在科学界,牛年有过哪些牛人牛事

◎ 科技日报记者 赵汉斌

牛犇向前,牛年已到。十二生肖中的牛,寓意颇多,几乎都是满满的正能量。

今年,想必会冒出许多牛人牛事,或有未来的科学大牛即将降生,小编、老记都不敢妄自揣测,那不科学。倒是在闲暇时光,想跟您说说闲话,回顾一下往昔牛年科学界曾发生的大事。

说起科学界的牛人,想必您最先想到了牛顿?嗐,人家不姓牛,也不是牛年生的,更不讲属相,甚至也无法证实那个著名的苹果,是不是在咱们中国牛年掉下来的。但要掰扯开来,某一个牛年,对牛顿的确是重要的年份,那是后话。

现在且让我们以牛年发现的“时光旅行”方式,以牛年首次测得的伽马射线暴的强度,来一次逆向时光之旅。

艾萨克·牛顿

2009年:十二年前并不遥远

上一个牛年是己丑年,科学界大事不少。当年,谷超豪和孙家栋两位院士成为年度国家最高科学技术奖获奖人。

谷超豪

谷超豪是著名的数学家,在当时核心数学前沿最活跃的三个分支――微分几何、偏微分方程和数学物理及其交汇点上作出了重要贡献。特别是首次提出了高维、高阶混合型方程的系统理论,在超音速绕流的数学问题、规范场的数学结构、波映照和高维时空的孤立子的研究中取得了重要突破。

孙家栋

孙家栋是我国著名的航天技术专家,也是我国人造卫星技术和深空探测技术的开创者之一。1985年获两项国家科学技术进步奖特等奖,1991年当选为中国科学院院士,1999年荣获“两弹一星”功勋奖章。

他为我国突破卫星基本技术、卫星返回技术、地球静止轨道卫星发射和定点技术、导航卫星组网技术和深空探测基本技术做出了重大贡献;为创建和发展我国人造卫星总体技术、卫星航天工程管理技术和深空探测技术,做出了系统的、创造性的成就和贡献。2019年,在庆祝中华人民共和国70华诞的盛大活动中,孙家栋与于敏、袁隆平、黄旭华、屠呦呦等5位功勋卓著的科学家一道,被授予“共和国勋章”。

钱学森

但在同年10月31日,时年98岁的科学家、中国“两弹一星”工程奠基人钱学森在北京逝世。

钱学森是世界著名科学家,空气动力学家,中国载人航天奠基人,中国科学院及中国工程院院士,中国两弹一星功勋奖章获得者,他被誉为“中国航天之父”和“中国导弹之父”。临终前,钱老仅说了7个字的遗言“中国的长远发展”,或许我们不知道他的具体所指,但仍因他的一世家国情怀、终生无私奉献而泪目。

当年年底,中科院院士增选结果揭晓,35名科学家当选,其中有5名女科学家。这次新当选的院士平均年龄为54.1岁,60岁以下的占77%。

放眼海外,2009年大事、牛事不少。最抢眼的是大型强子对撞机完成第一次质子对撞,以及开普勒任务的执行。

您即便不是杠精,或许也要开怼,高冷的强子对撞机和开什么勒,跟我有啥关系?您别说,还真有关系。

大型强子对撞机

粒子物理是我们对那些难以想象的事物最不可思议的探求。为了找出宇宙中最小的组成分子,你必须建造世界上最大的机器;为了重建宇宙诞生后数百万分之一秒时的景象,你必须有聚焦惊人的能量。

此前,欧洲核子研究组织( CERN )在法国与瑞士边界一座周长27千米的环型隧道中,建造了大型强子对撞机,简称LHC,是全世界最牛且能量最高的粒子加速器,主要用于质子束的对撞。

质子是强子的一种。在强力电磁铁的引导下,质子束环绕着真空环形轨道中运行,每绕行一圈,粒子的能量就会提高一些,这可以让物理学家更了解希格斯玻色子——一种可以解释为何粒子会具有质量的假想粒子,还可以用来寻找超对称理论所预测的粒子。除此之外,LHC或许还将向我们提供已知的三度空间以外的额外维度存在的证据。

在某种意义上,借由粒子束的对撞,LHC可以重建大爆炸发生后不久的情形。大批物理学家借由特殊的侦测器,分析碰撞后所产生的粒子。

2009年,这座大型强子对撞机完成了第一次的质子对撞。在随后的3年间,又进行了6千万亿次(6后面有15个0)两颗质子对撞,折算下来每秒钟进行6300万次对撞,其中有50亿次对撞结果相当有意义。

实验获得的大量重要信息,使人类的科学技术迈进一大步,这使反物质的形成与合成将变得可能,可用以解决能源危机问题。将来有一天,不但人类或可乘坐反物质推动的飞船遨游太空,家里的电器使用的电能也将来自反物质发电厂。

此外,在建造这个大型实验装置的过程中,科学家获得的许多科研成果,已经渗透到我们生活的许多方面。

NASA开普勒任务的视场星图(图源:NASA)

开普勒任务的实施,是2009年另一重要事件。

在21世纪初,天文学家开始完善和测试不同的探测太阳系外行星的技术。寻找地球尺寸的世界,正是美国国家航空航天局开普勒任务的目标。

以文艺复兴时期天文学家约翰尼斯·开普勒命名的任务,旨在纪念他为行星运动三定律的发现所做出的贡献。

开普勒卫星于2009年发射进入尾随地球的太阳轨道,执行一个简单的任务:对邻近的14.5万颗主序恒星进行为期三年半的监测,从中寻找周期性的行星凌日。

开普勒任务的初步结果令人兴奋。在最开始的六个月里,探测到1000颗恒星周围超过1200颗行星候选体。它们中很多是在高速轨道上靠近恒星的热木星,但依然有50个地球尺寸的行星位于它们自己的恒星附近的宜居带内。到2012年6月为止,后续的测量已经将候选体的数量增加到了2500颗。之后还需要地面望远镜的后续观测对这些发现加以确认,才能最终找到类似我们地球这样的世界。

这一年,NASA的费米伽马射线空间望远镜也发威,帮助人们发现过去所未知的具有高度磁性并快速旋转的中子星,并对它们所发射出的独特伽马射线也开始有所理解。

当年12月18日出版的《科学》杂志,评出2009年10项开拓性的科学成就,认为对始祖种地猿化石进行阐释的研究,是令人瞩目的重大科学突破。这种原始人种距今440万年前,比先前记录在案的古老原始人“露西”(Lucy)遗存的部分骨架年代还要早一百多万年。这让科学家更接近人类与黑猩猩所拥有的最后共同祖先。

同年,在一连串的快速进展中,材料科学家对石墨烯的性质进行了探索,并着手将把这种未来的明星材料做成为实验性的电子装置。

预防甲型H1N1流感宣传图

当然,这一年也有悲摧的事。曾引发西班牙大流感的病毒株(H1N1),如同白骨精之变,以猪流感的面貌重现,在随后两年间导致20至30万人病亡。

1997年:对中国极不平凡的一年

1997年是农历丁丑牛年。对中国人来说,这是极不平凡的一年。

如今我们知道,科学技术一旦渗透和作用于生产过程中,便成为现实的、直接的生产力。现代科学技术发展的特点和现状告诉我们,科学技术特别是高技术,正以越来越快的速度向生产力诸要素全面渗透,同它们融合。

邓小平

提出“科学技术是第一生产力”论断的伟人邓小平,在这年逝世。

早在1975年,邓小平就提出了“科学技术是生产力”的思想。随后很多年、很多场合他都强调:我们要实现现代化,关键是科学技术要能上去,发展科学技术,不抓教育不行。在1978年3月举行的全国科学大会上,他说,四个现代化,关键是科学技术的现代化。没有现代科学技术,就不可能建设现代农业、现代工业、现代国防。

他在1992年初视察南方并发表重要谈话时,再次强调了这一重要思想,对提高全民族科学文化水平,大力发展科学技术,促进科学技术进步,推动我国改革开放和社会发展起了十分重要的作用。

1997年7月迎来香港的回归,洗雪了百年国耻。这一年中,我国工农业生产继续稳步增长,国家重点建设进展顺利:如长江三峡截流成功、跨世纪的能源基地工程——神骅工程建设全面展开。

也在这一年1月27日,美国麻省理工学院的物理学家根据量子学理论,在人类科学史上首次用钠原子制造出与普通光子激光有某些相似特性的原子激光,这一实验在物理学界引起轰动。

同年8月14日,美国古人类学家李·伯格和南非地理学家大卫·罗伯茨在华盛顿宣布,他们在南非开普敦以北约97公里处的大西洋海岸的岩石中,发现了11.7万年前人类祖先脚印的化石,这是迄今为止所发现的最早的人类祖先足迹。

伊恩·威尔穆特与克隆羊多利

当年,《科学》杂志评出的十大科学发现是:

一、英国科学家利用克隆技术成功培育出世界上第一头成年哺乳动物绵羊“多利”。

二、“火星探路者”飞船的火星之旅。

三、同步光——目前世界上最强烈的光,通过它,人们能看到原子水平的物质结构。

四、生物钟基因——有助于维持睡眠、饮食等基本人体功能的计时装置。

五、单壁纳米管——由石墨碳原子卷成的薄片,可制造超强材料。

六、成功绘制和排列几种生物的全部基因,包括大肠杆菌。

七、第一次“实况”拍摄伽马射线在宇宙边缘的大爆发。

八、通过对一具尼安德特人遗骸中DNA的分析,证明尼安德特人只是现代人的旁系远亲,并非直系祖先。

九、在研究神经性疾病方面取得新进展。

十、“伽利略”探测器发现“木卫二”冰冻的表面下有海洋。

1985年:我国解决科技与经济脱节问题

1985年是农历乙丑牛年。

当年3月2日至7日在北京召开的全国科学技术工作会议,值得铭记。会议对科技体制的改革问题进行了讨论。邓小平讲话指出:经济体制,科技体制,这两方面的改革都是为了解放生产力。新的经济体制,应该是有利于技术进步的体制,应该是有利于经济发展的体制。

1985年3月22日,邓小平为《中国科技报》题写报头;次年7月9日,他再次为《科技日报》题写报头。

在国内,这一年的科学界似乎并不十分热闹,但中国人正以牛的精神,使出牛劲儿,拓荒向前。

巴克球,即富勒烯,由60个碳原子组成。

在国外,这一年“巴克球”的制造,以及在人体中插入基因治愈疾病的技术值得一书。

1985年,化学家柯尔、克罗托和斯莫利在所制造出来的巴克球分子,也被称为富勒烯,或C60,其中共含有60个碳原子。“富勒烯”是以发明了球形圆顶等笼状结构的富勒来命名,因为巴克球C60会让人联想到那样的结构。

每个这种碳分子都位于一个五角形和两个六角形的交界处。科学家从蜡烛的黑灰到陨石等各种物质里发现了C60的存在,而且可以把特定的原子放进C60里,就像把小鸟关在笼子里一样。由于C60可以接受和提供电子,可用在电池或电子组件里。第一个由碳原子所组成的柱状纳米管在1991年制作成功,这些纳米管非常的强韧,有一天可能会被用来当作分子尺寸的电线。

研究人员还研究利用C60衍生物在体内施药,或可抑制艾滋病病毒。

24年后的2009年——也是一个牛年,化学家耿俊峰和同事发现量产巴克线的简便方法,把巴克球串成一串珍珠的样子。巴克线在生物、电子、光学以及磁学上有极高的应用价值,这些巴克线以庞大表面积和传导光电子的方式,因此具有很好的光采集效率,也可以拿来制作分子电路。

同样在2009年,研究人员开发了新的高导电材料,这种材料是由一个带负电的巴克球晶体网状结构以及可在结构中移动的锂正离子所组成。这类结构的实验持续进行,以验证其结构是否可以作为制作电池的超离子材料。

1985年,美国科学家威廉·弗伦奇·安德森和迈克尔·布莱泽提出,可在人体中插入基因的技术,来纠正细胞的缺陷,从而可以治病。

人类基因组包括大约两万个基因,涵盖了人类的全部遗传信息。基因是生物的基本遗传单位,但常常发生错误。当正常基因无法正确复制时,就会产生有缺陷的基因,而这种“错误”会从亲代传给子代。如果基因存在错误,蛋白质的合成就会失败。比如,血液凝固基因出现错误,人体就不再产生凝血蛋白,从而导致血友病。

遗传病不能用传统药物治愈,长久以来只能尽量缓解症状,减少患者痛苦。20世纪70年代,科学家开始考虑“基因疗法”治病的可能性,也就是用健康的基因替代出错的基因。五年后,安德森开始了第一例临床试验。

1961年:牛人牛事多多

1961年是农历辛丑牛年。这一年,确实有很多牛人牛事。

这一年的4月12日,尤里·加加林乘坐东方1号,进入地球轨道,成为第一位太空人。此前的4年,苏联成功发射伴侣1号,标志着太空时代的开始,也标志着与美国之间地缘政治竞争在技术、军事等层面展开。

加加林和东方1号

在加加林升空仅仅三周之后,谢巴德成为人类第二位——美国第一位太空人,乘坐自由7号完成亚轨道飞行。由于苏联领先,赢得一局,美国紧锣密鼓赶超,时任总统肯尼迪要求美国国家航空航天局将人送上月球。

这一年,在天文学家罗伯特·迪克最先提出“人择原理”,并引爆了科学家和普罗大众的兴趣,这个充满争议的原理,基于这样一种观察:某些物理参数仿佛被调控成允许生命进化一样。举例来说,我们的生命都是由碳元素组成,这些元素在地球产生以前,就已经由恒星制造出来,而且能够产生碳的核反应。对某些科研人员来说,似乎也是那么的恰到好处,让碳能够生成。

同年,物理学家盖尔曼、格拉肖、茨威格等人在整合了各种理论与实践的结果以后,提出了一个能够解释物理学家至今所观察到的大多数粒子特性的模型,这个模型就叫作标准模型。根据这个模型,粒子可被区分为两类:玻色子和费米子。事实上,标准模式并不完美,因为它没有把重力因素纳入进去,但对后世影响深远。

20世纪上半叶,在生物学界,动物细胞可以无限生长是大家的共识。生于法国的亚列克西·卡雷尔是一名外科医生。1912年这位诺贝尔得主在洛克菲勒学院做实验。他把鸡心细胞置于培养基中生长,它们存活了34年。但1961年,美国细胞生物学家列奥纳多·海佛列克终结了永生细胞之梦。他向人们证实,大多数人类细胞都有一个复制的极限。在开始衰老走向死亡之前,它们只可以复制40—60次,这也被称为“海佛列克极限”。

1961年,马歇尔·尼伦伯格和海因里希·马太等人参与先是破解了蛋白质生物合成的遗传密码的第一个字母,随后其余的密码子也被一一确定。

同年,雅克·莫诺和弗朗索瓦·雅各布,法国巴黎巴斯德研究所的两位生物学家确定了真核细胞内蛋白质合成的调控过程,并建立了基因调控的操纵子模型,证明了操纵子控制机制在基因水平的运行过程,他们共同获得了1965年的诺贝尔奖。

1949年:逆向时光旅行被赋予数学基础

1949年是乙丑牛年。对国人来说,这一年最重要的是新中国的成立。在科学界,这一年也有诸多大事发生。

时间是什么?时光旅行是可能的吗?几个世纪来,这些问题勾起了无数哲学家与科学家的兴趣。今天我们已经知道时光旅行的确是可能的。举例来说,科学家已经说明高速移动的物体,其老化的速度比静止的物体来得慢。爱因斯坦已经证明,时间河流是会弯曲的。1949年,数学家哥德尔进一步证明,这条时间河流是可能会歪回到自己身上的。更确切地说,是哥德尔发现了爱因斯坦方程式的一个微扰解,这个解允许在旋转的宇宙中逆向时光旅行。这是历史上逆向时光旅行第一次被赋予数学基础。

由于碳元素非常普遍,因此有非常多的材料可以用作放射性碳年代测定,包括考古发掘的古代遗骸、焦炭、木头、花粉、鹿角等。

在1949年,芝加哥大学化学家威拉德·利比开创了放射性碳年代测定法。这一方法主要通过测定碳样品中放射性碳-14含量,以确定样品的年代。只要样本年龄不超过6万年,科学家就可以侦测样本中的碳-14含量比例,从而估算出样本年代。碳-14放射性半衰期大约是5730年,这表示每经过5730年,碳-14的含量就会减少为原本的一半,这可以让科学家精确地判读骨骼或其他有机物残骸的年代,这是此前从来没有人能够实现的。这对考古学和古生物学等领域无疑是重大突破,利比也因此获得了1960年的诺贝尔化学奖。

百年以来,牛年皆有牛事

此前的1937、1925、1913、1901等各个年份,多少都有科学进展和科学事件发生。

出生于乌克兰的遗传学家奥多修斯·多布然斯基,长时间分析了来自不同地点、不同野生果蝇的染色体。分析结果表明,相同染色体的不同版本各占优势,从而形成新的种类。在他1937年的经典著作《遗传学与物种起源》中,阐述了这些实验,并为达尔文的自然选择理论与遗传学的融合,提供了一个令人满意的解释。

1925年,泡利不相容原理提出,解释了为何物质有形状和体积,以及为何两个物体无法占据同一空间。这也是我们为何不会掉到楼板下去,以及中子星虽然质量惊人也不会继续坍缩的原因。借由泡利不相容原理,我们就可以计算或了解周期表上化学元素的电子组态,以及原子光谱。

1913年,丹麦物理学家玻尔发表了重磅论文,建立了玻尔原子模型。玻尔知道带负电的电子很容易从原子上移除,且带正电的原子核位于原子的中央。在这个原子模型里,原子核就像我们太阳一样位于原子中央,电子则像行星一样绕着原子核旋转。

在同一年,美国物理学家密立根做了著名的密立根油滴实验。他宣称事实上已经“看到”了电子,并获得了1923年的诺贝尔奖。

1901年,美国人普雷斯科特利用螺旋循环原理,在纽约的康尼岛建造了一座名为“连环圈”的过山车。早在1898年,他就曾建造过一座使用圆形循环的“离心轨道”,但车子在高速下环绕轨道时,突然产生的向心加速度会对乘客的身体产生太大的负担。当年,他得到了泪滴状轨道的设计专利。

光阴荏苒,时光不老。百多年前的那些牛年牛事不再细细叙及。最后的彩蛋来了——

回应本文开头提到的人物,1661年,时年18岁寡言少语的艾萨克·牛顿进入剑桥三一学院——不是牛津,并逐渐展露其过人的数学天赋,并在7年后发展出有关力学的基础思想。

列文虎克发明的显微镜,能放大200-300倍。

此外,1673年,荷兰人列文虎克在一封告知英国皇家学会的信中说,他利用一个简单的显微镜,发现了罕见的微生物。

要是对照中国农历,上述两位牛人的两件牛事,都发生在牛年。公元年号除以12余数是5的年份对应的都是牛年。牛是中国的十二生肖之一,排名第二。

参考文献:

《物理之书》,[美]克利福德·皮科夫著,严诚廷译,漓江出版社2015年出版,2018年第四次印刷。

《科学简史——从亚里士多德到费曼》,[德]恩斯特·彼得·费舍尔著,陈恒安译,浙江人民出版社2018年6月第1版。

《天文之书》,[美]吉姆·贝尔著,高爽译,重庆大学出版社2018年6月第6次印刷。

《科学百科》,英国DK出版社著,王晋译,于天君审校,北京·电子工业出版社2018年8月第八次印刷。

《生物学之书》,[美]迈克尔·C·杰拉尔德著,傅临春译,重庆大学出版社2018年7月第4次印刷。

编辑:黄磊(实习)

审核:王小龙

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