唐云江

唐云江《科學(xué)世界》主編

在電影《2012》的渲染下，即將來(lái)臨的2012年多少帶了點(diǎn)神秘色彩。盡管大多數(shù)人并不相信真有瑪雅人預(yù)言的世界末日，但對(duì)于2012年，還是有一些科學(xué)技術(shù)值得人們期待的，“上帝粒子”、“人造細(xì)胞”、癌癥治療……它們激發(fā)了我們對(duì)未來(lái)的向往和關(guān)注。與其擔(dān)心2012年會(huì)不會(huì)發(fā)生毀滅性自然災(zāi)難，不如關(guān)注一下明年科學(xué)技術(shù)會(huì)有哪些亮點(diǎn)和重大發(fā)展吧。

“上帝粒子”和超光速運(yùn)動(dòng)

物理學(xué)中近期一個(gè)最大的懸念就是希格斯玻色子，它是粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的一種自旋為零的玻色子，至今尚未在實(shí)驗(yàn)中觀察到。它也是標(biāo)準(zhǔn)模型中最后一種未被發(fā)現(xiàn)的粒子，關(guān)乎著標(biāo)準(zhǔn)模型的“命運(yùn)”，因而被稱為“上帝粒子”。歐洲核子研究中心（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）一個(gè)主要任務(wù)就是找到希格斯粒子的證據(jù)。LHC在2011年初進(jìn)行了短期的維修后，2月下旬開始進(jìn)行7TeV能量的對(duì)撞實(shí)驗(yàn)，覆蓋了更廣泛的能量范圍。到目前為止，仍未公布數(shù)據(jù)結(jié)果。LHC官方已宣布2012年繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，人們期待2012年在大量分析數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的蹤跡。有可能2012年是“上帝粒子”之年，但如果2012年還沒有確定結(jié)果，2013年會(huì)進(jìn)行14TeV能量的對(duì)撞試驗(yàn)，屆時(shí)就會(huì)見分曉了。

物理學(xué)上另一個(gè)引人注目的事件是超光速運(yùn)動(dòng)，英國(guó)《自然》雜志2011年9月22日?qǐng)?bào)道說(shuō)，意大利格蘭薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室下屬的一個(gè)名為“OPERA”的實(shí)驗(yàn)裝置接收了來(lái)自歐洲核子研究中心的中微子，兩地相距730公里，中微子跑過這段距離的時(shí)間比光速還快了60納秒(1納秒等于十億分之一秒)。當(dāng)然，這一事件引起很多科學(xué)家的質(zhì)疑，因?yàn)檫@是關(guān)系到愛因斯坦相對(duì)論的根基問題。科學(xué)家們正著手進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，2012年就會(huì)有確定的結(jié)論。

熱核聚變

在2011年初的實(shí)驗(yàn)中，美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）科學(xué)家獲得了類似太陽(yáng)的極端高溫而且均勻、使標(biāo)靶不會(huì)失形的壓力。他們用一種直徑2毫米的塑料小球代替了金質(zhì)黑體輻射空腔，將192束激光聚集在含氦元素的塑料球上，所產(chǎn)生的巨大熱量中近90%轉(zhuǎn)換為X射線，使溫度達(dá)到360萬(wàn)攝氏度。在這一溫度和壓力下，2毫米直徑的塑料球各向均勻收縮為只有1/10毫米。新實(shí)驗(yàn)已經(jīng)模擬出聚變反應(yīng)發(fā)生的實(shí)驗(yàn)條件，2012年將正式使用含核聚變?nèi)剂想碗暗男∏?，屆時(shí)將會(huì)驗(yàn)證慣性核聚變的可行性，如果成功，會(huì)將慣性核聚變研究推進(jìn)一大步。

空間探測(cè)

火星探測(cè)原本2012年會(huì)有一個(gè)小高潮，但由于俄羅斯的“福布斯—土壤”火星探測(cè)器變軌失敗，搭載的中國(guó)火星探測(cè)器“螢火一號(hào)”也隨之夭折。只有美國(guó)的“好奇”號(hào)火星車（2011年11月25日發(fā)射）2012年將到達(dá)火星。它是一輛核動(dòng)力大型探測(cè)車，將擴(kuò)大美國(guó)宇航局對(duì)火星的探索領(lǐng)域，并將有助于天文學(xué)家更好地了解這顆紅色行星是否存在水。該火星車收集的數(shù)據(jù)，或許還有助于科學(xué)家弄清火星上是否存在生命，以及火星過去和現(xiàn)在的可居性問題。該火星車還將對(duì)這顆紅色行星的氣候及地質(zhì)情況進(jìn)行評(píng)估，為未來(lái)10年人類探索火星做準(zhǔn)備。

合成生物學(xué)

美國(guó)文特爾研究所（JCVI）一直在進(jìn)行合成基因組的工作。2010年，他們報(bào)告了從數(shù)字化的基因組信息開始，設(shè)計(jì)、合成和組裝了一個(gè)具有1.08兆個(gè)堿基對(duì)的蕈狀支原體基因組，將其移植進(jìn)一個(gè)山羊支原體受體細(xì)胞，從而創(chuàng)造了一個(gè)僅由合成染色體控制的新的蕈狀支原體細(xì)胞。新細(xì)胞內(nèi)僅有的DNA具有預(yù)期設(shè)計(jì)合成的DNA序列的表型性質(zhì)，有連續(xù)自我復(fù)制的能力。文特爾等將新細(xì)胞命名為JCVI-syn1.0，這是第一個(gè)人造細(xì)胞，標(biāo)志人類可以合成生命了。

生物合成通過化學(xué)合成DNA，用標(biāo)準(zhǔn)化和自動(dòng)化的過程，創(chuàng)造增強(qiáng)了特征或性能的生物體，或者直接創(chuàng)造全新的生物體，以滿足人類各方面的需要。從10年前提出合成生物學(xué)概念以來(lái)，相關(guān)的論文數(shù)量激增，僅僅10年時(shí)間，人們不僅可以造出人造細(xì)胞，還利用合成途徑改造生物體，催化化學(xué)反應(yīng)，在能源制藥等領(lǐng)域開始應(yīng)用。近年來(lái)合成生物學(xué)發(fā)展迅猛，從模仿自然界簡(jiǎn)單的DNA開始，改造和重新設(shè)計(jì)組裝我們需要的DNA。2012年及以后的幾年內(nèi)會(huì)有更多的成果，從單細(xì)胞向多細(xì)胞體延伸，有可能合成出高效的細(xì)菌等新的有用的生命體，在能源、制藥、材料等將有廣泛的應(yīng)用。

合成生物學(xué)在滿足人類需要的同時(shí)，也必然會(huì)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，創(chuàng)造出的新的生命體可能會(huì)危及人類的生存，風(fēng)險(xiǎn)控制是科學(xué)家面臨的重大課題。

細(xì)胞調(diào)控

干細(xì)胞命運(yùn)調(diào)控及誘導(dǎo)多能干細(xì)胞仍是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。動(dòng)物個(gè)體發(fā)育是受精卵沿著一套編排好的程序經(jīng)過一系列增值和分化形成的，這一過程在自然條件下是一個(gè)不可逆的過程，由此產(chǎn)生構(gòu)成個(gè)體的所有成體細(xì)胞。干細(xì)胞理論上可以分化為各種細(xì)胞，通過人為調(diào)控可以獲得人們需要的細(xì)胞分化；體細(xì)胞也可以通過人為重新編程轉(zhuǎn)變?yōu)檎T導(dǎo)多能干細(xì)胞，可以用于修復(fù)人體組織和器官，并可依此開發(fā)新的治療性藥物。2012 年及以后幾年內(nèi)預(yù)計(jì)會(huì)有突破性應(yīng)用成果。

癌癥治療

癌癥治療是醫(yī)學(xué)上一大難題，之前的手術(shù)治療、放射療法和藥物治療都有較大缺陷，目前研究熱點(diǎn)是目標(biāo)明確的定點(diǎn)治療方法，近幾年突起的免疫療法有望取得較滿意的效果。后者是癌癥疫苗，前者是在體外“訓(xùn)練”免疫細(xì)胞，如樹突狀細(xì)胞，然后放回體內(nèi)定向攻擊癌細(xì)胞，有望短時(shí)間內(nèi)成為常規(guī)高效的癌癥治療手段。

太陽(yáng)能電池

能源問題一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，關(guān)系到人類可持續(xù)發(fā)展問題。過去，許多制造太陽(yáng)能電池的方法非常耗時(shí)，材料和工藝成本過高，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)的科學(xué)家2011年使用噴墨打印技術(shù)成功地制造出了銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽(yáng)能電池，新方法使原材料浪費(fèi)減少了90%，并通過使用一些富有潛力的化合物顯著降低了太陽(yáng)能電池的制造成本。借助該項(xiàng)技術(shù)，科學(xué)家最終能制造出性能極佳、能被快速制造、成本超低的薄膜太陽(yáng)能電子設(shè)備。今后幾年內(nèi)印刷太陽(yáng)能技術(shù)會(huì)有較大發(fā)展，太陽(yáng)能利用會(huì)普及到生活的各個(gè)方面。

氫燃料

氫燃料是理想的動(dòng)力源，但氫的儲(chǔ)存和運(yùn)輸一直是個(gè)難題。2011年，美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家設(shè)計(jì)出了一種新的儲(chǔ)氫納米復(fù)合材料，它由金屬鎂和聚合物組成，其由金屬鎂納米離子散落在一個(gè)聚甲基丙烯酸甲酯（同樹脂玻璃有關(guān)的聚合物）基質(zhì)組成。新材料在常溫下就能快速地吸收和釋放氫氣，在吸收和釋放氫氣的循環(huán)中，金屬鎂也不會(huì)氧化。這是氫氣儲(chǔ)存和氫燃料電池等領(lǐng)域取得的又一個(gè)重大突破。

光解水制氫

與氫儲(chǔ)存技術(shù)突破的同時(shí)，氫來(lái)源技術(shù)也在加緊研究，利用太陽(yáng)能的光催化分解水的技術(shù)進(jìn)展較快，從TiO2為基礎(chǔ)的系列光催化劑到半導(dǎo)體光催化劑，以及可見光催化劑都有較大發(fā)展，目前大部分光催化劑主要對(duì)紫外線敏感，但到達(dá)地球的太陽(yáng)能大部分集中在可見光，可見光波段的光催化劑更顯重要。哈工大理學(xué)院化學(xué)系陳剛課題組在開展硫化物光催化劑研究中，制備出由金屬硫化物固溶體納米棒自組裝而成的分級(jí)納米結(jié)構(gòu)光催化劑，并研究了該材料微納結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在可見光下，該催化劑無(wú)需借助鉑等貴金屬，即可大幅度提高光能制氫的轉(zhuǎn)化效率，表現(xiàn)出優(yōu)異的光解水制氫活性。高效光催化劑有望近幾年內(nèi)取得突破，突破之后，能源問題則無(wú)憂。

云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)

云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)是近幾年的熱點(diǎn)。2011年第十三屆中國(guó)國(guó)際高新技術(shù)成果交易會(huì)的主題就是云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)是利用互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等把能夠被獨(dú)立尋址的設(shè)備或物體連接起來(lái)。物聯(lián)網(wǎng)不僅僅把傳感器連接起來(lái)，其本身也具有智能處理的能力，能夠?qū)ξ矬w實(shí)施智能控制。物聯(lián)網(wǎng)將傳感器和智能處理相結(jié)合，利用云計(jì)算、模式識(shí)別等各種智能技術(shù)，從傳感器獲得的海量信息中分析、加工和處理出有意義的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)用戶不同的需求。云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不僅應(yīng)用于我們熟知的交通、物流、金融領(lǐng)域，在工業(yè)控制、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療衛(wèi)生、公共安全、國(guó)防軍事等領(lǐng)域也已開始應(yīng)用。不用多久，智能的物聯(lián)網(wǎng)就會(huì)觸到我們生活的各個(gè)角落。

全能手機(jī)

手機(jī)不僅僅是一個(gè)通訊設(shè)備，其智能化程度也越來(lái)越高，已經(jīng)逐漸演變成一臺(tái)隨身攜帶的終端設(shè)備。配備易攜帶的薄膜顯示器可以成為電腦或電視，配備便攜的虛擬鍵盤可以提高使用的舒適度。不遠(yuǎn)的將來(lái)可以實(shí)現(xiàn)“一機(jī)行天下”了。