《新科学家》杂志预测2011年重大科学事件

2011-2-09 09:53 来源: 科技日报
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  科技是一种迷人的信仰。它的有力,就仿佛是眼前的攀绳,每刻都引人前行。这几乎是我们能找到的唯一一件“错误也意味着进步”的事物——即便是理论的崩塌、技术的匮乏,却能在卷土重来后因趋利避害而更为接近真相。“试图用能给世界一些新意的眼光来看世界,试图寻找令人信服的价值。”这原本不像在说杰克·凯鲁亚克的旅程,而像是描述那根坚实的索绳。握之于手,拾阶而上,2011年,我们已伴随科技在路上。  

  首个地球“兄弟”被发现,机器人化身崛起,商业太空飞行向前迈出重大步伐,以上这些进展或将在2011年的科学报道中紧紧抓住你的眼球。 

  一年之前,《新科学家》杂志曾对2010年最令人期待的科学进展进行了预测。部分预测已真切地发生了:创建首个带有人工基因组的细胞,以及尼安德特人基因组草图的完成。但也有关于美国国家航空航天局(NASA)航天飞机退役的预测并未成真, “发现”号没能在2010年完成它的绝唱。 

  而今,《新科学家》杂志决定与美国哈佛医学院的塞缪尔·阿博斯曼合作,以期对2011年的科学进展作出更为准确的预测。阿博斯曼是新型科学计量学的先驱者,科学计量学是一个力求对科学进展进行计量的新研究领域,研究预测新发现会在何时发生。  

  阿博斯曼在2010年9月曾根据已知的外星世界特性作出了一项著名的预测——在2011 年5月前,人们有50%的机会发现首颗适宜生命存活的系外行星。预测出台几个星期后,这样的一颗行星就疑似出现了,这颗位于所在恒星系统的“宜居带”系外行星被认为有适合生命存在的条件。除此之外,阿博斯曼使用这一科学计量法,预测了2011年其他科学发现,并精确计算出这些新发现的发生时间。 


  现在还不会有“幻数”元素

  计算表明,在2042年前,人们尚无法到达传说中的元素周期表最深处的“稳定岛”。

  目前尚不清楚制造一种双幻超重同位素所需的粒子数目,但理论认为,其应当包含184个质子和114个、120个或126个中子。现已制造出包含114个质子、但中子数仍不足的原子。2011年,我们能否期待首个双幻岛元素的横空出世?

  预测:逼近稳定岛

  稳定的超重元素应该是存在的,但这个“稳定岛”又存在于元素周期表的哪里?要花多久才可能创建出第一个“岛民”?

  我们已能获得包含114个质子、但中子数仍不足的元素,这看起来已是一路领先了。事实上要将114号元素的中子数提高到184并非易事。当一种元素的原子向另一种元素的原子团“开火”时,其会融合形成一个更大的原子。但制造带有114个质子和184个中子的原子,则需要一个强烈的放射性原子束,而这又是现有技术所无法产生的。

  相比之下,通过原子融合倒有可能创造出120号和126号元素的幻数同位素,不过到目前为止还只能用较轻的重元素来实现。

  那么,完成这一壮举离我们有多近呢?研究人员对所有原子序数大于100的人工合成同位素的创建成功率进行了检视。随着老技术潜力的耗尽和新技术的不断涌现,这是一个相当坎坷的历程。尽管如此,研究人员还是确定了一种通用模式,使质子数和中子数随时间的推移不断增长。推算结果表明,120号元素的幻数同位素将在2042年完成,而126号元素的幻数同位素则在2052年面世。

  所以,在2011年发展一名“岛民”的前景还是乐观的。2011年的收获更可能会在设法挖掘现有超重原子的化学性上,这些超重原子也许能给稳定岛身处何处提供些许线索。


   期待地球的孪生星球

  地球人一定为发现他们的行星兄弟而感到激动:计算表明此项发现有可能会在2011年发生。

  2010年,每隔4天左右就会发现一个新的系外行星,到2010年年底,已发现的系外行星总数超过了500个。但在9月,一项无与伦比的发现打断了系外行星发现的稳健步伐:首次发现了其表面或可适宜生命生长的地外星球。

  这颗名为Gliese 581g的行星是有史以来所发现的最类似地球的系外行星,由美国加州大学史蒂文·沃格领导的研究团队发现。该行星位于围绕其宿主恒星的“宜居带”,所谓 “宜居带”指的是位于该区域的行星气候不会太冷也不会太热,有形成海洋、湖泊和河流的液态水。Gliese 581g的质量是地球的3.1倍至4.3倍,主要由岩石构成。虽然第二个天文学家小组未能利用他们的信号找到其踪影,但一旦它的存在被证实,这将是人类迄今找到的最适合居住的系外行星。

  也许,有更大的奖项正等着我们,那就是一个与我们的地球具有同样尺寸和温度的星球。我们的地球绝不是唯一,地球之外也一定有我们的“兄弟”。那么,这样的发现会在2011年到来吗?

  预测:准备迎接“孪生兄弟”

  就像突然遇见了失散多年、你不曾知道的孪生兄弟一样,地球人也一定会对发现第二个地球感到兴奋不已。

  为了预测这个重要的时刻,研究人员转向利用阿博斯曼和加州大学圣克鲁兹分校格雷格·拉芙林在2010年早些时候设计的“地球类似性”测量手段,这个“宜居指数”是根据行星的平均温度和尺寸来进行估测的。“热木星”围绕其宿主恒星旋转一周的时间仅为短短几天,其得分接近于零,而与地球特性相似星球的得分则为1。

  2010年9月,研究人员根据已发现的每个系外行星的日期标注了其宜居指数,并推导绘制出了指数曲线,由此推测出类地行星将在2011年5月被发现。两个星期后,这样的一颗行星gliese 581g就横空出世了,当然其是否真正宜居还有待进一步确认。

  目前,研究人员利用相同指数曲线,推导出gliese 581g的宜居指数为0.4,并作出了一个新的预测。研究人员的数据表明,在2011年发现地球的真正孪生兄弟的机会为82%。

  这一预测结果是相当令人兴奋的,不过也会受到不确定性的影响,因为系外行星的发现日期是唯一已知的因素,更何况,宜居指数并没有考虑到行星的大气层。

  系外行星的发现在2011年2月会有一个爆发,因为其时美国国家航空航天局的开普勒望远镜将发布潮水般的数据。即使地球的孪生兄弟到时并没有现身,还会有很多其他的系外行星搜索任务可以完成此项使命。


  百万美元求解的数学问题

  2010年,科学家发布了一个解决“P对NP”数学难题的论文草稿,“一石激起千层浪”,该论文迅速成为学界关注和讨论的热点,但随后遭遇了大量的质疑。那么,“P对NP”会在2011年得到完美的解决方案吗?

  美国惠普实验室数学家维奈·迪奥拉里卡于2010年8月6日在网上提交的关于论证“P对 NP”问题的论文草稿,就像是一场旋风,立刻在互联网上掀起了一场轩然大波。虽然其间三易其稿,迪奥拉里卡对自己的证明也作出了解释,但权威科学家从最初的乐观,到怀疑,再到发现其中的漏洞(即他把两个没有在论文中被严格定义出来的直观概念混淆在一起,从而作出了不完善的论证)。不幸的是,迪奥拉里卡的工作并没有最终被认可。

  不过,这场互联网争论旋风倒是向人们揭示了一种解决数学问题的新方法,那就是通过博客和维基产生了解决该问题的大量新思想。

  “P对NP”问题是数学家和计算机科学家斯蒂芬·库克于1971年首先提出来的。 2000年,美国克雷数学研究所挑选出现代数学前沿的七大公认最困难最有意义的问题,各悬赏百万美元寻求正解,P对NP问题就是其中之一,同时也是计算机科学领域的最大难题,关系到计算机完成一项任务的速度到底有多快。要解决NP问题往往颇费周折,如发现几个城市之间的最短路径——尽管它很容易证明可能的解决方案是否正确。

  如果P=NP,计算机也许最终能够解决从蛋白质折叠到分解大数等大量的复杂问题,解决因式分解问题则关系到我们依赖的互联网的安全。目前加密系统的破解就相当于要将一个整数分解为几个因数的乘积,正是其求解过程的繁琐,才能杜绝黑客的入侵。大多数人都假设P≠NP成立,而这也正是迪奥拉里卡所要证明的。

  2011年,会有人最终拿到克雷数学所悬赏的百万美元奖金吗?

  预测:解决“P对NP”的时刻尚未到来

  与科学领域的其他许多问题不同的是,像“P对NP”这样高度理论性的谜题很少会零零碎碎地加以解决。相反,它们倾向于很多年都得不到解决,但突然不知从哪儿冒出来,问题一下解决了。

  预测这些突破似乎是不可能的,但研究人员设计了一种方法,来估计在2011年解决“P对NP”问题的可能性。研究人员就其“年龄”或该问题从提出到解决的时间与其他长期悬而未决的数学问题进行了比较。

  首先,研究人员比较了“P对NP”与其他18个数学难题,这些数学难题都是在其“降生” 百年后才得以破解,其中包括费马大定理、庞加莱猜想等。这使得“P对NP”问题在2011年(其时才40岁)找到最终解决方案看上去为时过早:其他问题中,只有22%在40岁时得以解决。基于同样的逻辑,在2024年,我们应能看到“P对NP”问题破解的曙光。彼时,它已53岁了,在研究人员检视的数学问题中,有50%在50岁时已找到解决方案。

  让我们祈祷“P对NP”问题的解决时间不要超过“蜂窝猜想”吧。四世纪古希腊数学家佩波斯提出,蜂窝的优美形状,是自然界最有效劳动的代表。他猜想,人们所见到的、截面呈六边形的蜂窝,是蜜蜂采用最少量的蜂蜡建造成的。也就是,如果你需要将一个表面分成大小相等的平面形状,那么六边形是分割线长度最小的形状。这个问题的证明时间超过了1500年。

  研究人员还将“P对NP”问题与其他26个尚未解决的问题进行了比较,2011年,“P对NP”的年龄要比其中81%还年轻。