2013，那些激动人心的科学发现

量子反常霍尔效应,这是中国科学家从实验上独立观测到的一个重要物理效应，也是世界基础研究领域的一项重要科学发现。

　　隐藏在南极冰层之下的中微子捕手

植物在光合作用过程中产生的能量是否可以用来为汽车提供动力呢？这一想法似乎遥远，事实上，它可以为未来汽车设计提供灵感。

　　旅行者号想象图

2013年有许多振奋人心的消息传来：实验中首次发现量子反常霍尔效应，南极冰立方捕捉到来自外太空的中微子，第115号元素存在又添新证据，旅行者1号进入星际空间……

年终岁尾，我们盘点曾经报道过的重大科学发现，重温那激动人心的时刻，共享收获的喜悦。

2013年3月 量子反常霍尔效应

“第一次发表诺奖级别物理论文”

3月15日，《科学》杂志在线发文，宣布由清华大学教授薛其坤领衔、清华大学物理系和中科院物理所联合组成的实验团队从实验上首次发现量子反常霍尔效应。这是中国科学家从实验上独立观测到的一个重要物理效应，也是世界基础研究领域的一项重要科学发现。物理学家、诺贝尔奖得主杨振宁更是直言不讳地将这一成果称为“这是第一次从中国实验室里发表的诺贝尔奖级的物理学论文”。

对普通人而言，“量子反常霍尔效应”并不仅是一个让人云里雾里的科学名词，它还意味着某种科幻小说般的未来生活：若这项发现能投入应用，超级计算机将有可能成为iPad大小的掌上笔记本，智能手机内存也许会超过目前最先进产品的上千倍，除了超长待机时间，还将拥有当代人无法想象的快速。

“我们正在努力提高观测量子反常霍尔效应这一物理现象的温度。希望能从原来的零下273摄氏度提升至零下269摄氏度。”薛其坤在接受科技日报记者采访时表示。半年多来，他们一直在为量子反常霍尔效应进一步深入研究和应用奋斗着。薛其坤说：“零下269摄氏度是氦气的液化温度，是一个标志性温度。比如医院的CT工作时就是这个温度。如果能实现这一目标，将为应用打下良好的基础。”

2013年11月 南极冰立方

“这是中微子天文学的开始”

11月底， 就在嫦娥三号成功发射的几天前，一项宇宙射线研究有了最新结果，被称为“冰立方（IceCube）”的中微子探测器首次探测到来自外太空的中微子。

在分析了2010年5月至2012年5月“冰立方”收集的数据后，科学家发现了28个高能中微子，其能量都超过30万亿电子伏特。这是自1987年以来，科学家们首次捕获到来自太阳系外的中微子。

微中子是一种神秘的高能粒子，是宇宙内最剧烈的撞击产物，并被认为是研究宇宙射线的突破口。

研究人员表示，“冰立方”为我们打开了宇宙的一个新窗口。这一发现为进行新型天文学研究铺平了道路，我们可以利用探测器探测银河系以及银河系以外的遥远区域。

研究报告的作者之一、阿德莱德大学的加里·希尔博士称：“这是我们发现的第一个坚实证据，证明我们探测到来自太阳系以外‘宇宙加速器’的高能微中子。”

“我敢打赌，从现在开始的20年里，我们将回顾并说，‘是啊，这是中微子天文学的开始’。”美国夏威夷大学的John Learned说。

为了找到宇宙中微子，冰立方探测器研究团队——来自12个国家的276位成员，将部分极地冰转入一个粒子探测器。他们从冰上融出许多洞，并放入86行光探测器，每个的深度约为1450—2450米。撞击冰的一个中微子能触发带电粒子崩塌，辐射出光线。光线量能揭示出中微子的能量；探测器被激发的模式和顺序则揭示出它们的方向。

2013年8月 第115号元素

元素周期表可能迎来新成员

8月，美国《物理评论通讯》杂志刊登研究报告称，科学家找到第115号元素存在的新证据，如获认可，元素周期表将迎来新成员。

这一实验是在德国GSI亥姆霍兹研究中心进行的。科学家用含有20个质子的钙离子撞击含有95个质子的镅元素，合成115号元素。不过，第115号元素并没有存在很长时间，几乎立即衰变成更小的原子，同时释放出光子和阿尔法粒子。对光子能量水平的测量结果显示，这种新原子的X射线辐射水平与预计中的第115号元素相同。

北京大学化学与分子工程学院教授王颖霞，在接受科技日报记者采访时表示，按照原子核外电子排布规律，这一新元素位于化学元素周期表中第 7周期、第15族，是氮族的一个新成员，排在铋的下面，为金属元素。

2004年，俄罗斯和美国的科学家曾宣称发现115号元素。不过，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）和国际纯粹与应用物理联合会（IUPAP）组成的联合工作组经过评估，于2011年表示缺乏足够证据加以证明。现在，联合工作组要再次对新元素进行评估，如果承认新元素，还将为它命名。

1869年，俄国化学家门捷列夫按照相对原子质量由小到大排列，将化学性质相似的元素放在同一纵行，编制出第一张元素周期表。随着科技的发展，元素周期表不断得到完善。这张表揭示了物质世界的秘密，把一些看来似乎互不相关的元素统一起来，组成了一个完整的自然体系，为人类认识自然提供了一把刻度精准的尺子。

序号在92以后的重元素在自然界中难以稳定存在，只能人工合成（93和94号元素在自然界有极少量存在）。近年来，科学家合成了一系列超重元素，第115号元素的两个近邻，第114号和第116号元素已经于去年正式成为元素周期表的新成员。

人们还能合成出什么元素，周期表是否存在尽头，王颖霞表示，目前还难有定论。

2013年2月 梨基因组测序

注释4.2万个基因，为育种提速

今年2月，“The genome of pear（梨的基因组） (Pyrus bretschneideri Rehd.)” 研究成果在国际基因组研究的权威刊物《Genome Research》（《基因组研究》）上正式发表。

人类开始进行基因组学研究，短短二十几年间已完成了许多物种的基因组图谱绘制。仅就水果而言，继2007年葡萄、2008年番木瓜、2010年苹果和2011年草莓的基因组公开发表，2012年5月梨的基因组精细图谱也由南京农业大学梨工程技术研究中心张绍铃教授学术团队牵头领衔完成。

这是全球首个梨基因组及其基因遗传密码的成功解密，该研究不仅为进一步解析梨的包括产量、品种等在内的重要农艺性状提供良好的基因数据平台，同时也将为指导和培育高产、优质和抗病的梨新品种奠定坚实的遗传学基础。科学家已经注释了梨的4.2万个基因，这些基因遗传信息为快速实现基因克隆和功能研究提供了充足的数据资源。

梨基因组计划的第一执行人吴俊教授说：“在未知基因组的情况下研究就像是瞎子摸象，靠直觉、靠运气，不能做到高瞻远瞩地去设计科研和开展育种。在梨基因组精细图谱测序成功之前的科研是：当其他植物上发现了一个基因，我们就看看梨上有没有类似基因，再看看有什么功能，所以以往的研究多是跟着别人走，没有太大的创新，而现在则摸清楚了家底。”

2013年6月 氢能制备

向光合作用“学习”

植物在光合作用过程中产生的能量是否可以用来为汽车提供动力呢？这一想法似乎遥远，事实上，它可以为未来汽车设计提供灵感。这确实是一个迷人的想法。

6月，一则仿光合作用研发出造氢新方法的新闻成为人们关注焦点。在《自然化学》杂志上刊登的一篇论文中概述了英国格拉斯哥大学的科学家，如何重现在不同时间和不同物理位置，植物通过太阳能把水分子分解成氢和氧的方法。据了解，他们受到植物光合作用的启发，采用电子耦合的质子缓冲（ECPB）方法成功从水中分离出氢气和氧气。研究人员称，这套系统可以在工业规模上生产氢气，比目前的方法成本低且安全。有专家表示，这个“重要”发现的来临，为解决全球能源问题提供了一个潜在的解决方案。

实际上，模仿植物光合作用从水中分解氢并不是第一次出现。在今年年初就有媒体曾报道，美国麻省理工学院在美国国家科学院期刊发表了以人造光合作用技术为基础的永续性科技蓝图，为新一代节能技术建立了基准，并列举了建立以人造光合作用为基础的永续性“氢经济” 所需的技术研发成果。

相比之下，这次研究的亮点突出在哪儿？中国科学院化学研究所张纯喜博士说：“这项研究是一个电化学方面的工作，其亮点是发现一个能够同时接受电子和质子的稳定中间体，它能够有效接受电解水释放的电子和质子，从而将电解水的氧气释放和氢气释放在空间和时间上更有效地分开。”

张纯喜告诉科技日报记者，水电解制氢是目前应用较广且成熟的方法，但由于耗电大，用常规电制氢，从能量利用而言得不偿失。“如何利用太阳能产生电能或氢能才是今后模仿光合作用的核心。”

“伴随人类社会的能源危机和环境污染的日益加剧，这方面的研究被越来越多的科学工作者所关注，各国政府对该领域的研究也投入了大量的人力和物力，人们期待能够模仿植物的光合作用，直接利用地球上广泛存在的太阳光和水，产生电能或氢能，从而从根本上解决人类社会的能源和环境问题。”张纯喜说。

2013年9月 旅行者1号

品尝太阳系外的味道

北京时间9月13日凌晨，美国航空航天局在官网宣布：美国旅行者1号正式成为第一个进入星际空间的人造物体。“旅行者”项目首席科学家斯通说，“‘旅行者’已经离开太阳风层，在宇宙海洋各恒星间遨游。”

目前根据人类科学能够达到的程度，科学家普遍认为判断空间探测器是否飞出太阳系要满足3个条件：一是接收到的太阳系外宇宙射线数量急剧增加，而源自太阳的高能粒子数量明显下降；二是太阳风大幅减速，并且能探测到星际风的行踪；三是探测到磁场方向发生变化。“目前，旅行者1号所处空间环境已经满足前两个条件，它所接收的宇宙射线比以往增加了2倍，所接收的太阳辐射的高能粒子却只有以前的1%，但探测器的磁力计还未发现磁场方向的偏转。”航天专家庞之浩在接受科技日报记者采访时说，“美国航空航天局之所以认为旅行者1号还没有飞出太阳系就是因为这个条件还没有满足。但是旅行者1号确实已经到达太阳系的边缘了。”

尽管旅行者1号仍在太阳系内，“但它还是很有希望飞出太阳系的”。庞之浩说，目前旅行者1号使用的电源可以让它工作到2025年，而且受惠于几次的引力加速，使得旅行者1号的飞行速度比其他任何人造太空飞行器都要快，达到了约每秒17公里，这个速度甚至超过了目前正飞往冥王星的新地平线号冥王星探测器的速度，已经达到第三宇宙速度，所以它很有希望飞出太阳系，而且可能会成为第一个飞出太阳系的人造探测器。

北京时间12月10日消息，美国生活科学网站报道，在星际空间边界以外，遥远的旅行者1号宇宙飞船于今年早期回叫了地球，夹杂着新环境里的噪音。的确，太空的虚无并不会传递声音——没有气体或者其它物质传输声波——但旅行者宇宙飞船监测的信号可以以人耳能够听到的频率播放。记者 王婷婷