2016十大科技事件

孫敏

時光飛逝，2016年已經成為過去，那些國內外科技圈我們一起見證過的大事件，你都還記得嗎？

最大單口徑射電望遠鏡“巨眼觀天”

2016年9月25日，有著超級“天眼”之稱的500米口徑球面射電望遠鏡（簡稱FAST），在貴州省平塘縣的喀斯特洼坑中落成，開始接收來自宇宙深處的電磁波。它是世界上最大的單口徑射電天文望遠鏡，標志著中國在科學前沿實現(xiàn)了重大原創(chuàng)突破。

如果說高分衛(wèi)星（高分辨率對地觀測衛(wèi)星）是“天眼”觀地，那么射電望遠鏡就是“巨眼”觀天。FAST突破了射電望遠鏡的百米極限，它擁有30個足球場大的接收面積。與號稱“地面最大機器”的德國波恩望遠鏡相比，靈敏度提高了10倍。它將在未來20-30年保持世界一流設備的地位。

對科學家們來說，F(xiàn)AST具有極其重大的科學意義。這個超級望遠鏡就像一只龐大而靈敏的“耳朵”，它將可能搜尋到更多的奇異天體，用以觀測脈沖星，探索宇宙起源和演化、暗物質和暗能量、星系與銀河系的演化等，甚至還可以搜索星際通訊信號，開展對地外文明和外星人的探索。

新型材料崛起

新材料確實可以改變世界。我們用青銅器時代、鐵器時代來稱呼歷史時期是有道理的?；炷?、不銹鋼和硅的發(fā)明讓我們進入了現(xiàn)代。現(xiàn)在，工程師們正將材料科學帶入一個全新的維度：第二維度，它們擁有幾乎無限的潛能。通過將三維原子聚集成二維網格，研究人員正從看似平淡無奇的元素身上發(fā)現(xiàn)神奇的尚未開發(fā)的潛力。這些二維材料每種都具有令人振奮的性能，而且不同的二維材料還可以像堆積木一樣組合起來，構造更多的新型材料。

二維革命始于10多年前石墨烯的發(fā)現(xiàn)。石墨烯比鋼鐵的強度還高200倍，比鉆石還硬，而且?guī)缀跏鞘澜缟献钶p的東西。它透明、柔性，卻是性能優(yōu)異的導體。碳原子以網格狀相連，就像鐵絲網圍欄。除了水蒸氣以外，幾乎任何東西都無法穿透它，而水蒸氣則可以在石墨烯的分子網格間自由穿梭。將石墨烯轉化為實際設備一直是一項挑戰(zhàn)，但眾多科研團隊已經在某些領域接近成功，包括超高密度計算機閃存、寬帶輻射探測器以及精密醫(yī)學成像工具。

二維材料家族中已經出現(xiàn)了這些新成員：排列成格子狀的單層或數(shù)層碳原子（石墨烯）、硼原子（硼烯）、六方氮化硼（白石墨烯）、鍺原子（鍺烯）、硅原子（硅烯）、磷原子（磷烯）和錫原子（錫烯）。硅和磷尤其適合制作原子級晶體管，可能會為人們帶來速度極快、續(xù)航持久、可彎曲的電子產品。

一旦新材料投入使用，毒性總是一個值得關注的問題，小心謹慎總是沒錯的。對于石墨烯歷時10年毒性的研究尚未發(fā)現(xiàn)它對人體健康或是環(huán)境有什么不良影響。不過這方面的研究還在繼續(xù)。

二維材料的發(fā)明為技術人員打開了一個強大的工具魔盒。這每一種超薄化合物材料都具有獨特的光學、物理學和電學性質。科學家和工程師正興奮地將它們進行混合配對，用來創(chuàng)造針對各種功能優(yōu)化的新型定制材料。鋼和硅是20世紀工業(yè)化的基石，但和這些二維材料相比，它們就顯得十分笨重和原始了。

從航天大國到航天強國

2016年，中國航天發(fā)射年度數(shù)量首次突破20次。對中國航天而言，2016注定載入史冊。4月6日，中國首顆微重力科學實驗衛(wèi)星——實踐十號返回式科學實驗衛(wèi)星成功發(fā)射。6月25日，長征七號運載火箭再次發(fā)射成功。8月16日，世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空。9月15日，天宮二號空間實驗室在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功。10月17日，神舟十一號載人飛船成功發(fā)射。10月19日，神舟十一號飛船與天宮二號自動交會對接成功。神舟十一號飛船乘載兩名航天員，在太空駐留33天后，于11月18日下午順利返回著陸。12月22日，長征二號丁運載火箭成功將中國首顆全球二氧化碳監(jiān)測科學實驗衛(wèi)星（簡稱“碳衛(wèi)星”或“嗅碳衛(wèi)星”）發(fā)射升空。該衛(wèi)星的成功研制和后續(xù)在軌穩(wěn)定運行，將使中國初步形成針對全球、中國及其他重點地區(qū)大氣二氧化碳濃度的監(jiān)測能力。這一系列碩果，都在彰顯著中國2016年在航天領域的種種突破。在此過程中，科研人員突破了多項關鍵技術，實現(xiàn)了技術跨越發(fā)展。

從1956年起步到2016年，中國航天從無到有、從小到大。酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心是中國目前唯一的載人航天發(fā)射場，自建成以來共發(fā)射了十艘神舟飛船、104顆衛(wèi)星、一個目標飛行器和一個空間實驗室。這些航天發(fā)射成就是在近60年的時間跨度內完成的，中國在2016年一年的發(fā)射量就占到1/5，而且2016年的發(fā)射還包括長征七號新型運載火箭首發(fā)、世界首枚量子科學衛(wèi)星的發(fā)射以及首次發(fā)射的大火箭長征五號等重要項目。中國航天發(fā)射進入密集期是一個穩(wěn)步前進后的客觀結果，并不是為了與人競爭故意加快發(fā)射密度。中國航天工程，尤其在載人航天方面，每一步走得都很堅實。2016年，中國航天人交出的成績單，格外耀眼。

“腦機交互技術”重現(xiàn)超能力

美國國防部先進研究項目局于2016年1月19日在官網稱，他們正在開展“神經工程系統(tǒng)設計”的研究項目，該項目旨在研發(fā)一種可植入人體的神經接口，能夠使人類大腦直接與電腦連接。這種神經接口將扮演“翻譯官”的角色，可以在大腦神經元的電化學語言與電子信息技術語言0和1之間轉化。近日，《自然》旗下的綜合性科學期刊《科學報告》（Scientific Reports）發(fā)表了來自明尼蘇達大學的突破性研究，用“腦機交互技術”（Brain-computer interface）來建立人與外界設備的橋梁。這項研究首創(chuàng)了“非侵入式腦接口技術”——實驗人員無需在腦中植入硬件，僅需戴一個充當腦電波記錄儀的帽子，即可僅靠“意念”控制復雜的器械，如使用機械臂抓取物體等。曾經的腦機交互技術有顯而易見的缺點，如在受試者的腦中植入電極等硬件是十分有風險的，這還會引發(fā)感染。非侵入式的設備則避免了這一問題。它不但可以避免這樣的風險，還可節(jié)省外科手術的費用，讓腦接口技術的實現(xiàn)更為廉價和方便。

在2016年之前，腦機交互技術主要應用于醫(yī)療領域。比如，癱瘓病人可以用該技術控制電子假肢。但是，最近腦機交互技術沖出了醫(yī)療領域，進軍到了普通消費品市場。利用腦機交互技術，可以獲取到很多現(xiàn)在無法得到的駕駛員信息，而這些信息如果能夠傳遞給汽車，那么駕駛的體驗將會得到很大的提升。比如汽車可以監(jiān)控駕駛員是否昏昏欲睡、是否注意力集中、是否處于不良情緒中等等。當汽車感知到駕駛員的疲勞時，可以自動發(fā)出警報、開啟收音機、搖下車窗甚至是自動停車。或者汽車感知到駕駛員處于暴怒情緒時，就會自動調整速度。類似的潛在應用還有很多。未來，想要實現(xiàn)這個“高大上”的目標，還需要在神經科學、合成生物學、低功耗電子、光子學、醫(yī)療器械制造等多個領域實現(xiàn)共同突破。

無人駕駛加速發(fā)展

據統(tǒng)計，全球每年有120萬人死于車禍，而90%以上的事故都是人為失誤造成。那么，如果全部使用自動駕駛汽車，幾乎“零失誤”的智能系統(tǒng)能減少車禍的發(fā)生率嗎？從旁觀者的角度看，如果人類司機做出一個夸張的緊急閃避操作，那么這會是粗心大意的行為。但如果是一輛訓練有素的人工智能汽車，它可以通過眾多實時傳感器接受信息，那么它的反應將媲美任何一名專業(yè)保鏢，保障我們的人身安全。

2016年是無人駕駛汽車高速發(fā)展的一年。特斯拉增加了一款性能增強、完全自動駕駛的車型。另外，優(yōu)步在美國匹茲堡也開始使用無人駕駛汽車載客的試行。但無人駕駛汽車的發(fā)展之路也并不是順暢無阻的，比如，谷歌的無人駕駛車在2016年就發(fā)生了一次小事故。最嚴重的是一輛自動駕駛模式下的特斯拉發(fā)生交通事故，導致車主喪生，又把無人駕駛技術推上了風口浪尖。

無人駕駛依靠人工智能、視覺計算、雷達、監(jiān)控裝置和全球定位系統(tǒng)協(xié)同合作，讓電腦可以在沒有任何人類主動的操作下，自動安全地操作機動車輛。通過組合使用雷達、超聲傳感器、數(shù)碼攝像頭、陀螺儀設備已可以實現(xiàn)比人類感官更快更準的信息獲取能力，通過采用微型控制計算機和電子伺服器，已可以實現(xiàn)比人類四肢更強的驅動力和更加精準的操縱精度，還能讓駕駛者解放雙手。

這種駕駛方式的轉變將會改變人車關系，上班、出差、自駕游將會變得更加容易，也更安全。自動駕駛很是誘人，試過一次便難以忘懷，我們對它滿懷期待?，F(xiàn)在，我們已經看到了自動駕駛時代的曙光，但是，要到達那里，我們還要克服重重阻礙。

SpaceX曲折中前進，只為上火星

2016年4月，美國太空探索技術公司（Space X）的火箭成功在海洋中的漂浮無人船上著陸，創(chuàng)造了回收火箭的歷史。這非常酷，也非常重要。因為在移動平臺上著陸將讓Space X回收和重新利用火箭推進器變得更容易，同時也將削減太空發(fā)射30%的成本。5月6日，Space X再次成功海上回收獵鷹9號火箭，這是該公司第三次、海上第二次成功回收一級火箭。這意味著現(xiàn)在Space X已經能充分證明其具備在陸地和海上回收火箭的能力，并能重復這一過程。此次火箭發(fā)射后不久，Space X就發(fā)布消息確認獵鷹9號不僅完美回收，并成功將衛(wèi)星部署到了正確軌道。這意味著Space X又創(chuàng)造了一項歷史——首次實現(xiàn)地球同步轉移軌道火箭回收。

7月18日，Space X成功實現(xiàn)第二次陸上回收火箭。與在海上平臺成功降落相比，這次回收的難度要加大許多。因為那次是向國際空間站運送物資，國際空間站距地面高度大約是250英里。而這次衛(wèi)星的目標距地面高度大約為22300英里（當然還有二級火箭接力）。火箭上升速度越快，返回地球的速度也將更快，幾乎達到6馬赫（1馬赫即1倍音速，即1225千米/小時），火箭表面溫度更高（溫度高到快使火箭融化的程度）?；厥针y度前所未有，幾乎所有的人都預估這次回收將以火箭爆炸而收場，以至于CEO馬斯克在火箭在平臺上停穩(wěn)的第一時間，在推特上發(fā)布的首條消息只有一串英文字母woooooooooooooooooh！長出一口出氣，終于如釋重負。

然而9月1日，獵鷹9號火箭在進行靜態(tài)點火測試時爆炸，令Space X被迫推遲火星探索計劃，“載人龍飛船”的首次載人飛行被推遲到2018年5月。Space X的火箭雖爆炸了，但它依然走在人類科技探索的最頂端。

量子魅力大爆發(fā)

量子來自拉丁語quantum，意為“有多少”，代表“相當數(shù)量的某物質”。在物理學中，指一個不可分割的基本個體，物理量是某個最小單位的整數(shù)倍，不能出現(xiàn)這個最小單位的分數(shù)倍，而且這個單位也不能再分。量子科學家的本領在于，可以對量子糾纏進行某種意義的“控制”，甚至異地“控制”。這種“控制”，能夠讓我們去想象很多不敢想的事。比如，超級計算和加密通訊。

2016年的量子好戲已經上演，由中國科學院院士潘建偉擔任首席科學家的中國首顆量子科學實驗衛(wèi)星，于2016年8月16日凌晨在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心由長征二號丁運載火箭發(fā)射至高度為500公里的預定軌道，衛(wèi)星有效載荷包括量子糾纏源、量子糾纏發(fā)射機、量子密鑰通信機和量子實驗控制與處理機，將共同完成糾纏光子的生成、發(fā)送、地面通信以及實驗控制。

同時，地面建設有四個量子通信地面站（南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站）和一個空間量子隱形傳態(tài)實驗站（阿里量子隱形傳態(tài)實驗平臺），在中國科學技術大學的量子科學實驗衛(wèi)星控制中心的指揮和調度下，完成四項重要的科學實驗：星地高速量子密鑰分發(fā)實驗、廣域量子通信網絡實驗、星地量子糾纏分發(fā)實驗、地星量子隱形傳態(tài)實驗。這意味著一個天地一體化的量子通信網絡的雛形已經形成，驗證了技術上的可行性，為設計量子計算和保密量子通訊為一體的量子系統(tǒng)奠定了基礎。

基因編輯技術重塑世界

2016年，基因編輯（CRISPR）技術仍然是關注的焦點。簡單地說，CRISPR就是一把能夠剪斷DNA分子的“分子剪刀”。如果我們把入侵的病毒DNA剪斷，就能實現(xiàn)自我保護。與傳統(tǒng)的限制性內切酶相比，CRISPR技術最重要的特點是它更靈活，相當于一個“可調的分子剪刀”。如果把傳統(tǒng)的限制性內切酶比作一把鑰匙，CRISPR系統(tǒng)就是一把萬能鑰匙。這一強大的基因編輯技術給生物界帶來了巨大沖擊。不同于其他的基因編輯技術，它廉價、快捷且使用方便，由此席卷了世界各地的實驗室。

CRISPR的基因剪輯技術擁有掀起醫(yī)學革命的潛力，研究人員希望能夠利用它來校正人類基因以消除疾病，構建出生命力更強的植物，消滅病原體，以及將之應用于更廣泛的領域。它可能為世界帶來定制嬰兒，甚至可能終結全球饑餓。CRISPR這種由細菌中發(fā)現(xiàn)的機制讓科學家能夠以空前的準確度對基因進行剪切和復制。研發(fā)這一技術的科學家被認為是爭奪2017年諾貝爾獎的熱門人選。

CRISPR技術提出3年來，已經被全球成千上萬的科學家采用。他們已經利用這項技術創(chuàng)造出肌肉含量超高的比格犬“大力士”和器官可移植人體的“萬能豬”。這種技術運作極快，從前可能耗費數(shù)年時間的創(chuàng)新研究如今幾個月內即可完成。因此，CRISPR的初創(chuàng)公司在2016年也成為資本的新寵。盡管從被發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在的時間并不長，目前還存在專利糾紛，但卻不影響CRISPR技術的影響力和應用范圍呈現(xiàn)井噴式增長。雖然距離首批產品（例如沒有角的奶牛和低致敏性花生）真正投放市場還需要幾年時間，但2016年已經成為基因編輯改造生命的開始。

圍棋“人機大戰(zhàn)”，“阿爾法狗”贏了

“機器學習”（Machine Learning）這個詞火了很久，不過2016年，作為人類的我們可能會真正謙虛地“拜其為師”。圍棋起源于中國，兩個選手在矩形格子上交替下黑子和白子，目標是在比賽結束時比對方占領更多的地盤。在19×19的棋盤上，每一步皆有250種走法，這250種走法中，接下來的每一步又將有250種可能的走法。在象棋領域人類面對電腦已無優(yōu)勢后，圍棋甚至被冠以“人類智慧最后高地”的名號。此前，最成功的圍棋計算機程序能達到業(yè)余人類選手的程度，還不能和專業(yè)選手在不讓子的情況下一較高下。

2016年3月9-15日，谷歌機器人“阿爾法狗”（AlphaGo）挑戰(zhàn)圍棋冠軍九段棋手李世石，人類與機器兩種不同的智慧形式再次短兵相接。在這場備受關注的人機圍棋比賽中，李世石雖被寄予厚望，但“阿爾法狗”表現(xiàn)出來的“高智商”讓人驚嘆，最終“阿爾法狗”以4：1的總比分戰(zhàn)勝李世石。“阿爾法狗”之所以能夠成功，在于模仿了人類的思考方式和學習能力，而不是單純依賴于海量的計算。以深度學習（Deep Learning）為基礎的人工智能發(fā)展如此迅猛，令人刮目相看。

2016年，人工智能領域都沉浸在“阿爾法狗”勝利的氣氛中，這是人工智能歷史上的重大時刻。雖然人類輸給了電腦，卻也是人類的偉大勝利。未來，我們可能會越來越多地向人工智能學習，這會深深影響我們對教育和培訓的思維方式，促成人類和機器學習的共同進步。

人類探測到引力波，見證跨越13億年的旅行

北京時間2016年2月11日晚11點30分，美國“激光干涉引力波天文臺”（LIGO）面向全世界宣布，人類首次直接探測到引力波，并首次觀測到雙黑洞的碰撞與合并。

LIGO系統(tǒng)由相距1865英里（約3000公里）的兩個完全相同的探測器組成。每個探測器包含兩個長度為4公里的L形真空管，科學家們通過真空管來發(fā)射激光束。每束激光到達真空管末端后，會被鏡面反射，并沿相反路線返回。在同等條件下，兩束激光應該在完全相同的時間抵達源頭，由于干涉作用，光線不會抵達光電探測器。而一旦有引力波穿過探測器，根據愛因斯坦100年前的預測，會使兩個真空管中的空間出現(xiàn)極其微小的拉伸與壓縮，從而破壞了原有的完美平衡，使光線外泄到光電探測器上。

位于利文斯頓的探測器首先傳出撞擊聲，7毫秒后，漢福德的探測器也傳出撞擊聲。這意味著有引力波傳到了地球，并被兩個探測器探測到。LIGO項目組稱，基于觀測到的信號，此次探測到的引力波是由兩個黑洞合并引發(fā)的。兩顆黑洞的初始質量分別為29顆太陽和36顆太陽，合并成了一顆62倍太陽質量高速旋轉的黑洞，虧損質量以強大引力波的形式釋放到宇宙空間，經過13億年的漫長旅行，終于抵達了地球，被美國LIGO的兩臺孿生引力波探測器探測到。

引力波的發(fā)現(xiàn)證實了愛因斯坦100年前所做的預測，并讓我們得以用嶄新的方式來看待這個世界。引力波是愛因斯坦廣義相對論所預言的一種以光速傳播的時空波動，能夠讓我們回望宇宙大爆炸最初瞬間，檢驗宇宙大爆炸理論的正確與否。