唐云江

唐云江《科學(xué)世界》主編

在電影《2012》的渲染下，即將來臨的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《自然》雜志2011年9月22日?qǐng)?bào)道說，意大利格蘭薩索國家實(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，美國國家點(diǎn)火裝置（NIF）科學(xué)家獲得了類似太陽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，搭載的中國火星探測(cè)器“螢火一號(hào)”也隨之夭折。只有美國的“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10年人類探索火星做準(zhǔn)備。

合成生物學(xué)

美國文特爾研究所（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，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能電子設(shè)備。今后幾年內(nèi)印刷太陽能技術(shù)會(huì)有較大發(fā)展，太陽能利用會(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，美國能源部勞倫斯伯克利國家實(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)，氫來源技術(shù)也在加緊研究，利用太陽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年第十三屆中國國際高新技術(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。物聯(lián)網(wǎng)不僅僅把傳感器連接起來，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)的將來可以實(shí)現(xiàn)“一機(jī)行天下”了。