對(duì)于耗資55億美元方才建成、直到啟動(dòng)日仍麻煩纏身的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(Large Hadron Collider，簡(jiǎn)稱LHC)，希格斯玻色子(Higgs Boson)確實(shí)是來自“上帝”的一個(gè)好消息。這顆在粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型中被最后發(fā)現(xiàn)的粒子，被充滿敬畏地稱為“上帝粒子”——科學(xué)家曾認(rèn)為，它將能夠 解釋物理學(xué)上其他基本粒子何以擁有重量的關(guān)鍵。
12月20日，希格斯玻色子被美國(guó)《科學(xué)》雜志列為本年度最重大科學(xué)突破。緊隨其后，丹尼索瓦人基因組、基因組的精密工程、“好奇”號(hào)火星車的著陸系統(tǒng)等等，同時(shí)進(jìn)入年度十大科學(xué)突破。
毫無疑問，“上帝粒子”的發(fā)現(xiàn)，是2012年最受關(guān)注的科學(xué)進(jìn)展。媒體蜂擁，大眾雀躍，“‘上帝粒子’日快樂?！绷餍袠穲F(tuán)黑眼豆豆的主唱will.i.am在推特上寫到。
此前，研究人員一直在觀測(cè)位于瑞士的世上最大的粒子加速器LHC。就在7月4日，他們宣布發(fā)現(xiàn)了一個(gè)粒子，可能是研究者夢(mèng)寐以求的希格斯玻色 子。粒子物理學(xué)也許是科學(xué)領(lǐng)域中最詳細(xì)和精確的理論，它描述了組成普通物質(zhì)的粒子，但乍一看，這一標(biāo)準(zhǔn)模型似乎是無質(zhì)量粒子的理論。這便是希格斯玻色子的 來源：物理學(xué)家認(rèn)為真空充滿了“希格斯場(chǎng)”，粒子與希格斯場(chǎng)相互作用獲得能量。
假設(shè)在40多年前，對(duì)希格斯玻色子的觀察將使這整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型變得完整?！澳壳懊媾R的唯一問題，是它是否標(biāo)志著粒子物理發(fā)現(xiàn)的新時(shí)代開端，還是該領(lǐng)域順其自然的最后歡呼?！薄犊茖W(xué)》雜志在其刊布的文章中說。
《科學(xué)》選擇希格斯玻色子，更因?yàn)樗谥R(shí)性、技術(shù)性和組織性上獲得的勝利。除了耗費(fèi)巨資制造的27千米長(zhǎng)的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，歐洲粒子物理實(shí)驗(yàn) 室的研究人員還為發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子，制造了25米高、45米長(zhǎng)的ATLAS粒子探測(cè)器，以及重達(dá)12500噸的CMS粒子探測(cè)器。
為了測(cè)試發(fā)現(xiàn)的粒子是否真的是希格斯玻色子，研究人員現(xiàn)在正在計(jì)算它衰變?yōu)槠渌Ｗ咏M合的比率。物理學(xué)家曾在之前做了類似的預(yù)測(cè)。1970年， 當(dāng)時(shí)只有3種夸克是已知的，理論家預(yù)言了第四種的存在，4年后即被發(fā)現(xiàn)。1967年，他們預(yù)言傳遞弱作用力的粒子存在，1983年W玻色子和Z玻色子被發(fā) 現(xiàn)。
“粒子理論家提供了各種預(yù)言竅門。”《科學(xué)》雜志繼續(xù)寫道，“鑒于沒有兩個(gè)星系是完全相同的，而所有的質(zhì)子是相同的。所以當(dāng)碰撞它們時(shí)，物理學(xué) 家無需擔(dān)心這個(gè)質(zhì)子或那個(gè)質(zhì)子的特性，因?yàn)樗鼈兏緵]有特性。”另一些理論家則認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)模型應(yīng)將其預(yù)測(cè)能力歸功于該理論基于數(shù)學(xué)對(duì)稱概念的事實(shí)?！昂?jiǎn)而 言之，對(duì)稱性的觀點(diǎn)是預(yù)測(cè)中強(qiáng)有力的工具?！?/span>
但希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)，標(biāo)志著標(biāo)準(zhǔn)模型中已無預(yù)言可測(cè)試?！八麄冇谐渥愕睦碛烧J(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)模型并不是基礎(chǔ)物理的最終結(jié)果……理論本身證明，希格斯 玻色子和其他粒子之間的相互作用應(yīng)該會(huì)使希格斯玻色子變得非常重。所以物理學(xué)家懷疑，潛伏在真空中的新粒子可能會(huì)抵消這種效果?！?/span>
實(shí)際上，科學(xué)家無法保證在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC或其他可以想象的對(duì)撞機(jī)的工作范圍內(nèi)是否還存在著新的物理成分?！皹?biāo)準(zhǔn)模型可能是所有宇宙內(nèi)部運(yùn)作中大自然愿意透露的全部。希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)是一個(gè)突破。粒子物理學(xué)家未來是否會(huì)再一次獲得類似的突破呢？”
其他九大科學(xué)突破
古代DNA研究的全壘打
兩年前，古遺傳學(xué)家發(fā)布了尼安德特人(Neandertal)的完整核基因組，從而成功入選了“年度突破”的榜單；去年，同一個(gè)實(shí)驗(yàn)室組合出了 5萬年前生活在西伯利亞古老人類——丹尼索瓦人(Denisovan)的基因組，因此再度當(dāng)選。今年，一個(gè)執(zhí)著的博士后——馬蒂亞斯·邁耶 (Matthias Meyer)摸索出了一個(gè)聰明絕頂?shù)男路椒?，這個(gè)方法幫助他的團(tuán)隊(duì)重新審視丹尼索瓦人的DNA，并將其重新排序了31次。他們從這個(gè)生活在丹尼索瓦山洞的 西伯利亞女孩兒身上得到的DNA細(xì)節(jié)，清晰、豐富的程度已經(jīng)不遜于從活人身上提取的DNA。很明顯，科學(xué)家對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)促進(jìn)古代DNA研究的飛速 發(fā)展。
基因組的巡航導(dǎo)彈
今年，基因工程師開始利用一些十分有利用潛力的強(qiáng)大新工具，以便生物學(xué)家在研究從酵母到人類的各種有機(jī)體之時(shí)，可以輕松修改DNA。轉(zhuǎn)錄激活因 子樣效應(yīng)物核酸酶(transcription activator–like effector nucleases，簡(jiǎn)稱TALEN)便是這些工具中的一個(gè)，它可以破壞或改變斑馬魚、爪蟾以及其他牲畜的特定基因。TALEN是一種蛋白質(zhì)，它可以切除 特定位置的DNA，并隨之修復(fù)修改目標(biāo)基因。一組研究人員利用該技術(shù)制造了一只迷你豬，并將其應(yīng)用到心臟病的研究中去。其他人正在忙于修改老鼠、蟋蟀甚至 人類的病變細(xì)胞中。僅僅在幾年前，這些進(jìn)展還都是難以想象的。TALEN相對(duì)于過去所用的鋅指蛋白(zinc finger protein)更加便于使用，成本也更低。而同時(shí)，還有另一種利用細(xì)菌細(xì)胞里的CRISPR效應(yīng)酶蛋白Cas9因子的新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，如今的工程師們對(duì) 該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展前景十分看好，他們正在對(duì)其進(jìn)行細(xì)菌之外的嘗試，或許它有一天可以取代鋅指蛋白與TALEN，成為核基因組工程技術(shù)的新霸主。
中微子物理學(xué)的大門被開啟
有時(shí)，結(jié)果之所以重要，并不一定是因?yàn)樗碇录耐杲Y(jié)。今年，物理學(xué)家測(cè)量出了中微子在以近乎光速的速度進(jìn)行變幻莫測(cè)的相互轉(zhuǎn)換過程中的最 后一個(gè)參數(shù)。結(jié)果表明，在未來的幾十年里，中微子物理學(xué)將會(huì)像每一位物理學(xué)家所預(yù)想過的那樣，變得繁復(fù)起來。甚至對(duì)于解答類似“包含了如此多物質(zhì)與如此之 少的反物質(zhì)的宇宙是如何演變的”這種問題，它都有可能提供幫助。
基因之外的基因組
今年，一項(xiàng)耗時(shí)十年之久、耗資288萬美元、發(fā)表論文30余篇的研究，表明了人類的基因組從生化的角度來看，著實(shí)是一個(gè)相當(dāng)繁華之地。這項(xiàng)被稱 為DNA元素百科全書計(jì)劃(ENCODE)的工作，以人類基因組計(jì)劃(Human Genome Project)為基礎(chǔ)，旨在標(biāo)出人類基因組中所有的功能元素。該計(jì)劃已經(jīng)進(jìn)行了9年，獲得了迄今最詳細(xì)的人類基因組分析數(shù)據(jù)，譯解了我們DNA堿基的序 列，發(fā)現(xiàn)只有2%不到的堿基定義著基因。
馴服恐怖火星
它看起來像一場(chǎng)有待發(fā)生的墜毀事故，但新的“天空起重機(jī)”著陸系統(tǒng)專為發(fā)送“好奇號(hào)”(Curiosity)而設(shè)計(jì)。好奇號(hào)在太平洋夏令時(shí)8月 5日成功著陸于火星赤道附近的蓋爾撞擊坑(Gale Crater)，盡管火星的條件使得工程師從頭至尾都無法檢測(cè)好奇號(hào)的“進(jìn)入減速著陸系統(tǒng)”(entry, descent, and landing，EDL)，但它的表現(xiàn)仍舊堪稱完美。
X射線首次分析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)
一百年前的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，通過晶體彈射的X射線可以揭示晶體的原子足度結(jié)構(gòu)(atomic-scale structure)。今年，在科學(xué)家使用X射線激光以分析一種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)之時(shí)，首次運(yùn)用了“X射線的衍射”，將X射線使用到了登峰造極的程度。這一進(jìn) 展使得X射線激光在研究蛋白質(zhì)中的應(yīng)用史無前例地進(jìn)入到了傳統(tǒng)X射線所不能及的領(lǐng)域。
賽博人類不再遙遠(yuǎn)
在賓夕法尼亞州的研究人員報(bào)告說，一名由于一種遺傳性神經(jīng)變性狀況而導(dǎo)致高位截癱的53歲女子，已經(jīng)學(xué)會(huì)了通過她的想法操縱一個(gè)機(jī)器手臂。醫(yī)生 通過手術(shù)在她的大腦內(nèi)植入了兩個(gè)4×4毫米的網(wǎng)格，細(xì)如發(fā)絲的電極從負(fù)責(zé)手部動(dòng)作的區(qū)域捕捉信號(hào)。一臺(tái)計(jì)算機(jī)將這些信號(hào)翻譯成控制機(jī)器手臂的指令，機(jī)器手 臂的運(yùn)用幾乎可以媲美真實(shí)的手臂。
馬約拉納費(fèi)米子，掀起你的蓋頭來
納米科技不只是一個(gè)時(shí)髦的流行語而已，它已經(jīng)制造了價(jià)值數(shù)十億美元的產(chǎn)品，其中包括更優(yōu)質(zhì)的電池和棒球棍。今年，在該領(lǐng)域的研究人員又賦予了其另一種不同的價(jià)值：他們的首個(gè)可能是粒子的發(fā)現(xiàn)，馬約拉納費(fèi)米子(Majorana fermions)。
不過，目前的量子比特技術(shù)實(shí)在太難計(jì)算。溫度或其他外界最輕微的影響都會(huì)抹掉一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的量子比特所存儲(chǔ)的信息。理論計(jì)算表明，馬約拉納費(fèi)米子即 使在受到外部力量的沖擊時(shí)，都能夠“記住”量子態(tài)。所以，現(xiàn)在的荷蘭科研團(tuán)隊(duì)以及其他的科學(xué)家都十分希望證實(shí)這個(gè)理論，如果該理論被證實(shí)的話，納米科技大 概很快就有吹牛的資本了。
干細(xì)胞里造卵子
研究人員在實(shí)驗(yàn)室中制造卵細(xì)胞的嘗試已經(jīng)超過了10年。今年，他們又朝著這一目標(biāo)邁出了重要一步：實(shí)驗(yàn)室里老鼠生下的幼鼠，首次由胚胎干細(xì)胞 (ES細(xì)胞)轉(zhuǎn)化而來的卵子孕育而成。該項(xiàng)技術(shù)由日本研究人員開發(fā)，目前在育熟卵細(xì)胞之時(shí)仍舊需要一個(gè)老鼠提供母體，因此它還沒有達(dá)到它的最終目標(biāo)：完全 在體外獲得卵細(xì)胞。但這項(xiàng)技術(shù)確實(shí)表明，ES細(xì)胞可以轉(zhuǎn)化為可育的卵母細(xì)胞，它為科學(xué)家們提供了一種方法，以了解這些復(fù)雜強(qiáng)大的細(xì)胞是如何發(fā)展的。
