过去十年最重要的20个科学发现:探测首个引力波

2020年05月11日 09:29 次阅读 稿源:新浪科技 条评论

北京时间5月11日消息,据国外媒体报道,过去十年是一个充满探索发现的时代,科学研究项目比以往任何时候都更加全球化和合作化,世界各地的科学家在了解人体、探索地球和宇宙空间方面取得了显著进展。我们一起来看看过去十年获得的20个最重要科学发现:

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1、探测首个引力波

1916年,科学家阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)提出,当物体具备充足的质量加速时,有时可以产生穿越时空结构的波,就像池塘泛起的涟漪。尽管之后爱因斯坦又置疑引力波的存在,但是这些被称为引力波的时空褶皱却是广义相对论的一个关键预测。几十年以来,对引力波的探索深深吸引着研究人员,虽然在20世纪70年代才首次出现了令人信服的引力波迹象,但直到2015年美国LIGO天文台才探测到两个黑洞之间遥远碰撞的余波,并在2016年宣布,开启人类“聆听”宇宙的新途径。

2017年,LIGO天文台和欧洲Virgo天文台探测到另一组震动,这一次是由两颗中子星的超密度天体发生碰撞产生的,世界各地的望远镜都观测到此次爆炸,这是首次在光波和引力波中观测到的天文事件。这些具有里程碑意义的数据帮助科学家了解引力波是如何运行的,以及金、银等元素是如何形成。

2、改变人类“家谱”

在过去十年里,科学家在理解人类复杂起源方面取得了许多进展,其中包括:勘测已知化石具体时期、发现完整的头骨化石,以及发现多个人类祖先分支。2010年,美国《国家地理杂志》地理探险家李·伯杰(Lee Berger)发现一种名为南方古猿源泉种(Australopithecus sediba)的人类远古祖先,5年之后,他宣布南非一处人类摇篮洞穴中发现一支远古人类新物种——纳勒迪人(Homo naledi),这支古人类与现代人类和更远古时期的人类近亲十分相似。一项后续研究表明,纳勒迪人非常年轻,生活在23.6万-33.5万年前。

科学家在亚洲陆续获得其他重大发现,2010年,一支研究小组宣称,从远古西伯利亚人小指骨提取的DNA不同于任何现代人,这是首个关于丹尼索瓦人血统的模糊证据。2018年,中国一处遗址挖掘发现210万年前的石器,证实工具制造在亚洲的出现比人们之前认为的要早几十万年,2019年,菲律宾研究人员公布了Homo luzonensis化石,这是类似弗洛瑞斯人的一支新发现远古人类,在苏拉威西岛最新发现的石质工具比现代人类登陆的时间更早,从而表明现今东南亚地区曾生存着第三种身份不明的岛屿古人类。

3、对远古DNA的革命性研究

随着DNA测序技术以指数级飞速发展,在过去十年里,人类理解远古基因如何塑造现代人类方面取得了巨大进步,2010年,研究人员公布了首个接近完整的古代智人基因组,从而开启了我们祖先DNA研究的革命性十年。从那以后超过3000个古代基因组被测序,其中包括Naia的DNA,这位远古女孩死于1.3万年前,尸骨挖掘地点在墨西哥,她的遗体是美洲境内发现最古老、最完整的人类骨骼之一。同年,研究人员公布了第一个尼安德特人基因组蓝图,提供了第一个可靠基因证据,证明所有现代非洲人的DNA中有1-4%源自这些远古近亲。

在另一项惊人的发现中,2018年研究远古人类DNA的科学家发现一根9万年前的骨骼属于一位少女,令人惊奇的是,她的母亲是尼安德特人,父亲却是丹尼索瓦人,意味着她是迄今发现第一位混血古人类。科学家之后研究发现将丹尼索瓦人的DNA与化石蛋白质进行对比,证实丹尼索瓦人曾生活在现今西藏地区,从而扩大了该神秘群体的生活范围。随着科学家对古代人类DNA领域认知的不断成熟,还发现了一些远古人类处理的一些伦理问题,例如:参与群体活动、将同伴遗骸送回部落。

4、发现数千颗系外行星

2010年前后,人类对环绕遥远恒星运行行星的认知产生了巨大飞跃,这将归功于美国宇航局开普勒太空望远镜,从2009-2018年,开普勒望远镜发现了超过2700多颗已证实的系外行星,超过目前总数的一半。开普勒望远镜最著名的一项发现是证实首颗岩石系外行星,它的继任者TESS望远镜于2018年发射升空,目前已对星空进行了勘测,共发现34颗系外行星。

2017年,研究人员宣布发现TRAPPIST-1行星系统,它仅距离地球39光年,存在7颗类地行星,这是迄今发现太阳系之外最多行星的行星系统。2016年,“红点计划”宣布发现比邻星b,这是一颗与地球大小相近的行星,其环绕距离太阳最近的恒星比邻星运行,比邻星距离地球仅4.25光年。

5、人类进入Crispr基因编辑时代

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过去十年里,科学家在精准编辑DNA方面取得巨大进步,这在很大程度上要归功于Crispr-Cas9系统,可以让自己存储病毒的DNA片段识别任何即将匹配的病毒,然后将病毒的DNA切成条状结构。2012年,研究人员指出,Crispr-Cas9可以作业一种强大的基因编辑工具,因为科学家能够轻松精确切割DNA,几个月之后,其他研究小组证实这项技术对人类DNA有效。此后世界各地的实验都开始识别此类系统,修改Crispr-Cas9系统使其更加精准,并在农业和医学领域试验应用。

尽管Crispr-Cas9对人类带来的益处是巨大的,但是其产生的伦理困境也是令人惊愕的,2018年研究人员使用Crispr技术编辑了两个女婴的基因组,这是人类历史上首次诞生可遗传编辑DNA的婴儿。

6、以前所未有的方式分析宇宙

过去十年科学家获得了几项重要的太空观测结果,彻底改变了我们对宇宙的研究观点,2013年,欧洲航天局发射了“盖亚”飞船,它能远距离勘测银河系内10亿多颗恒星,以及1.5亿多颗恒星的速度数据,该数据能帮助科学家制作一部银河系3D电影,让人们以前所未有的角度观看银河系是如何随着时间逐渐形成和发生变化。

2018年,科学家公布了普朗克卫星对宇宙早期微弱余辉的最终测量结果,其中包括了宇宙成分、结构、膨胀速度的重要线索,令人不解的是,普朗克卫星观测到的宇宙早期膨胀率与现今不同,这是一种潜在的“宇宙学危机”,可能需要物理学理论进行解释。同年,大规模暗能量测量发布了首批数据报告,有助于探索宇宙结构中的隐藏模式,2019年4月,科学家们通过视界望远镜首次发现了黑洞轮廓图像,这主要是基于对M87星系中心观测的结果。

7、揭晓古老人类艺术

来自世界各地的发现进一步证明,艺术——或者至少是涂鸦,是一种更古老、更全球化的现象,与之前人们所认知的有一定的差异,2014年,研究人员在苏拉威西岛马洛斯洞穴遗址中发现手绘壁画和一幅“猪-鹿”壁画,其历史可追溯至3.9万年前,与欧洲最古老的洞穴壁画艺术处于同一时期。之后2018年,研究人员在婆罗洲发现距今4万-5.2万年的洞穴艺术,进一步证实其具有具象绘画起源,2018年,科学家在南非发现另一个古人类艺术作品,在布隆伯斯洞穴中发现一块石头薄片,上面刻着6条平行垂直线和3条弯曲水平线,其历史可追溯至7.3万年前。

其他富有争议的发现是对尼安德特人艺术技能的争议,2018年,研究人员在西班牙境内发现11.5万年前的颜料和穿孔海螺壳,当时只有尼安德特人生活在欧洲。同年,另一项研究显示,西班牙一些洞穴壁画拥有6.5万年的历史,许多洞穴艺术专家对该发现提出了质疑,但如果该发现有确凿的证据,将证明这是尼安德特人第一个洞穴绘画。2016年,研究人员宣称,法国洞穴里有大约17.6万年前形成的奇怪石笋状圆圈,如果洞熊不是以某种方式制造,那么这些圆圈的年龄表明尼安德特人制作的手工艺术品更多。

8、开启“星际之门”

未来的历史学家可能会将过去十年视为人类星际探索的黄金十年,开启了“星际之门”,人类宇宙飞船首次穿越了太阳和星际空间之间的“遮蔽区”,同时,人类首次拜访了遥远恒星周围形成的天体。

2012年8月,美国宇航局“旅行者1号”探测器穿越了日光层最外层区域,即我们太阳释放出的带电粒子气泡。2018年11月,“旅行者2号”探测器进入星际空间。但是星际之路是“双向道路”,2017年10月,天文学家探测到神秘的“Oumuamua”天体,这是迄今发现首个在其他恒星系统形成并途经太阳系的天体。2018年8月,天文爱好者根纳季·鲍里索夫(Gennady Borisov)发现第二颗类似的星际闯入者,这是一颗非常活跃的彗星,因此以发现者的名字命名——“鲍里索夫”彗星。

9、打开古代文明大门

考古学家在过去十年获得了许多重大发现,2013年,英国考古人员一处停车场地下发现了理查德三世尸骸;2014年,研究人员宣称,秘鲁Castillo de Huarmey神殿仍有一处未遭受破坏的王室墓穴;2016年,考古学家宣布发现第一个非利士人(古代巴勒斯坦南部非闪族人)墓室,这将科学家揭晓《希伯来圣经》中最神秘人群的生活提供重要线索;2017年,研究人员称,耶路撒冷的圣墓教堂可追溯至1700多年前,是罗马第一位基督教君主建造的,这似乎证实圣墓教堂是在罗马帝国选定的基督埋葬地建造的;2018年,秘鲁一支考古团队宣布发现迄今最大的儿童祭祀遗址,与此同时,考古学家在危地马拉采用机载激光探测到6万多座古玛雅建筑。

此外,科学家还在水下获得了重大考古发现,2014年,加拿大一支考古团队找到了“埃里伯斯号”沉船,这艘北极科考船于1846年沉于海底,2016年,另一支探险队在海底找到了“埃里伯斯号”的姊妹船“恐怖号”残骸;2017年,微软联合创始人保罗·艾伦找到了神秘消失的美国“印第安纳波利斯号”军舰,这艘军舰于1945年沉没,是美国海军史上最悲惨的灾难事件之一;黑海海上考古队在黑海海底发现60多艘沉船,其中包括:2018年发现的一艘2400年前的古老船只;2019年发现失踪已久的“克洛蒂尔达号”,这是最后一艘非洲奴隶运送船。

10、在太阳系开辟新视野

2015年7月,美国宇航局“新视野号”探测器成功完成对矮行星冥王星的探索,首次向地面发送令人震惊的高清表面图像;2019年1月1日,该探测器进行有史以来最远的一次太空飞越,首次拍摄了冰冷天体Arrokoth,它是太阳系婴儿期的原始遗迹。

2011年,在更靠近地球的太空区域,美国宇航局“黎明号”宇宙飞船拜访了灶神星,这是小行星带第二大天体,在绘制这颗小行星地图之后,“黎明号”进入矮行星谷神星轨道,它是小行星带最大的天体,在过去的十年里,美国宇航局OSIRIS-Rex探测器和日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)分别勘测了贝努小行星和龙宫小行星,目的是采集小行星返回地球。

11、预防致命疾病

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为了应对2014-2016年西非爆发的埃博拉疫情,公共卫生官员和默克制药公司对埃博拉试验性疫苗rVSV-ZEBOV进行了快速跟踪,在2015年一次非常成功的实地试验之后,欧洲官员于2019年批准了该疫苗,这是抗击这种致使疾病的重大里程碑事件。

在过去十年里,几项具有里程碑意义的研究也为预防艾滋病毒的传播开辟了新途径,2011年一项试验表明,预防性服用抗逆转录病毒药物能够大幅降低两性之间的艾滋病毒传播,这项发现在后续进行的同性伴侣测试中也得到了证实。

12、突破生育限制

2016年,临床学家宣布“三亲婴儿”诞生,这个婴儿是由父亲的精子、母亲的细胞核,以及第三个捐献者提供的卵子(卵子中的细胞核被摘除)发育而成,但是这种疗法在伦理上仍存有争议。2018年,科学家在一项研究中使用基因再编辑的皮肤和血细胞制造出人类精子和卵子前体,同时,另一项研究表明,基因编辑可使同性老鼠受孕。

13、追踪希格斯玻色子

物质如何获得质量?上世纪60-70年代,包括彼特·希格斯(Peter Higgs)、弗朗索瓦·恩格勒(Franois Englert)在内的物理学家提出一种解决方案,认为希格斯玻色子是弥漫整个宇宙的一种奇特能量场,目前将其称为希格斯粒子场。该理论场也包括其基本粒子,也就是现在所说的希格斯玻色子。

2012年7月,欧洲核子研究中心(CERN)大型强子对撞机的两支研究团队宣布发现了希格斯玻色子,从此结束了长达数十年的研究探索,该发现填补了标准模型中缺少的最后环节,即描述了物理学中四种基本力中的三种,以及所有已知的基本粒子。

14、改写古生物教科书

伴随着科学家采用新型分析工具,发现了一些令人震惊的动物化石,过去十年是人类对史前生命理解的大爆发时期,2010年,美国国家地理学会研究人员基于对恐龙色素化石的发现,发表了首份恐龙全身色素重塑报告。近年来,科学家进一步加大对恐龙色素的研究,古生物学家发现具有伪装效果的恐龙羽毛,其颜色各异,包括:黑色、蓝色、彩虹色等,同时在一具保存完整的有甲恐龙化石中发现其生前具有微红色皮肤,在该项研究中,他们分析了保存下来的脂肪分子。2018年,考古学家证实狄更逊水母(Dickinsonia),是生活在5.4亿年前的一种原始生物。

2014年,古生物学家还发现掠食性棘龙的新化石,证实它是一种半水栖掠食性恐龙,这是迄今发现的第一种半水栖恐龙物种。2015年,中国考古学家发现一具令人震惊的奇翼龙化石,它是一种怪异的长羽毛恐龙物种,其翅膀长着类似蝙蝠的翼膜。在过去十年里,考古学家对缅甸境内发现的9000多万年前的琥珀颇感兴趣,陆续发现困在琥珀中的恐龙羽毛、刚出生不久的原始鸟、以及各种无脊椎动物。

15、在其他星球上寻找生命元素

在过去十年里,太空任务使我们对其他星球的碳基有机分子有了更深入的了解认知,这些有机分子是我们所知的生命必要成分,欧洲航天局“罗塞塔”太空任务环绕并降落在67P彗星。2014-2016年之间采集的勘测数据让我们对远古天体碰撞可能对地球带来生命元素有了更深入分析,在2017年美国宇航局“卡西尼号”探测器自杀式坠毁之前,证实了土卫二表面喷射羽流中包含着有机分子,这是证明该卫星适合生命存在的重要线索。2018年,美国宇航局宣称,“好奇号”火星车在火星表面发现有机化合物,以及火星大气中的甲烷含量出现奇怪的季节性循环。

16、气候日益恶劣的警钟敲响

在过去十年里,地球大气二氧化碳含量已达到近代历史最高水平,气温也达到历史最高值,2013年5月9日,全球二氧化碳浓度在人类历史上首次达到400ppm,截至2016年,该浓度一直稳定保持在这一临界值之上。结果导致近年来全球气温升高,2015、2016、2017、2018和2019年,是自上世纪80年代以来记录的最高气温。2014年,海洋变暖引起了全球珊瑚白化事件,世界各地的珊瑚相继死亡,其中包括大堡礁部分海域。2019年,澳大利亚宣布岛屿上生活的珊瑚裸尾鼠因海平面升高而灭绝,这是现代气候变化中灭绝的第一种已知哺乳动物。

在一系列重要报告中,世界各地的科学家强烈呼吁人们密切关注地球气候的变化,以及气候变化带来的风险和应对气候变化的必要性,2014年,政府间气候变化专门委员会(IPCC)发布了关于气候变化现实和影响的第五次报告,2015年,世界各国开始协商巴黎协议,主要目标是将本世纪全球平均气温上升幅度控制在2摄氏度以内。2018年10月,IPCC发布了另一份报告,指出即使到2100年全球平均气温上升幅度控制在1.5摄氏度,也要付出巨大代价,这可能是地球面临的最低限度,面对如此巨大的挑战,破纪录的气候抗议活动席卷全球,其中许多参与者是青年人。

17、发现大量新物种

现代生物学家正在以惊人的速度发现新物种,平均每年命名发现1.8万个新物种,在过去十年里,科学家首次描述了几种奇特哺乳动物,例如:缅甸仰鼻猴、万古努巨鼠、小尖吻浣熊(这是上世纪70年代末以来西半球首次发现的食肉动物)。随着科学家陆续发现一些奇特新物种,其他新物种动物队伍也在逐渐壮大,例如:发现一种长着“手”的鱼、比一角硬币更小的青蛙、佛罗里达州巨型蝾螈等,此外,越南的武广牛和中国的伊犁鼠兔被宣布失踪多年之后再次进入人类视线。

但是伴随着这些物种发现,科学家们计算出现代物种以指数级快速灭绝,2019年,科学家警告称,全球四分之一的植物和动物群体正在面临灭绝威胁,这意味着多达100万个物种——既有已知的、也有未知的,正在面临灭绝的风险,部分物种可能在未来几十年内灭绝消失。

18、开启一个崭新的航天时代

过去十年是人类航天飞行的关键过渡时期,因为近地轨道和更远的太空环境变成了一个更加全球化和商业化的区域,2011年,中国将第一个空间实验室“天宫一号”送入轨道,2014年,印度火星轨道飞行器抵达火星轨道,开启了印度火星探索时代,2019年,以色列非赢利组织SpaceIL公司尝试首次私人资助的月球登陆,中国“嫦娥四号”任务在月球进行了首次软着陆。全球宇航员队伍也变得更加多元化:蒂姆·皮克(Tim Peake)成为首位职业英国宇航员,艾迪恩·艾姆贝托夫(Aidyn Aimbetov)成为首位后苏联时代的哈萨克斯坦宇航员,阿联酋和丹麦将他们国家的第一批宇航员送入太空,此外,美国宇航员杰西卡·梅尔(Jessica Meir)和克里斯蒂娜·科赫(Christina Koch)进行了首次全女性太空行走。

2011年美国完成最后一次航天飞机发射任务之后,私营企业开始填补这一空白,2012年,SpaceX公司向国际空间站发射第一个商业补给任务,2015年,蓝色起源和SpaceX公司首次成功将可重复使用的火箭发射升空,然后垂直降落至地面,这是近地轨道发射成本更低的里程碑事件。

19、看到动物意想不到的一面

过去十年里,动物王国中出现了许多不同寻常的特征和行为,2015年,美国国家地理杂志探险家大卫·格鲁伯(David Gruber)发现玳瑁海龟会发出绿色和红色荧光,这是首次记录发现爬行动物能够发出生物荧光。2016年,研究人员吃惊地发现格陵兰鲨鱼寿命至少达到272年,是迄今已知最长寿的脊椎动物。

人类对动物使用工具的理解也有所提高,2019年一项研究表明,比萨亚疣猪会使用工具,同时多项研究证实,巴西卷尾猴使用工具至少有3000年,这是在非洲以外发现最古老的非人类使用工具记录。2018年,肯尼亚生物学家发现一只非洲黑豹,这是自1909年以来首次发现非洲黑豹。

20、重新定义科学单位

为了更好地理解自然世界,科学家必须进行测量,但是我们如何定义我们的测量单位呢?几十年以来,科学家逐渐依据宇宙常数重新定义了普适常数,例如:使用光速来帮助定义1米的长度,但是科学上的质量单位,即千克,仍然与国际标准公斤实体“Le Grand K”相一致,Le Grand K是全球衡器校准的一个绝对权威指标,由铂铱合金打造而成。

如果这枚金属块因任何原因发生变化,科学家将不得不重新校准他们的仪器,2019年,科学家同意采用一种最新千克定义,该定义基于物理学中一个基本因素——普朗克常数,以及对电流、温度和给定物质中粒子数量的改进定义。

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