窮天人之際解科學之謎——2010年重菜梯保養大科技突破解讀

11月19日進行首次結構測試的美國“追夢者”航天飛機預計2014年能把遊客送至國際空間站。
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一款可以代替所有手指的仿生手今年4月誕生。
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2010年,很多國傢把科技創新作為應對當前世界經濟面臨重大挑戰的關鍵。通過科研人員的不懈努力,生物技術、粒子物理、信息技術、航空航天等各領域碩果累累,其中大型強子對撞機成功對撞、首例人造細胞誕生等重大突破,“意義堪比上世紀的原子彈爆炸”。

探索世紀之謎——

大型強子對撞機成功對撞

3月30日,歐洲大型強子對撞機成功實施瞭總能量達7萬億電子伏特的質子束流對撞,這意味著人類在探索宇宙的奧秘方面取得重要進展。諾貝爾物理學獎獲得者李政道指出,21世紀科學的最大謎題是解釋暗物質和暗能量。宇宙中暗物質和暗能量佔97%之多,而人類已經認識的常規物質和能量隻佔3%。暗物質的構成和普通物質不同。暗能量更是奇妙,它可以使物質的質量全部消失,完全轉化為能量。因此,對暗物質和暗能量的研究,將給21世紀科學研究帶來意想不到的重大發現。而大型強子對撞機的成功對撞有助於人類理解暗物質的構成。

這臺目前世界最大、能量最高的粒子加速器主要包括:一個圓周為27公裡長的地下圓形隧道﹔隧道中有兩條由超導磁鐵包覆的質子束加速管﹔4個碰撞點及其附近的偏向磁鐵和聚焦磁鐵,5臺大型探測器。它的主要任務就是尋找希格斯玻色子,解釋質量的起源。

眾所周知,宇宙中所有普通物質都是由原子構成的,而原子是由質子和中子組成的核子,及繞著核子運動的電子構成的。質子和中子又都是由誇克組成的。上世紀60年代英國物理學傢希格斯推斷,存在一個質量之源,它是誇克等粒子獲得質量的基礎。這就是希格斯玻色子。大型強子對撞機通過將兩束質子分別加速到極高能量狀態並使之對撞,使其接近宇宙大爆炸後不久的狀態,產生的瞬間高溫是太陽內部溫度的10萬倍。科學傢們希望在這種狀態下能夠發現希格斯玻色子。

如果能揭示質量的起源,更多的宇宙奧秘將隨之解開。這是牛頓未完成的工作。屆時,人類將可能合成反物質,甚至合成微型黑洞。反物質擁有令人難以置信的力量,僅僅一小塊反物質的能量就可以與幾百萬噸當量的核彈相提並論。它將解決人類面臨的能源危機,並且成為太空旅行和星際旅行的首選燃料。對撞機實驗還可能發現高能粒子束與雲的形成的關系,人們將來也許能通過控制宇宙射線來改變氣候。

“人造生命”現身——

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生命的構成永遠是人類面臨的最大謎團。美國生物學傢克雷格·文特爾5月份宣佈,在實驗室中制造出世界首個人造生命細胞。英國《經濟學傢》雜志認為此成果堪比上世紀的原子彈爆炸。以文特爾為首的科研團隊把生物支原體作為研究對象,在分析自然基因組的脫氧核糖核酸序列、研究其基因結構和相互關系的基礎上,用計算機設計出相似但不同的一個新基因組,然後將該基因組插入到山羊支原體的細胞中。這一人工合成的基因組替換瞭原來的自然支原體基因組,“接管”瞭細胞的所有活動,不但存活並能不斷繁殖。

文特爾說:“這是世界上第一個人造細胞。我們稱它為‘人造兒’,因為這個細胞完全來自於合成的染色體,是用4瓶化學物質在一個化學合成器中制造出來的。這是地球上第一個父母是電腦、卻可以進行自我復制的物種。”這項歷時15年、耗資4000萬美元的科研成果,是生命科學史上一個裡程碑。自20世紀70年代以來,科學傢已經人工合成瞭各種有機組織。但把基因組整體移植,將一種微生物轉化為另一種微生物,這在科研史上還是第一次。它將在多方面改變醫學和生命科學,對人類社會產生重大影響。

生物進化用瞭幾十億年時間,而現在的設計與合成則把生物進化的時間大大縮短瞭。“人造兒”為今後人造微生物的應用研究鋪平瞭道路。通過對現有生物系統的分析和研究,完全可以重新設計、制造新的生物系統。21世紀人類所面臨的種種問題,如資源耗竭、氣候變暖等,或許能由人造微生物來解決。例如,運用專門的人造生物,將二氧化碳轉化為甲烷。這樣的新能源生產方式將取代傳統的以石油為中心的化石能源工業體系。科學傢還可以制造出環境友好型“人造生命”,監測土壤、工廠、河流、海洋和大氣中的污染,並分解這些污染物。

超算格局改變——

中國超級計算機奪魁

2010年全球超級計算機500強排行榜11月在美國新奧爾良會議中心正式揭曉,由中國國防科學技術大學研制的“天河一號”二期系統超級計算機排名第一,美國橡樹嶺國傢實驗室的“美洲虎”和中國曙光公司研制的“星雲”緊隨其後,其他排名前10強的超級計算機分別屬於日本、法國、德國和美國。在此次世界500強超級計算機中,中國有5部超算系統躋身前100名,並至少有40部入圍前500名。在前10強和前500強中,美國超級計算機都佔據瞭半壁江山。

早在上世紀90年代美國就提出瞭研制千萬億次巨型計算機的目標,但直到2007年才實現。2009年中國首臺千萬億次超級計算機“天河一號”一期系統誕生,成為繼美國之後世界上第二個能夠研制千萬億次超級計算機的國傢。“天河一號”二期系統由140個機櫃組成,總重量約160噸。它採用瞭14396顆英特爾處理器,7168塊英偉達高性能計算卡。此次測試中,“天河一號”以峰值速度4700萬億次、持續速度2566萬億次每秒浮點運算的優異性能位居世界第一。

超級計算機500強排行榜主要編撰人之一、美國田納西大學計算機學教授傑克·唐加拉評價說,“中國的大學基於自己的技術研制出瞭‘天河一號’,其中的互聯技術令人非常感興趣”。雖然“天河一號”二期系統的處理器仍主要採用美國產品,但其互聯芯片已全部替換為中國自主研制的產品。互聯芯片主要涉及處理器之間的信息流動,對於超級計算機的整體性能起到關鍵作用。“天河一號”的互聯芯片具有世界最先進的水平。

超級計算機是“計算機領域的珠穆朗瑪峰”,代表著世界信息技術的戰略制高點,它能有力推動國傢科技創新能力的提升,是一個國傢科技發展水平和綜合國力的重要標志。作為國傢超級計算天津中心的業務主機,“天河一號”已在石油勘探、高端裝備研制、生物醫藥、動漫設計、工程設計與仿真分析、氣象預報、遙感數據處理、金融風險分析等方面獲得成功應用,為20多傢用戶單位提供瞭高性能計算服務。
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