1、幽靈般的粒子

作為基本粒子之一的中微子，有一個(gè)臭名昭著的特征：它們像幽靈一般，幾乎不與物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)!科學(xué)家為了捕捉它們的蹤跡通常需要建造包含幾萬或數(shù)十萬噸的探測材料的巨大探測器，才能增加中微子和物質(zhì)間的反應(yīng)幾率。然而，今年八月，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一種可以隨手?jǐn)y帶，并且只有14.6公斤的小型中微子探測器，第一次捕捉到了43年前就被預(yù)測的一個(gè)反應(yīng)：低能量的中微子與原子核內(nèi)所有的核子發(fā)生散射。這個(gè)過程被稱為“相干彈性中微子-原子核散射”。此次的發(fā)現(xiàn)不僅驗(yàn)證了物理學(xué)家Daniel Freedman在1974年的預(yù)言，也為便攜式探測器開辟了道路。

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2、當(dāng)“粒子物理學(xué)”遇上“考古學(xué)”

在探測中微子的道路上，科學(xué)家為了隔絕來自外太空的宇宙射線的干擾費(fèi)盡心思。盡管宇宙射線在某些場合不受歡迎，但當(dāng)科學(xué)家利用這些高能粒子來探索古埃及金字塔的時(shí)候，卻有了令人意外的收獲：科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了胡夫金字塔內(nèi)一直隱藏著一個(gè)巨大的中空結(jié)構(gòu)!雖然我們還無法得知該結(jié)構(gòu)的具體細(xì)節(jié)，但此次的發(fā)現(xiàn)本身就令人充滿敬畏。試想一下，如果你是一名考古學(xué)家，走進(jìn)這間4000多年都沒有人踏足的神秘空間，定會感到不可思議吧!更重要的是，此次發(fā)現(xiàn)所采用的μ子成像技術(shù)在未來或許能夠更好的被利用在全球各地的考古遺跡，特別是那些隱藏在深山老林或傳統(tǒng)方式難以企及的遺跡。

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3、雷電中的核聚變

我們自以為對閃電已經(jīng)足夠的熟悉，但事實(shí)證明，我們?nèi)杂幸恍┬枰私獾氖?。日本京都大學(xué)的Teruaki Enoto和他的同事首次提供了強(qiáng)有力的證據(jù)表明，閃電可以導(dǎo)致大氣中的放射性同位素的合成。Enoto和他的同事發(fā)現(xiàn)，雷暴能產(chǎn)生高能伽馬射線，將中子從氮-14的原子核中擊出，產(chǎn)生不穩(wěn)定的氮-13同位素。同位素會衰變成一個(gè)中微子、一個(gè)正電子和一個(gè)穩(wěn)定的碳-13原子核。最后，正電子與一個(gè)大氣分子的電子湮滅，產(chǎn)生一對伽馬射線，每一個(gè)射線都有一個(gè)特征能量(即0.511兆電子伏特)。此次的研究結(jié)果展示的是一種之前未知的地球大氣中的同位素來源，包括碳-13、碳-14和氮-15，未來的研究還可能揭示更多，如氫、氦和鈹?shù)耐凰亍?/p>

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4、量子競賽

量子計(jì)算機(jī)要在真正意義上影響我們的生活還有很長的路要走。但2017年卻是量子計(jì)算里程碑的一年，世界各大實(shí)驗(yàn)室(比如谷歌、IBM等)不斷地刷新這一領(lǐng)域的記錄，競相在研發(fā)第一臺能夠?qū)崿F(xiàn)“量子霸權(quán)”的量子計(jì)算機(jī)。值得一提的是，我國也在這一領(lǐng)域也不落于人后：潘建偉團(tuán)隊(duì)制造出了第一臺超越最早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的基于單光子的量子模擬機(jī)。而在量子通訊方面，科學(xué)家在不用傳輸任何粒子的情況下，實(shí)現(xiàn)了信息傳遞這一反事實(shí)量子通訊。令人欣喜的是，“墨子號”量子衛(wèi)星成為了2017年的超新星，分別在量子糾纏分發(fā)、量子密匙分發(fā)和量子隱形傳態(tài)領(lǐng)域做出了傲人成就。

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5、時(shí)間晶體

2012年，諾貝爾物理學(xué)得主Frank Wilczek有了一個(gè)瘋狂的想法：時(shí)間晶體!我們知道，物質(zhì)在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)保持不動(dòng)，并且只有勢能。而時(shí)間晶體最神奇的地方在于，當(dāng)它處于“靜止?fàn)顟B(tài)”或“基態(tài)”(也就是原子處于最低的能量狀態(tài))的時(shí)候也是在運(yùn)動(dòng)的。這怎么可能呢?其實(shí)，這其中的魔法就在于自然的一個(gè)基本對稱性需要被打破，那就是時(shí)間對稱性。一般晶體在時(shí)間這個(gè)維度上是連續(xù)分布的，也就是說在任何時(shí)刻觀測它們都會看到同樣的晶體，而時(shí)間晶體在不同的時(shí)間卻有著不同的基態(tài)。許多物理學(xué)家都認(rèn)為打破時(shí)間對稱性是不可能的。然而，2016年8月，Norman Yao在arXiv上發(fā)表了一篇有關(guān)如何證明時(shí)間晶體存在的文章。很快，來自馬里蘭大學(xué)和哈佛大學(xué)的兩個(gè)團(tuán)隊(duì)依照Norman Yao所描繪的基本藍(lán)圖試圖制造時(shí)間晶體。結(jié)果是令人驚喜的，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)用不同的方法得到了相似的結(jié)果，從而印證了時(shí)間晶體是廣泛存在的一種新的物質(zhì)狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)時(shí)間晶體就像是發(fā)現(xiàn)新大陸，我們期待能夠在它身上發(fā)掘更多關(guān)于自然界的秘密。當(dāng)然，科學(xué)家認(rèn)為時(shí)間晶體的一個(gè)更實(shí)際應(yīng)用是量子計(jì)算機(jī)，它可以被用作量子儲存器。

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6、原子尺度下的生命

2017年可謂是冷凍電鏡的一年。三名歐洲科學(xué)家因發(fā)展冷凍電鏡技術(shù)而分享了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。他們的努力不僅提高了生物分子的成像質(zhì)量，并且提供了有關(guān)三維顯微成像更加直觀簡化的有效方式，將生物化學(xué)引入新紀(jì)元。在新型計(jì)算機(jī)軟件的加強(qiáng)輔助下，今年，它為許多與生命相關(guān)的關(guān)鍵分子提供了新的洞見，并迅速重塑結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域。就在獲得諾獎(jiǎng)的不久后，崔屹帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在十月末的《科學(xué)》雜志上發(fā)表的他們的最新研究成果：利用冷凍電鏡技術(shù)揭示了敏感性的電池材料和界面的原子結(jié)構(gòu)，從而開啟了冷凍電鏡材料學(xué)研究的新篇章。

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7、基因治療的曙光

1型脊髓性肌肉萎縮(SMA1)是一種進(jìn)行性的單基因運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元疾病，被診斷為患有SMA1的嬰兒一般會在2歲左右死亡。在一個(gè)小型的臨床試驗(yàn)中，美國森特維爾弗吉尼亞州一名患有SMA1的小女孩，接受了一種基因療法，取得了巨大的初步成效?；虔煼ㄊ且环N注入到靜脈中的一次性療法，在以往的治療實(shí)踐中效果并不總是理想。而這次的試驗(yàn)展示了一種新載體在運(yùn)送基因穿過腦血管屏障的能力。此次的成功使一度陷入困境的基因治療研究再次成為焦點(diǎn)。

8、最古老的智人化石

在過去的20年內(nèi)，科學(xué)家一直認(rèn)為人類起源于大約20萬年前的東非大裂谷附近。直到今年，古人類學(xué)家又有了令人驚喜的新發(fā)現(xiàn)，刷新了對早期人類研究的記錄?？茖W(xué)家在摩洛哥發(fā)現(xiàn)了智人的頭骨化石，將智人的歷史再往前推進(jìn)了約10萬年之久。因此現(xiàn)在我們所知道的是，早在30萬年前，智人就已經(jīng)存在了。在此之前，就有一隊(duì)科學(xué)家曾在摩洛哥的一個(gè)山洞里找到了4萬多年前的化石，這使得其他團(tuán)隊(duì)的研究人員決定回到那里去做進(jìn)一步的挖掘。他們在一個(gè)采石場附近的山洞里發(fā)現(xiàn)了五個(gè)化石標(biāo)本，與此同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了動(dòng)物的骨頭和一些工具，他們使用了一種新的技術(shù)來精確地測量化石的年齡。這次的發(fā)現(xiàn)說明了人類的起源地并非僅限于東非一帶，而是遍及了整個(gè)非洲大陸。

9、人造子宮內(nèi)的奇跡

這不是黑客帝國里的橋段，而是一項(xiàng)在費(fèi)城兒童醫(yī)院實(shí)現(xiàn)的科學(xué)突破?，F(xiàn)在，我們可以通過一個(gè)充滿液體的塑料袋，來維持極度早產(chǎn)羊羔的生存。袋子里裝滿了人造羊水，以此創(chuàng)造一個(gè)與子宮內(nèi)狀況相似的環(huán)境。在這之前，也有其他團(tuán)隊(duì)進(jìn)行過類似研究，但是這一次是由羔羊自己的心臟為子宮提供動(dòng)力。每只在這些充滿了液體的袋子里能存活下來的羔羊，都是基于一個(gè)能將血液通過臍帶泵入一個(gè)特殊的充氧裝置的系統(tǒng)。研究中，科學(xué)家使用的是約105-115天的早產(chǎn)羊胎，相當(dāng)于約23周的人類早產(chǎn)嬰兒。未來，我們希望這項(xiàng)技術(shù)能夠用于庇護(hù)那些提前來到人世間的早產(chǎn)兒。

10、天文界的狂歡

在發(fā)現(xiàn)引力波的短短兩年之內(nèi)，幾度成為了焦點(diǎn)，而且一次又一次的推向高潮。就在摘得今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的不久后，LIGO和VIRGO，以及全球多家知名天文臺同時(shí)召開了發(fā)布會，這次，天文學(xué)家看到了宇宙中最激烈的事件之一——兩顆中子星的并合。它們的并合攪亂著時(shí)空，輻射出的引力波經(jīng)歷了1.3億光年的旅程到達(dá)了地球。不僅如此，天文學(xué)家同時(shí)還探測到了中子星并合產(chǎn)生的短伽瑪射線暴，確認(rèn)了千新星事件，發(fā)現(xiàn)了重元素形成之謎，測量了宇宙的膨脹率，以及引力波的傳播速度。自此，我們正式迎來了多信使時(shí)代。這是一個(gè)多么令人興奮的開始。此次的發(fā)現(xiàn)也被《物理世界》評選為2017年年度突破。

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