奇思妙想改变科学

时间:2011年02月09日   来源:文汇报   作者:史博臻 

　　英国《新科学家》杂志近期刊登了一个专辑——《改变科学的50个想法》，本刊1月25日选登了其中与地球和生命有关的奇思妙想，本期继续就这一专辑中涉及大自然最细微和最浩瀚的领域以及技术的最新走向，向读者展示科学的未来将如何深刻地影响和改变我们的生活。

　　核转变：爆破“有毒”废物

　　核反应堆能提供全世界14%的发电量。与此同时，每年还产生了12000吨废物，其中一部分的有害放射性甚至可存留成百上千年。为处理这份“有毒遗产”，目前的方法是把它们封存在地下仓库，并贴上“请勿靠近”的标志以至于不殃及子孙后代。

　　还有另一种处理办法，就是在超新星上利用放射性反应来冶炼重金属，使那些在反应堆内烧过的核燃料与中子进行爆炸。这样，有害的放射性同位素吸收重金属里的中子，使之具有不稳定性，降低危险性。

　　对于最棘手的钚、铀和其他锕系元素，需要经过几千年才能消除其有害性，但核转变使这一漫长过程缩短到500年。

　　电磁学缺口：寻找磁单极子

　　就像迪士尼魔幻电影《魔法师的学徒》所表演的那样，一条磁铁总是同时拥有南极和北极，即便将它摔成两半，新形成的两块磁铁又会立刻分出南极和北极。看上去，南极和北极似乎永不分家。但是，有没有可能只产生一个磁单极呢？

　　“当然！”物理学家给出了肯定答案。众所周知，电荷能分出正负。所以根据对称性原理，磁铁似乎也能分成独立的南极和北极。更何况，描述宇宙诞生的最好理论也需要磁铁单极子的存在。

　　过去80年里，科学家一直在月球尘埃、宇宙射线、粒子加速器中的碰撞碎片中寻找磁单极子的踪迹。尽管在这个过程中发生过许多令人期待的事情，但总是有惊而无喜。什么时候能找到真正的磁单极子，乃至它是否真实存在，都是一个谜。

　　电子黏土：任意成型

　　电子黏土可以塑造任何物体。听起来，几乎无所不能。它是由一个个被称为“catom”的微型智能部件组成，可根据被绑定的程序指令排列成所需的三维结构。在最新的亮相中，catom变成毫米大小的卷曲式材料，通过远程控制的静电力进行形状改变。

　　研究初期主要集中在catom的可拆卸性，而现在则更倾向于加强其稳固性。电子黏土的最终应用可能会从简单地安装座椅、桌子或书架，发展到在视频会议中，其他发言者的微型“克隆”也许就会出现在你的屋子里，仿佛面对面交谈。

　　未来超级计算机：运算能力提高1万亿倍

　　尽管计算机的更新换代足以让人瞠目结舌，但其运算能力还不到我们期望的一半。即使是拥有强大计算能力的、位于美国橡树岭国家实验室的“美洲豹”超级计算机，可提供每秒1.7千万亿次浮点计算的性能，但还是缺乏魅力。科学家希望利用超级计算机重现宇宙的最初景象，或是准确预测地球的未来天气。令人遗憾的是，仅靠当前的超级计算机还无法实现这些目标。

　　不过，科学家表示，到2030年，将把超速度、低能耗的芯片同高速光子结合起来，设计出每秒进行十万亿亿次浮点计算的超级计算机，其运算能力相当于1万亿台当前机器的运算能力。届时，就能轻而易举地模拟出新药对人体产生的影响、社会对气候变化的反应以及相互碰撞的星系如何产生新的太阳系等。

　　石墨烯：未来材料

　　在三维世界中，存在一种最基本的认知，那就是任何事物都被赋予了深度、广度和高度。但这样的概述似乎很容易掩盖一类物质——原子或分子的晶体薄膜，特别是从传统原子中剥离出来的二维晶体。这种想法一直在指引科学界不断地靠近“未来材料”。

　　2004 年，安德烈·盖姆和同事首次发现了一种蜂窝状的碳原子单层——石墨烯（见上图）。它的硬度胜过钻石，拉伸性优于橡胶，具有良好的防水性，以及媲美金属铜的导电、导热性，且石墨烯晶体管的传输速度远远超过硅晶体管，这正是位于瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理研究所欲制造出高速量子粒子设备的希望所在。

　　随着石墨烯的优质特性逐渐显现，它已成为科学界的“宠儿”，并被寄予厚望。乐观者说，我们正步入一个前所未有的碳时代。尽管也有一些悲观者认为，石墨烯的光芒只是“昙花一现”。

　　安德烈·盖姆（2010年诺贝尔物理学奖得主）

　　太赫兹辐射：对人无害的射线

　　从可见光区域开始，依次扫描微波、红外线，以及波长更长的电磁波谱，你会发现一种前所未见的辐射——太赫兹辐射，也称T射线。

　　随着科技进步的日新月异，我们迫切地希望它们能更好地为人类服务。与X射线一样，T射线也能穿透衣物和皮肤，进行人体透视检查。但不同之处在于，T射线能避免X射线给身体带来的负面影响。除此之外，它也被用来探测复杂分子的振动能和转动能。用T射线来轰射未知物质，利用其吸收和反射情况可以显像出毒品、炸药等任何危险品。

　　目前，第一台适用于机场安检的全身T射线扫描仪已经问世。由于具备安全的保密措施，乘客不必担心扫描之后的图像会被泄露。

　　纳米发电机：利用人体产生能量

　　这个想法再简单不过了，就是把压电晶体放在鞋底下，通过挤压发电。所以，人每行走一步，都在产生电流。如果设计合理，还可以随时随地为手机充电。

　　到目前为止，氧化锌纳米线是最好的压电晶体材料，每立方厘米可产生约200毫瓦的电量。由于现在所设计的装置尺寸偏小，仅能产生毫微瓦电量，但5年后将突破至毫瓦级。

　　最后，我们还要意识到一点，这项技术的应用不仅仅是给手机充电，在生物医学、军事、无线通信和无线传感方面都将拥有广泛而重要的应用前景。

　　“有记忆”的电阻：替代人脑缺失环节

　　忆阻器被认为是电路的第四种基本元件，仅次于电阻器、电容器及电感器。尽管这些“有记忆”的电阻器早在40年前就已出现，但真正意识到这种“记忆”作用，还是2008年的事情。

　　由于忆阻器尺寸小、能耗低，所以能很好地储存和处理信息。一个忆阻器的工作量，相当于一枚CPU芯片中十几个晶体管共同产生的效用。预计到2013年，忆阻器会走入市场。

　　研究人员发现，它还能模拟人类的突触行为，让电子信号在神经元之间传递。忆阻器电路或将成为未来电脑神经回路的基本原件。

　　可验证软件：计算机不会失灵

　　网页浏览器崩溃令人心烦意乱，和软件失灵一样，它造成的后果还不算太严重。但是，如果软件失灵发生在一架飞机的自动驾驶仪上或者一个核电站的控制室内，那就另当别论了。我们的生活早已被计算机包围，如何确保它们一直正常运转呢？

　　计算机程序是语句和命令组成的序列，它们最终都归类于逻辑。逻辑可看作是数学定理，能够使用其他确定性来获得证明。

　　自上世纪60年代开始，这种使用常规逻辑来检查软件的数学技术就已经出现。并且，更快的计算机、更好的算法以及更聪明的验证理论程序正在使“可验证软件”产生商业效益。在逻辑上无懈可击的软件能有效阻挡恶意攻击，因此，“可验证软件”将带来一场确保信息安全的革命。

　　DNA折纸术：生命是一个模板

　　生命的组成物质是“黏性”的：把正确的DNA碱基对放在一起，它们就会像维克罗（一种尼龙刺粘扣，两面一碰即粘合，一扯即可分开）一样“牢不可摧”；取出一个稍长的DNA单链，然后放入稍短的单链中，短链的键能够将长链拉成特定的形状并牢固地结合在一起。

　　在分子自组装成三维结构的技术中，“DNA折纸术”是最有前景的技术之一。它能够“妙手生花”，制造出齿轮、携带密匙机制的三维箱等令人眼花缭乱的物件。但这只是“小儿科”。科学家的终极梦想是制成药物输送盒、开发生物分子的折叠和延展机制并用其制造纳米级的计算组件。

　　平方千米阵：探测黑暗的宇宙

　　目前，使用传统望远镜还无法观测到宇宙全貌。为了探清在恒星和星系形成之前的“黑暗时代”，需要制造出一个前所未见的工具——平方千米阵（SKA），由上千个射电望远镜组成。澳大利亚和南非凭借良好的无线电接收环境，从众多候选者中脱颖而出，成为将在2012年争夺该项目的最终运作地。

　　科学家预计，平方千米阵能探测到宇宙大爆炸之后第一代恒星和星系形成时发出的电磁波、揭示磁场在恒星和星系演化过程中的作用、观测暗能量产生的种种效应，甚至有人希望能够接收到地外生命发出的无线电信号。简而言之，平方千米阵将掀起未知宇宙的神秘面纱。

　　语义网：“读懂”人心

　　网页搜索具有局限性，例如，在搜索引擎输入“哪些女性曾多次获得诺贝尔奖”这个问题时，必须要经过多次查找和浏览之后才能获得正确答案。

　　如果能把语义的“元数据”加入到网页中，将实现搜索引擎直接给出正确答案。这就需要网页的制作者利用计算机能够“读懂”的链接，给“诺贝尔奖”这个词组添加注释。比如，把所有获奖者的简介和新闻都链接在“诺贝尔奖”上，并把每个名字都标注性别。

　　完成以上步骤后，搜索引擎就能够初步理解所输入的词语结构，查找之后所呈现出来的可能不再是网页，而是答案。如果再次面对开篇的问题时，它可能会直接给出答案：“一位，玛丽·居里”。

　　变换光学：让光绕过障碍

　　保持电子在轨道上运转是一件很容易的事，它们能乖乖地呆在几纳米一样薄的金属丝里。相比之下，光子就没那么容易被“驯服”了。最薄的光学纤维直径仅有微米大小，想用它来制作电脑芯片变成一个遥不可及的梦想。

　　变换光学似乎带来了解决之道，它提供给光一条“出路”，就像水流绕过阻碍一样，最后到达远远小于光波长的聚集点上。这其中的奥秘就在于，光线以及它所产生的电场和磁场，就像嵌入到一个橡胶板里。通过拉伸橡胶板，就可根据需要随意操作。这个被曲转的橡胶板告诉我们，传输介质的正确特征将同时具备电场和磁场的属性。

　　这种被设计的介质后来作为“超材料”而闻名，被用来制作“隐形斗篷”。通过引导辐射顺利地绕过障碍物，达到“隐形”效果，或是大规模地收集光线，并聚焦到一个光敏分子或量子点上的纳米范围里。变换光学为控制电磁带来了新的途径，也使光子能够像电子一样被“驯服”。

　　约翰·彭德瑞（伦敦帝国学院理论物理学家、曾研制出“隐形斗篷”）

　　网络望远镜：网络融入生活

　　简而言之，社会科学的基本问题就是相互孤立的个人组成联系紧密的组织，进而产生家庭、公司、市场和社会。

　　长久以来，我们一直在思索个人与组织的关系。眼下，成千上万的人利用电子邮件、搜索引擎、社交网站、电子商务网和普及化的智能手机，随时在线更新社交活动，实现快捷的人际交流。网络和社会科学的关系，正如望远镜和天文学一样唇齿相依，使曾经看不见的世界变得清晰可见。

　　网络融入生活。人们利用电子邮件等即时通讯工具，能快捷地通知和筹措大型群体活动；根据网络搜索量的排行榜，能准确地获知本季的流行歌曲和热门电影。不仅如此，拥有5亿用户的社交网络“传奇”——Facebook，根据用户的状态更新速度、词语性质等，评测国民幸福指数。

　　这些成功只是人类在网络生活中迈出的一小步，还无法触及诸如经济不平等、宗教不宽容等宏观的社会科学问题。曾几何时，宇航员的太空探索改变了全人类对宇宙的认识。相比之下，网络并非遥不可及，但一次次信息革命之后，却没有引发人类对自身及社会更深层次的思考。

　　邓肯·沃茨（主持雅虎“人类社会动力学”研究小组，著有《一切显而易见》一书）