2013，那些激動人心的科學發現

量子反常霍爾效應,這是中國科學家從實驗上獨立觀測到的一個重要物理效應，也是世界基礎研究領域的一項重要科學發現。

　　隱藏在南極冰層之下的中微子捕手

植物在光合作用過程中產生的能量是否可以用來為汽車提供動力呢？這一想法似乎遙遠，事實上，它可以為未來汽車設計提供靈感。

　　旅行者號想象圖

2013年有許多振奮人心的消息傳來：實驗中首次發現量子反常霍爾效應，南極冰立方捕捉到來自外太空的中微子，第115號元素存在又添新證據，旅行者1號進入星際空間……

年終歲尾，我們盤點曾經報道過的重大科學發現，重溫那激動人心的時刻，共享收獲的喜悅。

2013年3月 量子反常霍爾效應

“第一次發表諾獎級別物理論文”

3月15日，《科學》雜志在線發文，宣布由清華大學教授薛其坤領銜、清華大學物理系和中科院物理所聯合組成的實驗團隊從實驗上首次發現量子反常霍爾效應。這是中國科學家從實驗上獨立觀測到的一個重要物理效應，也是世界基礎研究領域的一項重要科學發現。物理學家、諾貝爾獎得主楊振寧更是直言不諱地將這一成果稱為“這是第一次從中國實驗室里發表的諾貝爾獎級的物理學論文”。

對普通人而言，“量子反常霍爾效應”并不僅是一個讓人云里霧里的科學名詞，它還意味著某種科幻小說般的未來生活：若這項發現能投入應用，超級計算機將有可能成為iPad大小的掌上筆記本，智能手機內存也許會超過目前最先進產品的上千倍，除了超長待機時間，還將擁有當代人無法想象的快速。

“我們正在努力提高觀測量子反常霍爾效應這一物理現象的溫度。希望能從原來的零下273攝氏度提升至零下269攝氏度。”薛其坤在接受科技日報記者采訪時表示。半年多來，他們一直在為量子反常霍爾效應進一步深入研究和應用奮斗著。薛其坤說：“零下269攝氏度是氦氣的液化溫度，是一個標志性溫度。比如醫院的CT工作時就是這個溫度。如果能實現這一目標，將為應用打下良好的基礎。”

2013年11月 南極冰立方

“這是中微子天文學的開始”

11月底， 就在嫦娥三號成功發射的幾天前，一項宇宙射線研究有了最新結果，被稱為“冰立方（IceCube）”的中微子探測器首次探測到來自外太空的中微子。

在分析了2010年5月至2012年5月“冰立方”收集的數據后，科學家發現了28個高能中微子，其能量都超過30萬億電子伏特。這是自1987年以來，科學家們首次捕獲到來自太陽系外的中微子。

微中子是一種神秘的高能粒子，是宇宙內最劇烈的撞擊產物，并被認為是研究宇宙射線的突破口。

研究人員表示，“冰立方”為我們打開了宇宙的一個新窗口。這一發現為進行新型天文學研究鋪平了道路，我們可以利用探測器探測銀河系以及銀河系以外的遙遠區域。

研究報告的作者之一、阿德萊德大學的加里·希爾博士稱：“這是我們發現的第一個堅實證據，證明我們探測到來自太陽系以外‘宇宙加速器’的高能微中子。”

“我敢打賭，從現在開始的20年里，我們將回顧并說，‘是啊，這是中微子天文學的開始’。”美國夏威夷大學的John Learned說。

為了找到宇宙中微子，冰立方探測器研究團隊——來自12個國家的276位成員，將部分極地冰轉入一個粒子探測器。他們從冰上融出許多洞，并放入86行光探測器，每個的深度約為1450—2450米。撞擊冰的一個中微子能觸發帶電粒子崩塌，輻射出光線。光線量能揭示出中微子的能量；探測器被激發的模式和順序則揭示出它們的方向。

2013年8月 第115號元素

元素周期表可能迎來新成員

8月，美國《物理評論通訊》雜志刊登研究報告稱，科學家找到第115號元素存在的新證據，如獲認可，元素周期表將迎來新成員。

這一實驗是在德國GSI亥姆霍茲研究中心進行的。科學家用含有20個質子的鈣離子撞擊含有95個質子的镅元素，合成115號元素。不過，第115號元素并沒有存在很長時間，幾乎立即衰變成更小的原子，同時釋放出光子和阿爾法粒子。對光子能量水平的測量結果顯示，這種新原子的X射線輻射水平與預計中的第115號元素相同。

北京大學化學與分子工程學院教授王穎霞，在接受科技日報記者采訪時表示，按照原子核外電子排布規律，這一新元素位于化學元素周期表中第 7周期、第15族，是氮族的一個新成員，排在鉍的下面，為金屬元素。

2004年，俄羅斯和美國的科學家曾宣稱發現115號元素。不過，國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）和國際純粹與應用物理聯合會（IUPAP）組成的聯合工作組經過評估，于2011年表示缺乏足夠證據加以證明。現在，聯合工作組要再次對新元素進行評估，如果承認新元素，還將為它命名。

1869年，俄國化學家門捷列夫按照相對原子質量由小到大排列，將化學性質相似的元素放在同一縱行，編制出第一張元素周期表。隨著科技的發展，元素周期表不斷得到完善。這張表揭示了物質世界的秘密，把一些看來似乎互不相關的元素統一起來，組成了一個完整的自然體系，為人類認識自然提供了一把刻度精準的尺子。

序號在92以后的重元素在自然界中難以穩定存在，只能人工合成（93和94號元素在自然界有極少量存在）。近年來，科學家合成了一系列超重元素，第115號元素的兩個近鄰，第114號和第116號元素已經于去年正式成為元素周期表的新成員。

人們還能合成出什么元素，周期表是否存在盡頭，王穎霞表示，目前還難有定論。

2013年2月 梨基因組測序

注釋4.2萬個基因，為育種提速

今年2月，“The genome of pear（梨的基因組） (Pyrus bretschneideri Rehd.)” 研究成果在國際基因組研究的權威刊物《Genome Research》（《基因組研究》）上正式發表。

人類開始進行基因組學研究，短短二十幾年間已完成了許多物種的基因組圖譜繪制。僅就水果而言，繼2007年葡萄、2008年番木瓜、2010年蘋果和2011年草莓的基因組公開發表，2012年5月梨的基因組精細圖譜也由南京農業大學梨工程技術研究中心張紹鈴教授學術團隊牽頭領銜完成。

這是全球首個梨基因組及其基因遺傳密碼的成功解密，該研究不僅為進一步解析梨的包括產量、品種等在內的重要農藝性狀提供良好的基因數據平臺，同時也將為指導和培育高產、優質和抗病的梨新品種奠定堅實的遺傳學基礎。科學家已經注釋了梨的4.2萬個基因，這些基因遺傳信息為快速實現基因克隆和功能研究提供了充足的數據資源。

梨基因組計劃的第一執行人吳俊教授說：“在未知基因組的情況下研究就像是瞎子摸象，靠直覺、靠運氣，不能做到高瞻遠矚地去設計科研和開展育種。在梨基因組精細圖譜測序成功之前的科研是：當其他植物上發現了一個基因，我們就看看梨上有沒有類似基因，再看看有什么功能，所以以往的研究多是跟著別人走，沒有太大的創新，而現在則摸清楚了家底。”

2013年6月 氫能制備

向光合作用“學習”

植物在光合作用過程中產生的能量是否可以用來為汽車提供動力呢？這一想法似乎遙遠，事實上，它可以為未來汽車設計提供靈感。這確實是一個迷人的想法。

6月，一則仿光合作用研發出造氫新方法的新聞成為人們關注焦點。在《自然化學》雜志上刊登的一篇論文中概述了英國格拉斯哥大學的科學家，如何重現在不同時間和不同物理位置，植物通過太陽能把水分子分解成氫和氧的方法。據了解，他們受到植物光合作用的啟發，采用電子耦合的質子緩沖（ECPB）方法成功從水中分離出氫氣和氧氣。研究人員稱，這套系統可以在工業規模上生產氫氣，比目前的方法成本低且安全。有專家表示，這個“重要”發現的來臨，為解決全球能源問題提供了一個潛在的解決方案。

實際上，模仿植物光合作用從水中分解氫并不是第一次出現。在今年年初就有媒體曾報道，美國麻省理工學院在美國國家科學院期刊發表了以人造光合作用技術為基礎的永續性科技藍圖，為新一代節能技術建立了基準，并列舉了建立以人造光合作用為基礎的永續性“氫經濟” 所需的技術研發成果。

相比之下，這次研究的亮點突出在哪兒？中國科學院化學研究所張純喜博士說：“這項研究是一個電化學方面的工作，其亮點是發現一個能夠同時接受電子和質子的穩定中間體，它能夠有效接受電解水釋放的電子和質子，從而將電解水的氧氣釋放和氫氣釋放在空間和時間上更有效地分開。”

張純喜告訴科技日報記者，水電解制氫是目前應用較廣且成熟的方法，但由于耗電大，用常規電制氫，從能量利用而言得不償失。“如何利用太陽能產生電能或氫能才是今后模仿光合作用的核心。”

“伴隨人類社會的能源危機和環境污染的日益加劇，這方面的研究被越來越多的科學工作者所關注，各國政府對該領域的研究也投入了大量的人力和物力，人們期待能夠模仿植物的光合作用，直接利用地球上廣泛存在的太陽光和水，產生電能或氫能，從而從根本上解決人類社會的能源和環境問題。”張純喜說。

2013年9月 旅行者1號

品嘗太陽系外的味道

北京時間9月13日凌晨，美國航空航天局在官網宣布：美國旅行者1號正式成為第一個進入星際空間的人造物體。“旅行者”項目首席科學家斯通說，“‘旅行者’已經離開太陽風層，在宇宙海洋各恒星間遨游。”

目前根據人類科學能夠達到的程度，科學家普遍認為判斷空間探測器是否飛出太陽系要滿足3個條件：一是接收到的太陽系外宇宙射線數量急劇增加，而源自太陽的高能粒子數量明顯下降；二是太陽風大幅減速，并且能探測到星際風的行蹤；三是探測到磁場方向發生變化。“目前，旅行者1號所處空間環境已經滿足前兩個條件，它所接收的宇宙射線比以往增加了2倍，所接收的太陽輻射的高能粒子卻只有以前的1%，但探測器的磁力計還未發現磁場方向的偏轉。”航天專家龐之浩在接受科技日報記者采訪時說，“美國航空航天局之所以認為旅行者1號還沒有飛出太陽系就是因為這個條件還沒有滿足。但是旅行者1號確實已經到達太陽系的邊緣了。”

盡管旅行者1號仍在太陽系內，“但它還是很有希望飛出太陽系的”。龐之浩說，目前旅行者1號使用的電源可以讓它工作到2025年，而且受惠于幾次的引力加速，使得旅行者1號的飛行速度比其他任何人造太空飛行器都要快，達到了約每秒17公里，這個速度甚至超過了目前正飛往冥王星的新地平線號冥王星探測器的速度，已經達到第三宇宙速度，所以它很有希望飛出太陽系，而且可能會成為第一個飛出太陽系的人造探測器。

北京時間12月10日消息，美國生活科學網站報道，在星際空間邊界以外，遙遠的旅行者1號宇宙飛船于今年早期回叫了地球，夾雜著新環境里的噪音。的確，太空的虛無并不會傳遞聲音——沒有氣體或者其它物質傳輸聲波——但旅行者宇宙飛船監測的信號可以以人耳能夠聽到的頻率播放。記者 王婷婷