2010年重大科技突破解读:堪比原子弹爆炸

中国科学技术信息研究所研究员  陈颖健  本报记者  刘仲华

2010年12月28日08:56  来源:人民网-《人民日报》

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  2010年,很多国家把科技创新作为应对当前世界经济面临重大挑战的关键。通过科研人员的不懈努力,生物技术、粒子物理、信息技术、航空航天等各领域硕果累累,其中大型强子对撞机成功对撞、首例人造细胞诞生等重大突破,“意义堪比上世纪的原子弹爆炸”。

           

  探索世纪之谜——

  大型强子对撞机成功对撞

  3月30日,欧洲大型强子对撞机成功实施了总能量达7万亿电子伏特的质子束流对撞,这意味着人类在探索宇宙的奥秘方面取得重要进展。诺贝尔物理学奖获得者李政道指出,21世纪科学的最大谜题是解释暗物质和暗能量。宇宙中暗物质和暗能量占97%之多,而人类已经认识的常规物质和能量只占3%。暗物质的构成和普通物质不同。暗能量更是奇妙,它可以使物质的质量全部消失,完全转化为能量。因此,对暗物质和暗能量的研究,将给21世纪科学研究带来意想不到的重大发现。而大型强子对撞机的成功对撞有助于人类理解暗物质的构成。

  这台目前世界最大、能量最高的粒子加速器主要包括:一个圆周为27公里长的地下圆形隧道;隧道中有两条由超导磁铁包覆的质子束加速管;4个碰撞点及其附近的偏向磁铁和聚焦磁铁,5台大型探测器。它的主要任务就是寻找希格斯玻色子,解释质量的起源。

  众所周知,宇宙中所有普通物质都是由原子构成的,而原子是由质子和中子组成的核子,及绕着核子运动的电子构成的。质子和中子又都是由夸克组成的。上世纪60年代英国物理学家希格斯推断,存在一个质量之源,它是夸克等粒子获得质量的基础。这就是希格斯玻色子。大型强子对撞机通过将两束质子分别加速到极高能量状态并使之对撞,使其接近宇宙大爆炸后不久的状态,产生的瞬间高温是太阳内部温度的10万倍。科学家们希望在这种状态下能够发现希格斯玻色子。

  如果能揭示质量的起源,更多的宇宙奥秘将随之解开。这是牛顿未完成的工作。届时,人类将可能合成反物质,甚至合成微型黑洞。反物质拥有令人难以置信的力量,仅仅一小块反物质的能量就可以与几百万吨当量的核弹相提并论。它将解决人类面临的能源危机,并且成为太空旅行和星际旅行的首选燃料。对撞机实验还可能发现高能粒子束与云的形成的关系,人们将来也许能通过控制宇宙射线来改变气候。

  “人造生命”现身——

  合成生物学神通广大

  生命的构成永远是人类面临的最大谜团。美国生物学家克雷格·文特尔5月份宣布,在实验室中制造出世界首个人造生命细胞。英国《经济学家》杂志认为此成果堪比上世纪的原子弹爆炸。以文特尔为首的科研团队把生物支原体作为研究对象,在分析自然基因组的脱氧核糖核酸序列、研究其基因结构和相互关系的基础上,用计算机设计出相似但不同的一个新基因组,然后将该基因组插入到山羊支原体的细胞中。这一人工合成的基因组替换了原来的自然支原体基因组,“接管”了细胞的所有活动,不但存活并能不断繁殖。

  文特尔说:“这是世界上第一个人造细胞。我们称它为‘人造儿’,因为这个细胞完全来自于合成的染色体,是用4瓶化学物质在一个化学合成器中制造出来的。这是地球上第一个父母是电脑、却可以进行自我复制的物种。” 这项历时15年、耗资4000万美元的科研成果,是生命科学史上一个里程碑。自20世纪70年代以来,科学家已经人工合成了各种有机组织。但把基因组整体移植,将一种微生物转化为另一种微生物,这在科研史上还是第一次。它将在多方面改变医学和生命科学,对人类社会产生重大影响。

  生物进化用了几十亿年时间,而现在的设计与合成则把生物进化的时间大大缩短了。“人造儿”为今后人造微生物的应用研究铺平了道路。通过对现有生物系统的分析和研究,完全可以重新设计、制造新的生物系统。21世纪人类所面临的种种问题,如资源耗竭、气候变暖等,或许能由人造微生物来解决。例如,运用专门的人造生物,将二氧化碳转化为甲烷。这样的新能源生产方式将取代传统的以石油为中心的化石能源工业体系。科学家还可以制造出环境友好型“人造生命”,监测土壤、工厂、河流、海洋和大气中的污染,并分解这些污染物。

  超算格局改变——

  中国超级计算机夺魁

  2010年全球超级计算机500强排行榜11月在美国新奥尔良会议中心正式揭晓,由中国国防科学技术大学研制的“天河一号”二期系统超级计算机排名第一,美国橡树岭国家实验室的“美洲虎”和中国曙光公司研制的“星云”紧随其后,其他排名前10强的超级计算机分别属于日本、法国、德国和美国。在此次世界500强超级计算机中,中国有5部超算系统跻身前100名,并至少有40部入围前500名。在前10强和前500强中,美国超级计算机都占据了半壁江山。

  早在上世纪90年代美国就提出了研制千万亿次巨型计算机的目标,但直到2007年才实现。2009年中国首台千万亿次超级计算机“天河一号”一期系统诞生,成为继美国之后世界上第二个能够研制千万亿次超级计算机的国家。“天河一号”二期系统由140个机柜组成,总重量约160吨。它采用了14396颗英特尔处理器,7168块英伟达高性能计算卡。此次测试中,“天河一号”以峰值速度4700万亿次、持续速度2566万亿次每秒浮点运算的优异性能位居世界第一。

  超级计算机500强排行榜主要编撰人之一、美国田纳西大学计算机学教授杰克·唐加拉评价说,“中国的大学基于自己的技术研制出了‘天河一号’,其中的互联技术令人非常感兴趣”。虽然“天河一号”二期系统的处理器仍主要采用美国产品,但其互联芯片已全部替换为中国自主研制的产品。互联芯片主要涉及处理器之间的信息流动,对于超级计算机的整体性能起到关键作用。“天河一号”的互联芯片具有世界最先进的水平。

  超级计算机是“计算机领域的珠穆朗玛峰”,代表着世界信息技术的战略制高点,它能有力推动国家科技创新能力的提升,是一个国家科技发展水平和综合国力的重要标志。作为国家超级计算天津中心的业务主机,“天河一号”已在石油勘探、高端装备研制、生物医药、动漫设计、工程设计与仿真分析、气象预报、遥感数据处理、金融风险分析等方面获得成功应用,为20多家用户单位提供了高性能计算服务。

(责任编辑:赵竹青)
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