在1995年發(fā)現了一顆
繞著(zhù)類(lèi)太陽(yáng)旋轉的系外行星
截至今天為止
天文學(xué)家已經(jīng)在銀河系找到了超過(guò)4000顆系外行星
這些行星有著(zhù)不同的大小、成分和溫度
在這短短的10年中
人類(lèi)對圍繞在遙遠恒星運行的行星有了飛躍性的認識
這在很大程度上歸功于開(kāi)普勒太空望遠鏡
從2009年到2018年
僅開(kāi)普勒就發(fā)現了2700多顆已被確認的系外行星
2018年
開(kāi)普勒望遠鏡的繼任者TESS發(fā)射
進(jìn)一步擴大了搜尋范圍
尋找環(huán)繞在那些更近、更明亮的恒星周?chē)男⌒蛶r石行星
地面天文臺也在搜索系外行星的行動(dòng)中
扮演著(zhù)重要角色
2017年，科學(xué)家宣布發(fā)現了
距離地球僅39.6光年的恒星系統
TRAPPIST-1
它擁有7個(gè)地球大小的行星
在更早的2016年
“暗淡紅點(diǎn)計劃”宣布發(fā)現了比鄰星b
這是一顆與地球大小相當的行星
它圍繞著(zhù)距地球僅4.25光年的比鄰星運行
天文學(xué)家希望終有一天
我們能夠在這許多的行星中
發(fā)現生命的跡象
并最終回答
我們在宇宙中是孤獨的嗎？
宇宙大航海時(shí)代
15世紀末到16世紀初
全世界都在積極進(jìn)行遠洋活動(dòng)
歐洲人開(kāi)辟了橫渡大西洋到達美洲
以及繞道非洲南端到達印度的新航線(xiàn)
第一次環(huán)球航行取得成功
那個(gè)時(shí)代被稱(chēng)為“大航海時(shí)代”
人們在那時(shí)積累了大量的地理知識
對“世界”的認識和理解更進(jìn)了一步
如今
人們已經(jīng)將視野拓展到了外太空
我們開(kāi)啟了新的征程
人類(lèi)的航天器已經(jīng)開(kāi)始了星際穿越的旅程
旅行者1號與旅行者2號是目前距離地球最遠的探測器
它們在這個(gè)年代都已經(jīng)飛出日光層
兩艘探測器均于上世紀70年代發(fā)射
到現在已經(jīng)運行了42年之久
兩艘飛船都訪(fǎng)問(wèn)了木星和土星
旅行者2號隨后又經(jīng)過(guò)了天王星和海王星
標志著(zhù)對這兩顆行星的首次探索
我們也把目光聚焦到了紅色星球之上
火星與地球存在諸多相似之處
2012年
好奇號著(zhù)陸火星
向我們展示了這個(gè)行星鄰居的樣子
它發(fā)現這顆紅色星球上存在有機化合物
這里的大氣甲烷水平也有奇怪的季節循環(huán)
2019年
洞察號的內部結構地震實(shí)驗儀
首次監測到火星星震的信號
除了火星
人類(lèi)探測器還首次踏足許多宇宙中神奇的地方
2014年
羅塞塔號釋放的菲萊著(zhù)陸器成功著(zhù)陸
67P/楚留莫夫-格拉希門(mén)克彗星
成為著(zhù)陸彗星的首個(gè)航天器
2017年
卡西尼號結束了13年的土星探索之旅
它證實(shí)了土衛二的羽狀物噴泉含有大型有機分子
這一線(xiàn)索表明土衛二擁有適合生命的物質(zhì)
2019年
新視野號也創(chuàng )造了歷史
飛掠了距離地球66億千米的“天涯海角”
同樣是在今年
日本隼鳥(niǎo)2號在小行星“龍宮”上精準著(zhù)陸
并完成了巖石樣本采集
我國的嫦娥四號首次成功降落在
月球背面南極-艾特肯盆地內的馮·卡門(mén)撞擊坑內
這是人類(lèi)探測器第一次實(shí)現在月球背面的軟著(zhù)陸
這些航天器來(lái)自中國等不同國家
甚至還有像Space X這樣的商業(yè)公司
開(kāi)啟了前往太空的征程
“地球居民”開(kāi)始暢想“星際居民”的生活
共同構筑起這個(gè)新的“宇宙大航海時(shí)代”
超越經(jīng)典
1980年
Paul Benioff首次提出了計算機的量子力學(xué)模型
展示了量子計算機在理論上的可行性
之后，理查德·費曼等人提出
這些計算機或許可以被用來(lái)模擬量子系統
比如化學(xué)家可以模擬藥物間的相互作用
生物學(xué)家可以研究蛋白質(zhì)折疊的所有可能方式
但直到1984年
彼得·肖爾提出了大數因數分解的算法
才激發(fā)了人們對量子計算機的研究熱情
到了2007年
耶魯大學(xué)的物理學(xué)家
發(fā)明了transmon量子比特
這是一種基于超導電路的量子比特體系
用于充當人工原子和量子計算的最小單位
如今，IBM和谷歌兩家公司
都開(kāi)發(fā)出了超過(guò)50個(gè)量子比特的量子計算機
這些機器在處理某些問(wèn)題時(shí)的速度開(kāi)始超過(guò)傳統計算機
2019年10月，谷歌正式宣布實(shí)現量子霸權
早在2017年
提出“量子霸權”一詞的John Preskill就宣布
我們已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)量子計算的新時(shí)代
這個(gè)新時(shí)代被稱(chēng)為“嘈雜中型量子（NISQ）”時(shí)代
或許再過(guò)幾十年的時(shí)間
量子計算機將全面超越經(jīng)典計算機
目前，它們非常容易因外界的振動(dòng)或輻射而失去量子特性
因此仍然可能產(chǎn)生錯誤的結果
研究人員正致力于實(shí)現誤差校正
將多個(gè)量子比特結合在一起
創(chuàng )造出一個(gè)不易出錯的“邏輯”量子比特
物理學(xué)家夢(mèng)寐以求的真正“容錯”的量子計算機
可能需要數百萬(wàn)個(gè)量子比特才能實(shí)現
改寫(xiě)人類(lèi)的起源
在這個(gè)十年中
我們發(fā)現了令人驚嘆的古人類(lèi)完整頭骨化石
通過(guò)更先進(jìn)的技術(shù)手段確認了已知化石的年代
我們不停地找到新的“遠古親屬”
讓人類(lèi)的進(jìn)化之樹(shù)變得更加枝繁葉茂
人類(lèi)學(xué)家認為
我們的智人（Homo sapiens）祖先
與其他人類(lèi)物種的接觸比過(guò)去以為的要多得多
今天，人類(lèi)的演化看起來(lái)并沒(méi)有那么像達爾文的進(jìn)化樹(shù)
而是更像一條泥濘蜿蜒的溪流
2010年
古人類(lèi)大家庭又迎來(lái)了一種新的南方古猿
發(fā)現它的古人類(lèi)學(xué)家Lee Berger
將它命名為南方古猿源泉種（Australopithecus sediba）
五年后
這位古人類(lèi)學(xué)家宣布
南非“人類(lèi)的搖籃”洞穴系統包含了
一個(gè)新物種的化石——納萊迪人（Homo naledi）
這種古人類(lèi)的解剖結構曾讓科學(xué)家一度誤以為它們十分原始
但一項后續研究卻顯示
納萊迪人出人意料地“年輕”
為它們的身世更增添了一層神秘色彩
古人類(lèi)的發(fā)現在亞洲同樣收獲頗豐
2010年
一個(gè)研究小組宣布
從西伯利亞一根古老的細骨中提取的DNA
與任何現代人的DNA都不同
這是現在被稱(chēng)為“丹尼索瓦人”的神秘血統的第一個(gè)證據
2018年
中國出土了距今210萬(wàn)年的石器
證實(shí)了工具制造在亞洲的出現比曾經(jīng)認為的早幾十萬(wàn)年
2019年，菲律賓的研究人員
發(fā)表了呂宋人（Homo luzonensis）的化石研究
這是一種與印度尼西亞的佛羅勒斯人（Homo floresiensis）相似的古人類(lèi)
在蘇拉威西島上新發(fā)現的石器早于現代人到達這里的時(shí)間
這表明東南亞的島嶼上或許還存在第三種身份不明的人類(lèi)
人類(lèi)進(jìn)化的故事遠比我們想象的復雜
我們可能才讀到故事的一段而已
AI崛起
2010年之前
AI似乎還是科幻電影的專(zhuān)屬
那時(shí)人們還沒(méi)有開(kāi)始擔心
在不久的將來(lái)AI會(huì )取代他們的工作
如今，情況已經(jīng)大有不同
AI大多使用一種被稱(chēng)為機器學(xué)習的技術(shù)
即計算機通過(guò)鉆研數據進(jìn)行自主學(xué)習
更確切地說(shuō)
AI在過(guò)去十年的主要發(fā)展集中在一種機器學(xué)習上
那就是深度學(xué)習
深度學(xué)習模仿了神經(jīng)元在大腦中的工作方式
2012年，谷歌的計算機被要求
通過(guò)成千上萬(wàn)的貓的視頻“在線(xiàn)吸貓”
借助深度學(xué)習
最終它終于學(xué)會(huì )了認貓
在這個(gè)十年里
AI在更多游戲上戰勝了人類(lèi)頂尖玩家
圍棋AI AlphaGo的人機大戰是最具劃時(shí)代意義的
圍棋由于其復雜性一直被認為是“最后一道堡壘”
2015年，AlphaGo (Fan) 擊敗了法國職業(yè)二段圍棋棋士樊麾
圍棋人機大戰正式開(kāi)始
之后的兩年間
AlphaGo (Lee) 和AlphaGo (Master) 分別戰勝了
代表人類(lèi)圍棋最高水準的兩位世界冠軍李世石與柯潔
AlphaGo沒(méi)有止步于此
它仍然在繼續進(jìn)化
同樣是在這個(gè)十年中
AI成了我們生活和工作上的助手
2011年起，蘋(píng)果、谷歌、微軟等巨頭
先后推出了智能手機上的虛擬助手軟件
這些智能助手可以使用自然語(yǔ)言回答、提出建議
并識別和執行指令
在科研領(lǐng)域
利用機器學(xué)習
AI已經(jīng)幫助研究人員加速研究的各個(gè)環(huán)節
AI的崛起使一些人開(kāi)始擔憂(yōu)
有一天我們是否真的會(huì )被AI取代？
基因魔剪
如果說(shuō)21世紀有一項技術(shù)
在各種意義上深刻地改變了人類(lèi)
或許不少人會(huì )第一個(gè)想到基因編輯
在近十年中
人類(lèi)精準編輯DNA的能力獲得了巨大提高
基因編輯系統CRISPR-Cas9在其中功不可沒(méi)
CRISPR技術(shù)以細菌的免疫系統為基礎
它最早于上個(gè)世紀末被發(fā)現
全稱(chēng)是“規律間隔成簇短回文重復序列”
當細菌檢測到特定的病毒DNA時(shí)
它會(huì )產(chǎn)生兩種RNA
其中一種RNA包含與入侵病毒相匹配的片段
兩種RNA可以與蛋白質(zhì)一起
組成一個(gè)復合體
Cas9就是CRISPR技術(shù)中的一種
被廣泛使用的工具蛋白酶
當相符的片段在病毒體內找到它的目標時(shí)
Cas9就會(huì )像一副銳利的納米剪刀
能選擇性地切除目標DNA片段
從而進(jìn)行基因修復
或修正基因中造成遺傳疾病的突變
進(jìn)入21世紀以來(lái)
全球多個(gè)研究團隊你追我趕
在相關(guān)技術(shù)和理論方面都取得了進(jìn)展
2012年
Virginijus Siksnys團隊
以及Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna團隊
都清楚地認識到了CRISPR-Cas9在生物技術(shù)上的潛力
兩個(gè)團隊遞交論文及論文發(fā)表的時(shí)間
前后相差不過(guò)幾個(gè)月
2013年
張鋒團隊成功地利用這項技術(shù)
對真核細胞（小鼠和人類(lèi)細胞）進(jìn)行了基因編輯
競爭由此變得更加激烈
科學(xué)家不斷提高CRISPR-Cas9系統的精確性及效率
并嘗試應用在醫學(xué)、農業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域
從治療癌癥到編輯胚胎中致病性的基因突變
再到革命性地改變食物生產(chǎn)
CRISPR應用的廣泛程度是驚人的
盡管人類(lèi)可以從CRISPR-Cas9等基因編輯技術(shù)中受益無(wú)窮
但它同時(shí)帶來(lái)了巨大的困境
如何更好地利用這種技術(shù)
將是我們所需要關(guān)注和討論的
揭開(kāi)古人類(lèi)的遺傳秘密 代
DNA是一種改變古人類(lèi)學(xué)（甚至古生物學(xué)）的分子
隨著(zhù)基因測序技術(shù)的指數級發(fā)展
在過(guò)去的十年里
古人類(lèi)學(xué)從“野外挖土”逐漸向更多的實(shí)驗室分析轉變
借助先進(jìn)的技術(shù)
我們在理解過(guò)去的基因是如何塑造現代人類(lèi)方面也取得了飛躍性的進(jìn)展
2010年
研究人員發(fā)表了第一個(gè)接近完整的古智人的基因組測序結果
開(kāi)啟了我們研究祖先DNA的革命性十年
來(lái)自成千上萬(wàn)個(gè)個(gè)體的數據
讓我們對人類(lèi)物種的起源和早期歷史有了新的見(jiàn)解
從那時(shí)起
已經(jīng)有超過(guò)3000個(gè)古基因組被測序
包括著(zhù)名的Naia
Naia是一個(gè)1.3萬(wàn)年前在墨西哥去世的年輕女孩
她的遺骸是在美洲發(fā)現的最古老的完整人類(lèi)骨骼之一
同樣是在2010年
科學(xué)家首次公布了尼安德特人基因組測序的初步結果
提供了第一個(gè)確鑿的基因證據
證明所有非洲以外的現代人都有1%-4%的尼安德特人基因
另一個(gè)來(lái)自基因驚人的發(fā)現是“混血”女孩的身世
對一塊9萬(wàn)年前的骨骼化石的基因測序表明
它屬于一位十幾歲的女孩
她的母親是尼安德特人
而父親則是丹尼索瓦人
她也成了被發(fā)現的第一位的“混血”古人類(lèi)
在另一項研究中
科學(xué)家將丹尼索瓦人的DNA與化石蛋白質(zhì)進(jìn)行了對比
確認丹尼索瓦人曾經(jīng)生活在青藏高原
從而擴大了這個(gè)神秘人種的生活范圍
在當時(shí)的地球上
我們的智人祖先
和至少兩種古人類(lèi)生活在一起
他們之間還有很多秘密
等待我們通過(guò)基因發(fā)掘出來(lái)
“一無(wú)所獲”的危機
電子、夸克、中微子、光子......
這些我們耳熟能詳的粒子
有著(zhù)有悖于常理的行為方式
標準模型
是描述這些粒子的核心理論
它是有史以來(lái)最成功、最精確的一個(gè)理論
但在10年前
它還缺失了一塊核心的拼圖
回到上世紀60年代
當時(shí)有一些理論
可以很好地描述著(zhù)我們的宇宙
但它們遇到了一個(gè)問(wèn)題
這些理論預測了
一些已知有質(zhì)量的粒子
應該是無(wú)質(zhì)量的
為了解釋這個(gè)難題
物理學(xué)家提出了一種可以使質(zhì)量出現的機制
但這種機制要求一種全新的粒子存在
這種粒子被稱(chēng)為希格斯玻色子
在那之后的幾十年里
物理學(xué)家陸續找到了一系列基本粒子
比如六種夸克、膠子、W和Z玻色子等
但一直無(wú)法找到希格斯玻色子的蹤跡
10年前
當大型強子對撞機（LHC）正式運行時(shí)
所有人都對它給予厚望
在一個(gè)圓周為27千米的圓形隧道內
粒子會(huì )被加速至接近光速
當兩束粒子相遇碰撞時(shí)
會(huì )產(chǎn)生大量新的粒子
物理學(xué)家希望在其中發(fā)現希格斯玻色子
2012年7月4日
一場(chǎng)發(fā)布會(huì )吸引了全世界的關(guān)注
LHC背后的科研團隊宣布
他們找到了希格斯玻色子的確鑿證據！
這是標準模型的高光時(shí)刻
狂歡之后
物理學(xué)家陷入沉思
他們深知這一勝利并不意味著(zhù)終結
因為標準模型本身只是宇宙拼圖的一塊
還有許多問(wèn)題是標準模型無(wú)法回答的
當我們回顧這十年的時(shí)候
人們很容易聚焦在希格斯玻色子的勝利上
但物理學(xué)家更希望看到的是
在LHC的能量范圍內
能夠找到超越標準模型的新粒子
然而，無(wú)論是LHC還是其他的大型實(shí)驗
都沒(méi)有找到暗物質(zhì)粒子、超對稱(chēng)粒子......
在這10年中出現了幾次有趣的信號
但最終也都消失了
這一無(wú)所獲的幾年間
一些物理學(xué)家開(kāi)始焦慮
甚至覺(jué)得粒子物理學(xué)遇到了危機
但也有人認為
我們需要的是足夠多的耐心
整理：原原
設計：岳岳
聯(lián)系客服
