美《科學新聞》盤點2012年25大科學故事

　　①希格斯粒子的發現有助于對物質的理解

　　2012年過去了，但美國《科學新聞》雜志的編輯們并沒有忘記那些曾讓他們夜不能寐的科學故事。

　　在這份年度最佳科學新聞榜單上，前兩個故事曾讓小編們通宵達旦地加過班：2012年7月4日凌晨，他們在網上收看視頻直播，那一邊在日內瓦，物理學家們正在舉行發布會，宣布發現了科學家們夢寐以求的希格斯玻色子；接下來的一個月中，小編們又熬了個通宵，這次則是美國國家航空航天局（NASA）的“好奇號”探測器于8月6日一早（美國東部時間）登陸火星。

　　當然，也有一些奪走小編美夢的故事，則是因為它們的可怕影響。2012年6月，研究人員在兩份爭議性論文中描述道，禽流感病毒非常容易發生突變，以使其能夠通過空氣傳播。如果全球流感大流行還不足以讓小編們睜眼到天亮，那么剩下的就只有氣候變暖了，氣候變暖已從一個遙遠未來的理論問題，變成明確和現實的危險。一些最新研究將今年創紀錄的熱浪和干旱與人類活動造成的氣候變暖掛上了鉤；2012年9月，北冰洋的海冰覆蓋面積已創下史上最小紀錄，比此前的紀錄減少了近20%。

　　不只是焦慮和恐懼讓小編們輾轉反側。其他故事之所以能夠登上榜單，是因為它們讓小編們昏昏欲睡的腦袋中充滿了令人著迷的問題：我們很快就能去在半人馬座阿爾法星系發現的、離我們只有幾光年遠的星球參觀訪問嗎？是什么導致了人類與尼安德特人相遇并交配，這個奇特親戚的DNA（脫氧核糖核酸）在現代人的基因中已經終結了嗎？

　　這里只有一個故事似乎不值得小編們為此損失他們的睡眠。盡管考古學已提出相反的證據，但一些現代神秘主義者仍然聲稱，古老的瑪雅預言將在2012年12月21日準時到來。不過，現在可以肯定的是，我們已安然度過這個“世界末日”。

　　為一場物理學講座召集滿滿一屋子人已經夠難的，更別說通宵排隊了。但在2012年7月3日晚上，位于日內瓦附近的歐核中心（CERN）主禮堂外，科學家們卻犧牲自己的寶貴睡眠排起了長隊。他們的目標只有一個，那就是搶一個席位，準備親耳聆聽美國加州大學粒子物理學家喬·因坎德拉宣布這些年來最重大的一則物理學新聞。

　　第二天早上9時，主禮堂內水泄不通，因坎德拉以成堆的圖形圖表開始演說。他解釋說，數據中的光點代表質子束在CERN龐大的粒子對撞機中與另一個相撞時會發生什么情形。這個數據中埋藏著的一個光點，代表著科學家們多年來一直在苦苦追尋的亞原子——希格斯玻色子。

　　因坎德拉沒有讓人失望，他告訴焦急的觀眾：“我們已經看到了，它是比較明顯的。”他點擊到下一張幻燈片，光點變大了。它就是希格斯粒子。房間里爆發出熱烈的掌聲。

　　在許多方面，CERN的那一刻達到了數十年科學追問的頂峰。發現希格斯粒子意味著物理學家們終于可以成功地解釋為什么宇宙看起來會是現在這幅模樣。他們基于亞原子尺度的宇宙框架終于得以圓滿。

　　現在，大多數科學家認為，有了希格斯粒子的存在，他們就能開始描繪未知的領域，從空間和時間的額外維度到數量巨大的伴隨著已知粒子的各種神秘粒子。

　　希格斯粒子是重要的，因為它有助于解釋質量。它以及與之密切相關的希格斯場是宇宙在大爆炸后沒有保留海量無質量粒子的原因所在。

　　宇宙誕生后僅僅幾納秒，一個滲透到所有空間的場就開啟了，這就是希格斯場。突然之間，周圍呼嘯而過的某些粒子撞上了希格斯場，如彈珠滾過蜂蜜般放慢了速度。這種減速賦予其質量。一旦它們有了質量，并能適當地結合在一起，這些粒子就能凝聚成原子和分子，從而形成從恒星到人類的一切事物。

　　但僅有某些粒子能減速，像光子這樣的其他粒子，可順利地通過希格斯場，因此仍然沒有質量。

　　所以，難怪物理學家花了這么長的時間來追尋希格斯粒子。但是，科學家們無法直接指認希格斯場，他們只能通過檢測希格斯玻色子來推斷它的存在。玻色子是一種與力緊密相關的粒子類型，希格斯玻色子也與希格斯場相伴相生。

　　在宇宙大爆炸140億年后的今天，觀察希格斯玻色子的唯一途徑，就是在粒子加速器中通過高能撞擊產生一個這樣的粒子。幾十年來，沒有人能擁有足夠強大的機器來生成所需的能量。

　　美國費米實驗室的粒子加速器Tevatron進行過嘗試。根據愛因斯坦方程“E=MC2”，能量和質量是可以互換的。以足夠高的能量，或者說以接近光速轟擊兩個粒子，就可能造成更大質量粒子的出現。

　　Tevatron實驗幫助科學家縮小了希格斯粒子可能擁有的質量范圍，但它仍沒有讓CERN的大型強子對撞機松上一口氣。每萬億次的質子碰撞，也許只有一次能創建出罕見的、不穩定的希格斯粒子，因為它能迅速衰變為其他類型的粒子。

　　從500萬億次質子碰撞的碎片煙霧中，兩個探測器都曾獨立地發現了希格斯粒子衰變的跡象。通過對粒子碎片進行逆向作業，科學家們計算出希格斯粒子大約擁有133個質子的質量。

　　為了證實自己看到了真正的希格斯粒子衰變，CERN的物理學家們制定了嚴格的統計標準。他們采用了5西格瑪標準差，亦即每350萬個機會中僅存一個統計誤差。在CERN公布結果的那一刻，兩臺希格斯粒子探測器均獨立地達到了5西格瑪水平，此后統計強度得到增加，現在兩個探測器均已在6到7西格瑪之間。

　　目前的理論可預測希格斯粒子的一個非常具體的行為，但CERN發現的粒子是否符合這些行為特征尚未明確。新發現的粒子，或許只是希格斯粒子的一個近親，而不是同卵雙胞胎。科學家們幾乎每天都在arXiv.org論壇上提交自己的論文，以探求一個非標準模型希格斯粒子可能意味著什么。

　　來自ATLAS（超環面儀器）項目組的最新結果發現，新粒子在質量以及衰變為雙光子的速率等屬性上與粒子物理學標準模型的預測有一定偏差——新粒子的質量比以其衰變為Z玻色子來計算要多大約3GeV（1GeV=10億電子伏特）。這使得新粒子為“上帝粒子”的身份依舊存疑。

　　如果真是這樣，物理學家們需要新的理論來研究這是怎么回事。這可能需要數年時間：他們的最佳工具——大型強子對撞機，預計于2013年年初關閉，升級時間將長達兩年。但它重新歸來時，其能量也會增加一半。這個能量足以使物理學家們從數種希格斯粒子的可能性中加以識別。也許最終的結果甚至變成不是一種，而是許多種希格斯粒子，每一種都擁有不同的質量。

　　火力全開的大型強子對撞機也許還能回答到目前為止對撞機最大的謎團：為什么尋找超對稱粒子的實驗迄今一無所獲。超對稱理論可以解釋為什么希格斯玻色子的質量不是無限的。超對稱也可能意味著，希格斯粒子本身也有其自己的大量超對稱粒子。擁有更高能量，或可讓大型強子對撞機探測到這些充滿無限希望的粒子。

　　美國費米國家實驗室的物理學家羅布·羅瑟說：“這不是故事的結局，而是科學新篇章的開始。”

 

　　②“好奇號”登陸火星

　　一直受困于預算削減和航天飛機時代結束的NASA，在2012年8月總算打了一劑強心針。在美國加州帕薩迪納的噴氣推進實驗室中，NASA的宇航任務指揮員們目睹了最新的“星際使者”安全降落火星的全過程。“好奇號”登陸紅色星球，迅即點燃了空間科學愛好者的熱情，數百萬人在網上見證了這一壯舉。

　　火星車的著陸過程，包括高超音速降落傘打開，然后在反推力火箭作用下下降，空中吊臂用尼龍纜繩將火星車降至紅色星球表面。NASA噴氣推進實驗室將這一過程稱為“恐怖的七分鐘”。火星車的著陸由NASA電視網全程直播，2012年8月6日凌晨1:30火星車踏上火星土地的那一刻，在紐約時代廣場大屏幕前觀看直播的觀眾發出了陣陣歡呼。

　　美國總統奧巴馬在給指揮中心的電話中，稱贊科研團隊正在超越地球探索廣闊無垠的未知世界，他們是“美國知識和匠心”的最佳典范。

　　在開拓性的旅程完成后，“好奇號”現在已開始實施它的首要任務：尋找火星上過去或是現在對生命友好的環境。

　　項目科學家約翰·格勒青格說：“我們想要做的就是開始尋找宜居環境的特征。”任務的主要內容包括尋找有機碳及可給遠古時代火星微生物供能的能量來源。2012年9月，火星車傳回的證據表明，水曾經流過蓋爾環形山的表面。在其完成的首次土壤分析中，“好奇號”發現了有機化合物，但這些有機化合物到底是起源于火星還是由火星車自己帶來的還有待甄別。

　　現在，火星車正在去往埃俄利斯·蒙斯山的途中，該山由數十億年的沉積物堆積而成，峰高約5500米。最終，“好奇號”會爬上這座山，并讀取記錄在火星巖石層中的悠悠歷史。

　　格勒青格表示：“宜居問題并不只是觀察火星上有沒有水那么簡單，要以更詳盡的細節來重建當時的化學環境，要問問微生物是否可以一直存活在這樣的地方。”

　　一個隨車攜帶的“化學攝像機”（ChemCam）可對散落在火星表面的巖石成分進行分析。測量結果可對早期火星是否溫暖、潮濕和能承載生命提供重要的線索。

　　“好奇號”的調查由在軌宇宙飛船進行監測，宇宙飛船傳回的火星車空降到火星表面的影像，展現了噴射的背殼和被反向火箭燒焦的塵土。火星車也會發回“家庭明信片”，某些是自畫像，另一些則是其捕捉到的特別熟悉而又完全不同的火山口景觀。

　　但是，最好的圖片應來自“好奇號”降落階段拍攝的視頻。隨著航天器隔熱罩的脫落，火星車腹部攝像機拍攝的視頻，跟蹤到了擺動、急降直到著陸的全過程，火星砂的揚起則是代表火星車著陸的最佳標志。

 

　　③禽流感論文備受爭議

　　禽流感研究人員2012年曾自愿暫停了一項被認為對大眾太過危險的研究工作。但此項禁令僅維持了短短60天時間，隨著年底的到來，研究又開始死灰復燃。科學家們一直在為這些研究的意義爭論不休，因為這些技術一旦落入不法分子手中，可能會傳播致命的疾病。

　　研究之所以被中止，是因為在兩項頗具爭議的研究中，科學家們創造了H5N1禽流感病毒的變異版本。與原始病毒不同的是，新設計的病毒可通過空氣在雪貂間傳播，而雪貂在流感研究中通常作為人類的替身出現。美國政府的一個咨詢小組認為，這些研究的危險性在于，恐怖分子可能會利用研究中的信息，創建和發動一場致命的流感瘟疫。

　　在這些研究中，兩個研究團隊在實驗室中首先將H5N1病毒從一只雪貂傳送到另一只雪貂，直到將之誘變成新的病毒變種，并可自動在雪貂間傳播，此時這些動物會表現出打噴嚏或咳嗽癥狀。最初，由于這些病毒兼具傳染性和致命性兩大特點，美國政府的咨詢小組建議，這兩篇論文都不許發表。但這一裁決在2012年3月份發生了逆轉，兩篇論文在當年6月份都得以面世，一篇發表在《自然》上，另一篇發表在《科學》上。

　　是否允許出版的決定，最終落在了荷蘭伊拉茲馬斯醫學中心羅恩·傅希耶實驗室已感染空氣傳播病毒的雪貂能否存活上。自薛定諤貓以來，也許還沒有一頭動物的命運如此地引人關注。

　　在咨詢小組的23名成員中，大部分人的結論是，因為雪貂還活著，變異病毒并未構成直接威脅。這些研究人員還認為，這兩篇論文的發表給公共衛生官員提供了一個工具，使他們能夠更迅速地發現新興流行病，并加快疫苗和抗病毒藥物的研發。

　　但咨詢小組中的6名成員投下了否決票。他們認為，美國威斯康星大學河岡義裕研究小組的論文并不構成即時危險；但傅希耶的工作存在被濫用的可能性。咨詢小組成員建議，傅希耶的研究成果如果要發表，只能提供節選版本，除了該病毒能在空氣中傳播的內容外，幾乎刪除了一切。

　　流感病毒工作的復雜性決定了，希望從流感病毒創造出生物武器的任何人都需要專門的培訓。但是，擁有能創造空氣傳播的致命禽流感病毒技能的任何人，可在不了解這兩個小組研究成果的情況下創建他們自己的禽流感病毒。流感已成為幾乎失控的沉重武器。

　　出于對這兩篇論文的憂慮，美國政府修改了其對雙重用途研究（基礎研究可被用于邪惡用途）的政策。2月，美國國家生物安全科學委員會提出了對從事這些工作的研究人員強化行為規范的方法。

　　包括傅希耶和河岡義裕在內的39名流感研究人員提出了暫停此類研究的倡議，并禁止那些使H5N1病毒更易傳播，或增加其致病力（功能增益實驗）的工作。科學家、公共衛生官員、安全專家和其他人員對此類研究不斷地進行激烈爭論。2012年夏天，美國政府提出了無限期中止的禁令。

　　作為《生物工藝學》雜志的編輯，紐約阿爾伯特·愛因斯坦醫學院的微生物學家阿圖羅·卡薩德瓦利受托編輯了一系列關于H5N1研究的文章。傅希耶、河岡義裕及其同事在該雜志上辯稱，此類研究應該繼續向前走，因為它會產生禽流感如何適應哺乳動物及如何遏制其傳播的寶貴知識。也有其他研究人員加入了這場辯論，稱應對實驗室中的病毒加以控制，并采取安全措施。

　　“我們必須要向科學家們問一個他們還沒有真正回答的問題，”卡薩德瓦利說，“我們從功能增益實驗得到的信息是研究向前發展的關鍵嗎？如果是的話，我們還能以任何其他方式得到這樣的信息嗎？”

 

　　④一名大腦植入芯片的癱瘓婦女用意念控制機器手臂端起了一杯咖啡并喝了一口

　　配備上仿生學眼睛、手臂、腿和上世紀70年代的頭發，經典電視連續劇《無敵金剛》中的主角史蒂夫·奧斯汀成了世界上首個仿生人，這些植入物使他如虎添翼，追回被盜原子武器，與外星人戰斗并保護遇險的密碼破譯者。如今，現實生活已在開始追趕無敵金剛的腳步。2012年的仿生學突破之一就是，一名癱瘓婦女完成了自己的超人壯舉：利用植入的大腦芯片，她用意念控制機器手臂端起了一杯咖啡，并通過一根吸管長長地、滿意地啜了一口咖啡，這是近15年來她自己從來沒有做過的行為。

　　在突破性的一啜后，因為中風而癱瘓多年的凱茜·哈欽森莞爾一笑，然后大笑起來。滿屋子的科學家們報以熱烈的掌聲。

　　“我們正在進入一個非常激動人心的領域，我們可以開發各種非常復雜的技術，其在生物醫學上具有實際應用價值，并能提高人們的生活質量。”瑞士聯邦理工學院的生物工程學家格里高利·庫爾蒂納說，“這是一場革命。”

　　無論實驗室內還是實驗室外，今年是義肢部件表現最為搶眼的一年。在倫敦舉行的奧運會和殘奧會上，殘疾運動員利用高科技炭素刀片馳騁百米賽場，利用微處理器控制的C腿平衡力投擲標槍。坐在輪椅里的人利用電池供電的機器人套裝使其下肢處于良好狀態。在一次摩托車事故中失去右腿的一名年輕男子，用意念控制下肢，爬上了美國芝加哥威利斯大廈的103級臺階。雖然這項技術目前仍處于開發階段，成本之高也令許多潛在用戶望而卻步，但一些仿生部件已開始走出實驗室，并首次進入臨床。

　　稱為“大腦之門”的腦機接口允許哈欽森利用她的意念來指揮機器手臂，這是數十年研究結出的碩果。20世紀60年代的猴子實驗，首次將手臂動作與腦部特殊神經元的激活聯系起來。2008年，科學家報告說，一個意念控制的義肢可讓猴子給自己喂食。

　　另一個新的假體則可讓那些患有黃斑變性或視網膜色素變性的人恢復部分視力。在歐洲市場現有的視網膜假體中，能滑入眼睛后面的芯片可與電線和線圈一起植入眼部。目前正在大鼠體內進行測試的這個新的視網膜植入體，僅需在視網膜下方植入纖細的光電芯片。該硬件的其余部分可納入一個帶有微型視頻攝像頭的高科技護目鏡，它將把信息發送到一臺智能手機大小的便攜式計算機。護目鏡片內的激光器接著將影像投射到眼睛，光電芯片再把信號發送給大腦。

　　庫爾蒂納團隊的工作預示了一種不同類型的科幻般未來——一個人將不再需要仿生學。他們的研究顯示了根本不用義肢就能恢復四肢功能的潛力。對脊髓進行藥物和電擊治療，再輔以在跑步機上的物理治療，因脊髓損傷而癱瘓的大鼠數周后恢復了行走、奔跑能力，甚至還能爬上樓梯。但不只是技術使這一壯舉成為可能，研究表明，還有一種叫動機的無形東西也很重要。那些沒有進行過誘惑治療的大鼠從來就學不會走路，但當研究人員用巧克力誘惑大鼠時，奇跡就發生了。