《环球科学》2011年十大科学新闻评选

　　“十大科学新闻”评选是《环球科学》(《科学美国人》杂志中文版)每年一度的重头戏，也是本年度全球各大科学领域的重大事件进行的一次全面盘点。经过专业编辑和专家团队的商讨，《环球科学》初步挑选出了30条候选新闻，接受网友的点评和投票。

　　1、超光速粒子挑战爱因斯坦相对论

　　9月23日，欧洲核子研究中心公布了一份研究结果，科研人员在让中微子进行近光速运动时，其到达时间比预计的早了60纳秒(1纳秒等于十亿分之一秒)，对此，研究者认为，这可能意味着这些中微子是以比光速快60纳秒的速度运行。

　　这项研究名叫OPERA(Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus)，是由欧洲核子研究所的超级质子同步加速器产生高强度、高能量的μ子中微子束，向730千米外的意大利格兰萨索国家实验室(LNGS)传送，以便检测检测中微子振荡现象。研究者让粒子束以近光速运行，并通过最后的运行时间和距离来判断中微子的速度。中微子束在两地之间的地下管道中穿梭。

　　根据爱因斯坦狭义相对论，光速是宇宙速度的极限，没有任何物质可以超越光速。如果此次研究结果被验证为真，意味着奠定了现代物理学的基础将遭到严重挑战。

　　不过，欧洲核子研究中心随后在一份声明中表示，这个结果的潜在影响巨大，急需其他实验的独立测量进行重复实验，接受更广泛、更严谨的考验，这才能最终验证或反驳是否真的存在超光速粒子。

　　11月17日，格兰•萨索国家实验室的研究人员发布了新的实验数据，确认了9月23日公布的结果。该实验的参与者、德国汉堡大学的卡伦•哈格纳表示，实验的精确性得到了改进，统计分析更为可靠了，并且由OPERA里的不同小组进行了重复。

　　然而，OPERA之外的科学家仍然表示怀疑。他们寄希望于由一个独立的实验来进行重复。其中最受期待的是美国费米实验室“主注入器中微子振荡搜寻”(简称MINOS)实验。针对OPERA的最新结果，费米实验室发表声明说，该实验室正在升级有关系统，2012年初应该可以获得相关结果。

　　2、世界人口超过70亿

　　10月31日，根据联合国人口基金的预测，世界人口在这一天达到了70亿。在全球70亿人口中，有18亿是10岁到24岁的年轻人。如果目前的生育率保持不变，本世纪中期世界人口将突破90亿，此后人口增速将会放缓，到本世纪末超过100亿。

　　联合国人口基金的统计显示，世界人口从10亿增长到20亿用了一个多世纪，从20亿增长到30亿用了32年，而从1987年开始，每12年就增长10亿。

　　由于文化普及和妇女社会地位的提高，全球育龄妇女的平均生育率到21世纪已显著下降，但庞大的人口基数仍会使人口数量迅速上升。

　　人口激增意味着人类对自然资源的需求激增，粮食、水资源、宜居土地的供给将承受更大的压力，这些需求又将向生态环境传递更大压力；人口激增也意味着人类对社会资源的需求激增，教育、医疗、就业、养老等问题，将考验着每一个国家。

　　3、“苹果”创始人乔布斯去世

　　美国时间10月5日，苹果董事会主席、联合创始人史蒂夫•乔布斯逝世，享年56岁。苹果公司网站发布的消息说：“苹果失去了一位富有远见和创造力的天才，世界失去了一个不可思议之人。” 1975年，乔布斯与斯蒂夫•沃兹尼亚克组装了世界上第一台个人电脑，这台个人电脑后来被称为苹果Ⅰ号机。1976年，乔布斯与沃兹等人成立了苹果公司，并在1977年4月推出了苹果Ⅱ号机，它以小巧、操作简便等特点抓住了用户的心。乔布斯先后领导缔造了麦金塔计算机、ipad、iPod、iTunes Store、iPhone等诸多知名数字产品。

　　乔布斯的生涯极大地影响了硅谷风险创业的传奇，他将美学至上的设计理念在全世界推广开来。他对简约及便利设计的推崇为他赢得了许多忠实追随者。乔布斯与沃兹尼亚克共同使个人计算机在70年代末至八十年代初流行开来，他也是第一个看到鼠标的商业潜力的人。在将近40年的职业生涯里，他引进了几种范式转移的发明，并在此过程中重塑了整个行业。

　　无论是在科技界还是商业界，乔布斯都是无可争议的领袖人物，他的去世，引起了全球的强烈关注。

　　4、首款石墨烯集成电路诞生

　　美国IBM公司的科学家研制出了首款由石墨烯圆片制成的集成电路，向开发石墨烯计算机芯片前进了一步。科学家们认为，这项突破可能预示着，未来可用石墨烯圆片来替代硅晶片。研究成果发表在6月10《科学》杂志上。

　　IBM公司托马斯•沃森研究中心科学家林育明领导的团队制造的这块集成电路建立在一块碳化硅上，并且由一些石墨烯场效应晶体管组成。这种生产过程也可用于其他类型的石墨烯材料，包括将化学气相淀积(CVD)石墨烯膜合成在金属膜之上，也可用于光学光刻以改善成本和产能。最新的石墨烯集成电路混频最多可达10G赫兹，而且其可以承受125摄氏度的高温。该研究团队认为，这块集成电路还可以运行得更快，届时，由这类集成电路制成的芯片可以改进手机和无线电收发两用机的信号，未来，手机或许能在一般认为无法接收信号的地方工作。

　　5、德国爆发肠出血性大肠杆菌疫情

　　5月中旬，一种被称为EHEC(肠出血性大肠杆菌)耐抗生素细菌导致的疫情在德国北部集中暴发。一周之内，德国16个州中的15个州中发现了超过1000例EHEC确诊或疑似病例。据称，“当前的疫情超过了任何一次历史上的状况，EHEC从没有在德国如此集中暴发。”

　　疫情很快蔓延到欧洲许多国家和美国。根据世卫组织的6月3日公布的报告，截至到6月2日，疫情共造成1823人染病，18人死亡。全世界已经有12个国家(除德国外，还包括奥地利、丹麦、法国、荷兰、挪威、西班牙、瑞典、瑞士、英国、捷克和美国)出现了肠出血性大肠杆菌病例。更令人担心的是，此次流行的EHEC亚型是经过变异的耐抗生素细菌，疑似超级细菌。

　　最初该病菌被认为来源于西班牙产黄瓜，后经严密调查，德国国家疾病控制中心罗伯特-科赫研究所等多家机构6月10日在柏林表示，他们已确认造成此次肠出血性大肠杆菌(EHEC)疫情的源头是下萨克森一家工厂生产的豆芽。

　　7月26日，罗伯特-考赫研究所宣布，感染肠出血性大肠杆菌的最后一位病人出现在三周前，计入病情潜伏期、诊断期以及病源调查所需时间之后，可以肯定地认为该病菌已不再具备传染性，表明这场在德国持续了月余的疫情已经结束。这场疫情最终导致德国范围内50人死亡。

　　6、中国发射“天宫一号”

　　2011年9月29日，中国首个目标飞行器天宫一号(Tiangong-1或Heavenly Palace 1)在酒泉卫星发射中心发射，由长征二号FT1火箭运载。

　　天宫一号设计在轨寿命两年。由于天宫一号是空间交会对接试验中的被动目标，所以叫“目标飞行器”(Target spacecraft，天宫一号的主要任务之一，即为实施空间交会对接试验提供目标飞行器)。而之后发射的神舟系列飞船，将称作“追踪飞行器”，入轨后主动接近目标飞行器。

　　天宫一号的发射标志着中国迈入中国航天“三步走”战略的第二步阶段(即掌握空间交会对接技术及建立空间实验室)，同时也是中国空间站的起点，标志着我国已经拥有建立初步空间站，即短期无人照料的空间站的能力。天宫一号在寿命末期，将主动离轨，陨落南太平洋。

　　2011年11月1日，中国再次发射“神舟八号”无人飞行器，飞行器升空后，在太空中与“天宫一号”成功完成两次对接，标志着中国成为了世界第三个掌握空间对接技术的国家。

　　7、日本大地震引发核危机

　　3月11日，本东北部海域发生里氏9.0级地震并引发海啸，地震和海啸造成15500余人遇难，5300余人失踪。另外，地震和海啸造成日本福岛第一核电站1~4号机组接连发生核泄漏事故，大量放射性物质泄漏到外部，日本各地均监测到超出本地标准值的辐射量。

　　日本原子能安全委员会根据测定值推算的结果显示，从3月12日上午6时至24日零时止，福岛第一核电站外泄放射性碘的总量约为3万万亿～11万万亿贝克勒尔，这个数值已经相当于国际评价机制的6级“重大事故”水平。而部分地区的土壤核污染水平，已与1986年的切尔诺贝利事故相当(被定性为最高等级7级的“特大事故”)。2011年4月12日，日本原子能安全保安院根据国际核事件分级表将福岛核事故定为最高级7级。是国际核事件分级表(International Nuclear Event Scale)中第二个被评为第七级事件的事故。

　　8、NIF成功模拟出核聚变反应的实验条件

　　美国物理学家组织网3月16日(北京时间)报道，美国国家点火装置(NIF)项目的科学家最近攻克了核聚变反应点火装置中的两个关键难题：类似太阳的极端高温以及均匀、使标靶不会失形的压力。

　　NIF的目标是实现聚变反应，最终用来生产可持续的清洁能源。目前的商业核电站都是用核裂变来发电，核聚变迄今还无法用于大规模商业核电站中。与核裂变相比，聚变反应能产生同样巨大的能量但核废料却更少。NIF科学家们正在研究的是一种惯性约束聚变(ICF)，即在高能激光热量和压力条件下的聚变。在最近的实验中，NIF科学家用一种直径2毫米的塑料小球将192束激光聚集在含氦元素的塑料球上，所产生的巨大热量中近90%转换为X射线，使温度达到360万摄氏度。在这一温度下，2毫米直径的塑料球各向均匀收缩为只有1/10毫米。研究结果发表在《物理评论快报》上。

　　NIF副主管爱德华•莫斯表示，新实验已经模拟出聚变反应发生的实验条件，比以前更加切实可行，并有望在明年上半年进行真正的演示。

　　9、原子间单量子能量交换首次实现

　　美国国家标准研究院物理学家首次在两个分隔的带电原子(离子)之间建立了直接运动耦合，实现了原子之间的单量子能量交换。实验利用了一种单层离子势阱，并将其浸在液氦浴中冷却到零下269℃。离子之间相隔40微米，漂浮在势阱表面。势阱表面装有微小电极，让两个离子靠得更近，以便产生更强的耦合作用。超低温度可以抑制热量，避免扰乱离子行为。研究人员在势阱上放了震荡脉冲来检测铍离子频率。研究人员还用激光制冷减弱两个离子的运动，再用两束反向紫外激光束将一个离子进一步冷却到静止状态，调节势阱电极间的电压，就开启了耦合作用。经测量，离子的能量交换每155微妙仅有几个量子，而达到单个量子交换时频率更低，间隔为218微秒。从理论上讲，离子之间这种能量交换过程能一直持续，直到被热量打断。

　　在未来的量子计算机中，上述技术可用于解决量子系统的复杂问题，破解当今使用最广的数据加密编码。不同位置的离子直接耦合可以简化逻辑运算，有助于校正运算过程错误。该技术还可能用于量子模拟，以解释复杂量子系统如高温超导现象的原理机制。

　　10、屠呦呦获拉斯克临床医学奖

　　9月12日，2011年度拉斯克奖的获奖名单揭晓，中国科学家屠呦呦获得临床医学奖，获奖理由是“因为发现青蒿素——一种用于治疗疟疾的药物，挽救了全球特别是发展中国家的数百万人的生命”。这也是至今为止，中国生物医学界获得的世界级最高大奖，离诺奖仅一步之遥。

　　上世纪60年代初，全球疟疾疫情难以控制。1967年，中国正处于文革时期，毛主席和周总理下令，联合研发抗疟新药。1967年5月23日在北京召开“全国疟疾防治研究协作会议”，“5•23”就成了当时研究防治疟疾新药项目的代号。1969年，39岁的屠呦呦加入“5•23”。她从整理历代医籍开始，四处走访老中医，编辑了以640方中药为主的《抗疟单验方集》，继而组织鼠疟筛选抗疟药物。经过200多种中药的380多个提取物筛选，最后将焦点锁定在青蒿上。屠呦呦认为，很有可能在高温的情况下，青蒿的有效成分就被破坏掉了。她改用乙醚制取青蒿提取物。1971年10月4日，经历了190多次的失败之后，在实验室里，屠呦呦终于从中药正品青蒿的菊科植物的成株叶子的中性提取部分，获得对鼠疟、猴疟疟原虫100%的抑制率。

　　11、 “引力探测器B”证实广义相对论两项关键预测

　　5月4日，美国航天局发布消息称，该局2004年发射的“引力探测器B”(Gravity Probe B)的测量结果已经证实了爱因斯坦广义相对论的两项关键预测：地球的自转会牵引并扭曲地球周围的时空，出现短程线效应(geodetic effect)和惯性系拖曳效应(frame dragging)。

　　广义相对论认为，引力是因质量的存在而引起的时空弯曲，引力场的存在会改变时空几何学规则。这一理论有两项重要预测，即时间和空间不仅会因地球等大质量物体的存在而弯曲，大质量物体的旋转还会拖动周围时空结构发生扭曲，这就是“短程线效应”和“惯性系拖曳效应”。

　　“引力探测器B”的主要装备是4个超高精度的回转仪。当“引力探测器B”在距离地球约640千米的极地轨道上开始运转时，4个回转仪自转轴同时对准遥远恒星——IM Pegasi。如果地球引力不影响时间和空间，那么回转仪自转轴将一直指向初始方向。实际观测结果是，受地球引力拖曳，回转仪自转轴方向发生了可测量的细微偏移，从而证实了爱因斯坦的理论。这项研究成果发表在《物理评论快报》上。

　　美国航天局天体物理学家威廉•丹奇说：“这项成果对理论物理学具有长期影响，将来要想挑战爱因斯坦的广义相对论，就必须获得比‘引力探测器B’观测结果更精确的数据。”

　　12、3-D结构晶体管首次问世

　　5月4日，英特尔公司宣布在晶体管发展上取得了革命性的重大突破——3-D结构的晶体管首次问世，三栅极(Tri-Gate)3-D晶体管设计成功实现了22纳米制程技术的突破。

　　在三栅极3-D晶体管中，传统的2-D平面栅极被从硅基体垂直竖起的3-D硅鳍状物所代替。鳍状物的每一面都安装了一个栅极，而不是像2-D平面晶体管那样，只在顶部有一个栅极。更多的控制可以使晶体管在“开”的状态下让尽可能多的电流通过，而在“关”的状态下尽可能让电流接近零，同时还能在两种状态之间迅速切换。据悉，与之前的32纳米平面晶体管相比，22纳米三栅极3-D晶体管在低电压下可将性能提高37%，在相同性能的情况下电量消耗将减少50%，而其造价仅提高2%~3%。这一惊人的改进意味着它们将是小型手持设备的理想选择。

　　对于这项成果，英特尔创始人之一、摩尔定律的提出者戈登•摩尔的评价是：“在多年的探索中，我们已经看到晶体管尺寸缩小所面临的极限。今天这种在基本结构层面上的改变，是一种真正革命性的突破，它能够让摩尔定律以及创新的历史步伐继续保持活力。”

　　13、超级杂交水稻亩产首次突破900公斤

　　9月18日，农业部专家组在湖南省隆回县验收超级稻大面积亩产的初步结果发布，“杂交水稻之父”袁隆平院士指导的超级稻第三期目标亩产900公斤高产攻关获得成功，创造了杂交稻世界新纪录。

　　中国超级稻育种计划分三期实施。第一期是大面积示范亩产700公斤，已在2000年实现；第二期亩产800公斤，于2004年提前一年实现；目前，袁隆平和他的团队攻关的900公斤是第三期目标。由袁隆平研制的“Y两优2号”，在湖南省邵阳市隆回县羊古坳乡雷峰村18块试验田(共107.9亩)试种，百亩试验田收割验收结果表明，亩产达到926.6公斤。

　　袁隆平并不满足于此，他为自己提出了第四期超级稻计划：到2020年实现超级稻大面积示范亩产1000公斤。“1000公斤是奋斗目标，从理论上讲超级稻的产量远不止于此。”

　　14、中国科学家提出生物进化动力新假说

　　在5月20日的《科学》杂志上，复旦大学生命科学学院的苏志熙等提出生物进化动力新假说，认为“偏向性突变是导致后生动物进化过程中酪氨酸丢失以及复杂酪氨酸激酶调控网络形成的主要原因”，这一假说修正了目前生命科学领域的权威观点——“后生动物进化过程中酪氨酸丢失是自然选择作用的结果”。

　　后生动物是相对于原生动物而言的，原生动物是动物界中最低等的一类真核单细胞动物，一切由多细胞构成的动物都称为后生动物。研究发现，“酪氨酸激酶调控网络”对后生动物进化有重大作用。在生命起源中，“酪氨酸激酶调控”只在“多细胞动物”中进行，绝大部分单细胞生物中没有“酪氨酸激酶调控网络”，而随着多细胞动物复杂性的不断增加，酪氨酸激酶调控网络的演化越来越复杂，因此，酪氨酸激酶网络调控已被科学界公认是导致多细胞动物复杂性演化的重要机制。2009年《科学》杂志刊文提出的假说认为，在后生动物进化过程中，生物体受到自然选择作用，选择性地丢失蛋白质中的酪氨酸， “通过去除潜在的有害磷酸化位点这一机制来适应酪氨酸激酶信号通路的复杂性进化，从而促进了多细胞动物本身的复杂性的进化，如演化出各种不同的细胞类型，组织，器官等”。

　　苏志熙等经过严谨的实验研究后提出的新假说认为，后生动物进化过程中，基因组DNA“组成成分”向高GC(鸟嘌呤和胞嘧啶)含量的偏向性突变是导致酪氨酸丢失的主要原因，而这种非选择性的酪氨酸丢失过程才是促使酪氨酸激酶信号通路以及相应的后生动物机体复杂性进化的原始动力。

　　据介绍，这个成果解释了多细胞进化过程中绝大部分的蛋白质氨基酸的变化规律，同时可能会帮助科学家更好地探究致癌的原因以及抗癌的方法。

　　15、长达两千年气候纪录出炉 热带或经历严重水短缺

　　美国物理学家组织网6月9日报道，美国研究人员对取自秘鲁安第斯山脉Laguna Pumacocha湖泊底部一份长约1.8米的沉积物钻核进行了分析，整理出了一份长达2300年的气候记录。在这份沉积物钻核中，保存着许多迄今未知的地化信息和热带地区气候变化的详情。为获得沉积钻核中的气候记录，研究小组分析了其中每年层中的氧同位素(氧-18)的比例，这一比例在湿润季节水平低而在干旱季节水平高。

　　根据该记录建立的模型显示，南美洲夏季季风期间的降水量自1900年以后急剧下降，在公元前300年左右降雨量变化最大，此时北半球温度逐渐变暖。目前，随着北半球气温上升，夏季的季风变得更干燥，地球上人口稠密的热带地区将可能经历严重的水短缺；而且，南美赤道地区的降水已经到了两千多年来的最低点。该报告发表在《美国国家科学院院刊》上。

　　16、IP地址用尽 IPv6开始试用

　　由于互联网用户持续攀升和全球手机上网者不断增多，造成现有的IP地址即将“瓜分完毕”。据悉，负责管理IP地址分配的顶级机构——互联网编号分配机构(IANA)于2月3日对外分配完最后一批IPv4系列地址，最后5个IPv4地址“大礼包”将被分配出去。现在， 既有IP地址将被完全耗尽的消息，迫使各大网站开始在研究增加地址数量的新技术应对挑战。今后互联网服务商可能要为注册用户提供IPv6地址。虽然这款全新的系统目前尚未普及，但是包括谷歌和Facebook在内的热门网站都对此表示支持。其他规模较小的网站也将开始部署IPv6地址系统。对于只支持IPv4地址的网站而言，未来将面临重大挑战。

　　17、世界首个三维等离子标尺研制成功

　　6月10《科学》杂志报道，美国能源部劳伦斯-伯克利国家实验室与德国斯图加特大学研究人员合作，开发出了世界首个三维等离子标尺，能在纳米尺度上测量大分子系统在三维空间的结构。

　　该三维等离子标尺由5根金质纳米棒构成，其中一个垂直放在另外两对平行的纳米棒中间，形成双层H型结构。垂直的纳米棒和两对平行纳米棒之间会形成强耦合，阻止了辐射衰减，引起两个明显的四极共振，由此能产生高分辨率的等离子波谱。标尺中有任何结构上的变化，都会在波谱上产生明显变化。另外，5根金属棒的长度和方向都能独立控制，其自由度还能区分方向和结构变化的重要程度。该标尺有助于科学家在研究生物的关键动力过程中，以前所未有的精度来测量DNA(脱氧核糖核酸)和酶的作用、蛋白质折叠、多肽运动、细胞膜震动等。

　　18、合成生物学取得多项进展

　　自从美国科学家文特尔在去年4月份创造了首个“人造生命”(参见《环球科学》2010年第7期《人造生命背后》)，合成生物学的发展开始加速，生物学家也开始朝着更高的目标迈进。今年，该领域的科学家就取得了多项重要进展。

　　今年9月，美国约翰斯•霍普金斯大学医学院的生物学家杰夫•博伊科领导的科研团队从头设计，人工合成出两个染色体片断，并将它们插入一个活酵母菌体内，而接受了合成染色体的酵母菌仍能正常存活。文特尔的“人造生命”是细菌，属于原核生物，而酵母属于更高级的真核生物。博伊科的研究是世界上首次成功合成真核生物的部分基因组，标志人工合成生物基因组的研究又迈出了重要步伐。博伊科还计划，在接下来的5年内，用人造基因组取代酵母菌的所有基因组，让其进化出新菌株。

　　几乎同一时间，英国格拉斯哥大学的李•克罗宁用含有金属的巨型分子，成功地制造出了类似于细胞的气泡，并赋予它们一些类似生命的特征。研究人员希望诱使这些气泡演变成完全无机的能自我复制的实体，以此证明存在着完全基于金属(无机物)的生命。

　　如果克罗宁的研究得到证实，那么存在外星生命的可能性将大大提高。日本东京大学基础科学系的牟中原说：“很可能存在着一些并不基于碳的外星生命。比如，水星上的物质就和地球上的物质大相径庭，可能存在由无机成分形成的生物。尽管克罗宁暂时还无法证明这一点，但他指出了一个新方向。”

　　也是在9月，美国索尔克生物研究所的的助理教授王磊(音译)利用基因技术，修改了一种细菌的遗传序列，成功地将非天然氨基酸(20种天然氨基酸之外的人造氨基酸)整合到细菌蛋白质的多处，制造出了新的人造细菌菌株。

　　这些合成出来的细菌在药物研发领域拥有巨大的潜力，据此研制出的药物拥有的生物学功能将远超只包含天然氨基酸的蛋白质。这些分子或许也能作为基础元件，制造从工业溶剂到生物燃料在内的任何产品，帮助解决与石油生产和运输有关的经济和环境问题。

　　“这是我们首次制造出一个可用的、拥有多处包含非天然氨基酸的蛋白质的细菌菌株。”王磊说，“尽管这项技术还有改进空间，但这使科学家们在生物工程学领域使用非天然氨基酸几乎就快成为现实了。”

　　19、DNA的第7种和第8种碱基被确定

　　北卡罗来纳大学医学院生物化学和生物物理学教授张毅领导的研究团队在在7月21日出版的《科学》杂志上撰文指出，他们找到了DNA的第7种、第8种碱基，并在人体胚胎干细胞和实验老鼠器官染色体组的DNA中发现了这两个碱基的踪迹。

　　几十年来，科学家们一直认为DNA中只包含有4种碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶，这4种碱基已成为我们对基因代码如何形成生命的认识的基础。然而不久前，科学家们将碱基的数量扩展到了6种(第5种碱基：5-胞嘧啶甲基，第6种碱基：5-胞嘧啶甲基羟基)。现在，科学家又发现了DNA的第7种碱基5-胞嘧啶甲酰(5-formylcytosine)和第8种碱基5-胞嘧啶羧基(5-carboxylcytosine)。最新的这两种碱基实际上都是胞嘧啶经由Tet蛋白修改后得到的“变身”。Tet蛋白是一种分子实体，其在DNA脱甲基过程和干细胞重新编程方面起关键作用。新碱基代表了DNA脱甲基过程中的一个中间状态。它们可能为干细胞重新编程和癌症研究提供非常重要的信息。”

　　20、世界上第一束生物激光问世

　　本质上，激光是一个光放大器，它通过电、化学方法或另一束激光将气体、液体或固体中的原子或分子“激发”到一个更高的能级，而“受激”原子中的一个最终将衰变，释放出一个光子，这个光子将会撞击其他激发态的原子，释放出新的光子。通过在两个镜面之间来回反弹，光子的数量会进一步增多。其中一个镜面只有部分镀银，以便让一些光线能够以典型的聚焦束的形式释放出去。

　　美国波士顿市哈佛医学院的物理学家在一个活体细胞中复制了这一过程——绿色荧光蛋白(GFP)是关键所在。他们在人体肾脏细胞中插入了编码GFP的基因，使细胞合成GFP。随后，他们将一些产生了GFP的细胞置于两面镜子之间——相隔距离仅有约20微米，相当于一个细胞的宽度。

　　为了发出激光，细胞中的GFP需要被另一束激光——约1毫微焦耳的低能蓝光脉冲——所激发。通常情况下，蓝光只能够使GFP在细胞中发出荧光，也就是说，随机向所有方向发光。但是在紧密的光学共振腔内，光线被来回反弹，将GFP的发射放大为一束连贯的绿光。虽然这种激光很微弱，但能被清晰地探测到，而用于生成激光的这个细胞仍然存活。研究人员在6月12日的《自然—光子学》杂志网络版上报告了这一研究成果。

　　生物激光最让人着迷的地方在于，它的来源活体的。在传统类型的激光中，产生激光的介质会随着时间而退化，直至停止工作。然而，对生物激光而言，细胞能够持续合成新的GFP。参加这项研究的科学家说：“我们或许能够制造可自我修复的激光。”

　　21、“太空中存在氧分子”首次得到确认

　　美国每日科学网站8月2日(北京时间)报道，一个国际科研团队利用欧洲航天局的赫歇尔望远镜，在一个恒星新生区附近发现了氧分子，首次确认了氧分子在太空中的存在。

　　NASA喷气推进实验室(JPL)的科学家保罗•哥德史密斯和欧空局的科学家利用赫歇尔望远镜的远红外外差接收机(HIFI)，在猎户座恒星新生区附近发现了氧分子，且氧分子与氢分子的比例是1比100万。

　　氧是太空中第三多的元素，也是我们身处的地球的主要组成部分，在地球的大气、海洋和岩石中无处不在，其对生命本身也具有决定性意义。天文学家猜测，其分子形式也应该大量存在于太空中，他们计划在其他恒星形成区域继续搜寻氧分子。

　　22、火星上的流动水证据首次被发现

　　美国航空航天局的科学家在火星勘测轨道器(Mars Reconnaissance Orbiter)传回的图像上发现，火星的一些山坡上有很多黑色条纹，一直延伸到山坡下方的平原。

　　这些条纹通常在相对温暖的时期出现，围绕着岩石，时分时合。但当冬季来临时，线条则会消失。

　　科学家认为，这些线条可能是流动的咸水，有可能是在地下，随季节发生形态上的变化。盐成分会降低水的凝固点，只要盐浓度与地球上的海水相当，那在夏天的时候，液态水是可以出现在火星上的。

　　不过，科学家也谨慎地表示，这一发现并不能成为火星上有水的直接证据。“凤凰号”曾发现火星上有水冰，但是还从未发现过有流动液体。

　　新一代火星车“好奇号”即将发射，它将去火星寻找火星适宜生命存在的进一步证据(参见《环球科学》2011年第12期《奔赴火星》)。

　　23、距今135亿年的最古老星系现身

　　4月12日，欧洲宇航局宣布，一个国际天文学研究小组最近发现了一个距今135.5亿年的星系，这是已知最古老的星系。这一发现有助于揭开宇宙“黑暗时代”之谜。

　　根据目前科学界普遍认可的大爆炸理论，我们的宇宙是137.5亿年前由一个非常小的点爆炸形成的。随着宇宙的膨胀，大爆炸约38万年后，能量逐渐形成了物质，大量氢气弥散在宇宙中。这时由于没有新的光源产生，宇宙是黑暗的。尽管此后逐渐有恒星、星系诞生，但他们产生的光仍然很暗，并且被弥散在宇宙中的“氢气雾”遮掩，直到10亿年后，星系越来越多，“氢气雾”被它们产生的电磁辐射驱散后，宇宙才开始亮起来。这10亿年被称为宇宙“黑暗时代”。对“黑暗时代”的研究是当今科学前沿课题之一，而发现和研究在“黑暗时代”诞生的恒星和星系是揭开这一时代奥秘的关键。

　　今年1月，由美国科学家牵头的一个国际天文学研究小组也曾在英国《自然》杂志上宣布，利用哈勃太空望远镜发现了最古老星系，它诞生于宇宙大爆炸最初的4.8亿年，而新发现的古老星系则诞生于宇宙大爆炸最初的2亿年，比前者年长2.8亿年。这一星系是由法国里昂大学里昂天文台约翰•理查德领导的研究小组发现的，他们利用美国哈勃太空望远镜和斯皮策太空望远镜发现了该星系，然后利用美国夏威夷凯克天文台的仪器测定了它距地球的距离为128亿光年，这说明该星系至少诞生于128亿年前。对该星系光谱的进一步研究显示，该星系中最早的恒星已有7.5亿年历史，研究人员因此断定该星系诞生于135.5亿年前。这一成果发表在英国《皇家天文学会月刊》上。

　　24、 磁性和超导性首次证实可共处

　　一般情况下，超导材料的导电性为100%，也会排斥周围的任何磁场，但在9月5日出版的《自然•物理学》杂志上，科学家报道了一项让人吃惊的发现。

　　美国斯坦福材料与能源科学研究所(SIMES)、美国能源部下属的斯坦福直线加速器中心和斯坦福大学的科学家将一薄层铝酸镧放置在一个钛酸锶基座上。结果发现，在这两种复合氧化物的接触界面上，原子层变得具有磁性，同时在接近绝对零度的温度下，电流能毫无电阻地流过界面——这表明，该原子层也具有超导性。

　　该研究的负责人、斯坦福直线加速器中心的凯瑟琳•默勒表示，科学家一直希望能找到一种方法，让铝酸镧和钛酸锶等复合氧化物材料具有磁性，以研制出新的计算存储设备。最新研究为科学家们“研制出具有令人惊奇新特性的新材料，以及研究磁性和超导性等在正常情况下不兼容状态之间的相互作用提供了新的可能”。

　　英国剑桥大学的物理学家安德鲁•米勒斯表示，这项研究有望让科学家研制出新的材料类型，具有“可控的、新奇有用的导电性”。尽管要实现这一目标还有很长的路要走，但这项新发现是一个非常关键的里程碑。

　　25、人类祖先在320万年前就已靠双脚行走

　　美国密苏里大学和亚利桑那州立大学人类起源研究所的科学家表示，他们对发掘于埃塞俄比亚哈达尔遗址的南方古猿足骨化石进行分析研究后认为，人类的祖先早在320万年前就开始像现代人一样用双脚行走。

　　南方古猿是否具有完全发育的脚足是两派争论的部分问题。科学家此次发掘和研究的南方古猿足骨的第4根跖骨化石为其存在脚弓提供了强有力的证据，支持了南方古猿具有现代人行走特征的观点。密苏里大学卡萝•沃德认为，脚弓出现在人类进化早期的认识显示，人类独特的脚足结构是人类行走的基础。如果人们能够了解人类进化的目标以及自然选择如何促进人类骨骼的发展，那么现代人骨骼如何工作就能得以深刻认识。人类的脚弓对人类的祖先和现代人同样重要。

　　26、地球历史上最大一次生物灭绝原因揭晓——有毒烟雾云

　　大约2.5亿年前，地球上海洋生命的95%、陆地生命的70%惨遭厄运，科学界称之为“二叠纪灭绝”。这次灭绝究竟是什么原因造成的呢?加拿大自然资源委员会科学家、卡尔加里大学地球科学系客座教授史蒂夫•格拉斯比及其同事在加拿大北极区域的灭绝时代生成的岩石中找到了煤烟灰层，他们认为这个证据可以直接证明他们所解释的大灭绝原因。

　　研究小组对他们所找到的含有特殊有机层的岩石进行了分析，发现岩层中含有大量有机物质，因此立即确认是煤灰层，其与目前发电厂所产生的煤灰别无二致。格拉斯比认为，那次的火山爆发是有史以来地球上最大的一次。大规模的火山爆发导致海量的碳燃烧，并由此产生了大量有毒烟雾云和温室气体。伴随着气温升高，海洋里氧气浓度下降，这些煤灰在当时给地球增加了更多的麻烦。

　　27、无需稀土的强力磁铁问世

　　日本东北大学研究生院等科研机构团体成功开发出一种无需稀土即可获得强磁力磁铁的基础技术。这种“无稀土磁铁”的磁力可与用于混合动力车的发动机和家电的钕磁铁磁力相匹敌，预计2025年前后该技术将走向实用化。这种磁铁主要由铁和氮物质合成，无需从中国进口具有供应风险的钕等稀土矿。这将意味着日本先于其他国家，首次成功合成“强磁性氮化铁”。强磁性氮化铁在大约40年前即被看好，由于纳米合成技术成为可能，该研究取得巨大发展。

　　此次研制成功的强磁性氮化铁所需原料由生产磁性材料的户田工业(位于广岛县)提供，合成技术则由东北大学研究生院的高桥研等教授开发。据悉，该研究作为独立行政法人新能源产业综合开发机构(NEDO)的项目，将得到丰田汽车等的协助，今后共同提高强磁性氮化铁的耐高温性和磁力的持久性。

　　28、基因变异大规模速查技术问世

　　人类染色体组中每个基因都由上千个遗传密码组成，其中一个密码发生改变就可能造成严重疾病，如癌症、囊性纤维化、肌肉萎缩或亨廷顿病等。同样，病毒或细菌中一个微小突变也能产生耐药性，使常规药物失效。即使很小的基因片段都可能有上千种变化，要系统分析它们很难。

　　为了解决这个问题，美国马萨诸塞大学医学院的科学家丹尼尔•玻仑开发了一种名为EMPIRIC的新技术，可在一个试管中人为地让基因产生所有可能产生的突变，然后在同一试管中，对这些可能的突变进行检测、分析，看这些突变会引起什么后果。这种技术为系统鉴定病原体的耐药突变、开发新型疗法和新疫苗提供了一条捷径。新方法还有助于深入理解其他一些生物问题，比如环境压力怎样在基因层面影响进化，何种突变可能引起遗传疾病，如何筛查可能产生具有耐药性的病毒变种等。

　　29、最有说服力的暗物质粒子证据或现身

　　美国科学家称，利用费米伽玛射线空间望远镜，他们已经在银河核心处发现关于暗物质粒子的最有说服力的证据。

　　费米伽玛射线空间望远镜于2008年升空，两年多时间里，它主要扫描了银河系的高能活跃区，即暗物质最倾向聚集之地。通过分析该空间望远镜传回的数据，科学家发现了一种可能是由两个暗物质粒子相撞、湮灭时释放出的伽马射线。费米伽玛射线空间望远镜的扫描区域是银河系核心直径100光年的范围，据推测，这里的暗物质密度可能是银河边缘的10万倍。

　　费米实验室和芝加哥大学宇宙学家丹•霍普表示，除了暗物质以外，研究人员也考虑过观测到的伽马射线来源于其他天文学物质，然而据已掌握的知识，用其他物质还无法恰如其分地解释该现象。

　　尽管这项研究还没得到其他科学家的验证，但费米实验室的天体物理学家克雷格•霍根认为，这是他所知道的第一个能让少量与暗物质有关的证据与简单粒子模型对应起来的研究，值得其他科学家进行下一步跟踪研究。

　　30、量子纠缠态信息首次存入晶体

　　目前的网络通信，信息是通过光脉冲在光纤中传输实现的。传输的信息可存储在计算机硬盘里以备使用。而量子网络与光纤网络的传输原理相似，但传输载体却非使用光脉冲。在量子通信中，也需要存储和提取数据信息。量子网络的一大优势是可以保护信息在传输过程中不被第三方截取。加拿大卡尔加里大学科学家和德国科学家合作首次成功在一种特殊晶体中存入光量子纠缠态的编码信息。该项研究成果是量子网络发展的一个里程碑，有望在不久的将来让量子网络成为现实。

　　研究人员使用了一种掺入稀土离子的晶体，并将其冷冻到零下270℃。在此温度下，晶体材料性质发生变化，使得研究人员可以存储和提取这些量子，而不产生明显的退化究。结果显示，量子所拥有的“纠缠”这种物理性质，并不像我们以前所通常认为的那样“脆弱”。研究人员表示，研制这种记忆存储元件使用的几乎全部是现存的标准制造工艺。他们认为能够与现有技术实现成功嫁接非常重要，这样可使这种基础研究成果尽快进入实际应用。