這一年，新發(fā)現(xiàn)顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知

科學(xué)家追尋百年的萬有引力常數(shù)G值有了新的答案，為科技界服役130年的國際千克原器面臨退休，從航天到地球四極，2018年，新技術(shù)助力的科學(xué)新發(fā)現(xiàn)，不斷顛覆著人類已有的認(rèn)知。

深空探測開啟新旅程

12月8日，在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，我國用長征三號乙運(yùn)載火箭成功發(fā)射嫦娥四號探測器，開啟了月球探測的新旅程。

嫦娥四號與嫦娥三號是一對“雙胞胎”。雖然與“三姐”外貌一樣，但與嫦娥三號以“測月、巡天、觀地”為科學(xué)目標(biāo)不同，嫦娥四號將經(jīng)歷地月轉(zhuǎn)移、近月制動、環(huán)月飛行，最終實(shí)現(xiàn)人類首次月球背面軟著陸，開展月球背面就位探測及巡視探測，并通過已在使命軌道運(yùn)行的“鵲橋”中繼星，實(shí)現(xiàn)月球背面與地球之間的中繼通信。

作為我國改革開放40年來取得的重要成就之一，11月19日，隨著兩顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心順利升空，我國成功完成北斗三號基本系統(tǒng)星座部署。

北斗三號工程于2009年正式啟動建設(shè)后，目前正按照最簡系統(tǒng)、基本系統(tǒng)、全球系統(tǒng)三步實(shí)施組網(wǎng)：2000年年底建成北斗一號系統(tǒng)，向中國提供服務(wù);2012年年底建成北斗二號系統(tǒng)，向亞太地區(qū)提供服務(wù);2020年前后建成北斗全球系統(tǒng)，向全球提供服務(wù)。

中國散裂中子源開始運(yùn)行

歷經(jīng)6年半的建設(shè)，8月，國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施中國散裂中子源項(xiàng)目在廣東東莞通過國家驗(yàn)收，正式投入運(yùn)行，其綜合性能進(jìn)入國際同類裝置先進(jìn)行列，并將正式對國內(nèi)外各領(lǐng)域的用戶開放。

中國散裂中子源由中國科學(xué)院和廣東省共同建造，建設(shè)內(nèi)容包括：1臺8千萬電子伏特負(fù)氫離子直線加速器、1臺16億電子伏特快循環(huán)同步加速器、1個(gè)靶站，以及一期3臺供科學(xué)實(shí)驗(yàn)用的中子散射譜儀。

“中國散裂中子源就像‘超級顯微鏡’，是研究物質(zhì)材料微觀結(jié)構(gòu)的理想探針。我們可以利用散裂中子源來研究大型金屬部件的殘余應(yīng)力，這對于提高高鐵關(guān)鍵部件和航空發(fā)動機(jī)部件的性能，以及核電站部件的服役性能十分重要。”中國散裂中子源工程總指揮、工程經(jīng)理陳和生院士說，此外，可燃冰、磁性材料的研究，以及化學(xué)反應(yīng)催化劑的原位研究等，都可以使用散裂中子源。

企鵝木乃伊“痛述”百年前慘劇

憨態(tài)可掬的企鵝是地球重要一極——南極的標(biāo)志性動物。

現(xiàn)代生態(tài)學(xué)研究表明，在南極無冰區(qū)繁殖的阿德雷企鵝面臨諸多困難，夏季的暴雪、冰山的阻隔都可能造成企鵝幼鳥大量死亡的慘劇。

此類事件在歷史上是否存在?造成了怎樣的后果?中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)極地環(huán)境研究室孫立廣—謝周清教授團(tuán)隊(duì)今年9月公布的研究，卻將南極企鵝幼鳥的木乃伊“墓園”與兩場百年前的大規(guī)模天氣災(zāi)害聯(lián)系起來，首次揭示了突變性氣候異常引發(fā)企鵝幼鳥大規(guī)模死亡的生態(tài)災(zāi)難事件。

孫立廣表示，該研究提出了短時(shí)間尺度的災(zāi)難性氣候事件可能影響企鵝生態(tài)變化，也為未來企鵝古生態(tài)的研究指明了一個(gè)新的方向：對比研究全球氣候變化背景下的極端氣候與生態(tài)事件。該研究也警醒，在全球氣候變暖背景下，企鵝可能面對新的生存挑戰(zhàn)。

國際千克原器要退休了

一千克究竟有多重?這個(gè)看似簡單的問題，科學(xué)家卻探索了百年。

11月在法國凡爾賽召開的第26屆國際計(jì)量大會，通過了修訂國際單位制(SI)的決議。

國際單位制中的4個(gè)基本單位改由自然常數(shù)來定義，質(zhì)量單位千克采用普朗克常數(shù)定義，電流單位安培采用基本電荷量定義，物質(zhì)的量單位摩爾采用阿佛加德羅常數(shù)定義，溫度單位開爾文采用玻爾茲曼常數(shù)定義，并于2019年國際計(jì)量日(5月20日)起正式生效。而定義質(zhì)量單位的國際千克原器也將在2019年5月20日起正式退休。

盡管這些單位的大小不會發(fā)生變化——1千克還將是原來的1千克，但國際計(jì)量局局長馬丁·米爾頓表示，國際單位制的修訂是科學(xué)進(jìn)步的一座里程碑。

“這是人類在基本單位體系中首次徹底擺脫了實(shí)物基準(zhǔn)，將所有基本單位的定義推向‘量子化’的關(guān)鍵一步。” 在國際計(jì)量局物理計(jì)量所功率天平組工作的李世松博士在接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)表示。

基本單位的量子化雖然從表面上人們不會看到太大的變化，但是它對高精尖科技的發(fā)展卻至關(guān)重要。1967年，時(shí)間單位秒用基于原子躍遷的“原子秒”取代“天文秒”，標(biāo)志著國際單位體系從實(shí)物時(shí)代開始邁向量子時(shí)代。原子時(shí)誕生50年來，時(shí)間頻率的測量準(zhǔn)確度躍升1000萬倍，成為目前測得最準(zhǔn)的物理量。正是基于時(shí)間定義的量子化變革，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星導(dǎo)航定位，其精度更是達(dá)到了厘米級別，成就了數(shù)萬億美元的衛(wèi)星導(dǎo)航定位產(chǎn)品與服務(wù)市場。

測出最精確萬有引力常數(shù)G值

2018年，科學(xué)家追尋百年的科學(xué)問題有了新的答案，比如萬有引力常數(shù)G值。

常數(shù)G有著重要意義。沒有G，萬有引力定律不算完美，一些與之相關(guān)的天體物理學(xué)、地球物理學(xué)、計(jì)量學(xué)等研究問題很難解決。1687年，牛頓在其著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中系統(tǒng)地介紹了萬有引力定律。但當(dāng)年牛頓不知道G值到底是多少。

為了讓這個(gè)數(shù)值更精確，幾百年來，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家為此付出了極大努力，但G值測量精度的提高卻異常緩慢。

究其原因，一是萬有引力非常微弱，二是任何有質(zhì)量的物體都對其他物體有引力作用，并且無法屏蔽，換句話說，甚至實(shí)驗(yàn)室外偶然路過的一只飛鳥，都可能在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)里留下“痕跡”。

2018年8月30日，《自然》雜志刊發(fā)了我國科學(xué)家羅俊與其團(tuán)隊(duì)測量引力常數(shù)G的最新結(jié)果，該團(tuán)隊(duì)采用兩種不同測量方法，將G值的精度達(dá)到國際最好水平，這一結(jié)果為確定高精度引力常數(shù)推薦值作出了實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)，將有利于提升我國在基礎(chǔ)物理學(xué)領(lǐng)域的話語權(quán)，也為我國開展空間引力波探測計(jì)劃提供了更好的基礎(chǔ)支撐。

萬米深海探索百舸爭流

上九天攬?jiān)拢挛逖笞谨M。今年深海領(lǐng)域同樣動作頻頻。

在南印度洋上，中國科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所的4500級載人潛水器“深海勇士號”載人深潛器，12月11日完成了第100次下潛航次。

世界上海底最深的地方，深度超過萬米，人稱地球第四極。10月16日，我國第三次萬米深淵綜合科考成功完成各項(xiàng)任務(wù)，從馬里亞納海溝海域返回三亞。本次科考充分驗(yàn)證了多個(gè)國產(chǎn)深海裝備的穩(wěn)定性和可靠性，取得多項(xiàng)國內(nèi)首次和國際首次的科考成果。

11月25日，“彩虹魚”2018馬里亞納海溝海試與科考團(tuán)隊(duì)，乘“沈括”號科學(xué)調(diào)查船啟航，奔赴全球最深海溝——馬里亞納海溝。此次海試與科考航次是“彩虹魚挑戰(zhàn)萬米深淵”項(xiàng)目的一部分。該航次中，將在馬里亞納海溝最深處“挑戰(zhàn)者深淵”附近海域，開展“彩虹魚”萬米級載人潛水器超短基線系統(tǒng)海上試驗(yàn)、2臺第二代“彩虹魚”著陸器萬米級海上試驗(yàn)、1臺4500米級大深度浮標(biāo)海上試驗(yàn)等工作，同時(shí)完成科學(xué)樣本采集和海底拍攝任務(wù)。

載人球艙是萬米載人潛水器的核心部件。12月15日，我國深海重大專項(xiàng)——萬米載人潛水器載人艙球殼完成焊接。該潛水器建成后，可在覆蓋世界最大深度的海洋開展載人下潛和科考作業(yè)。

在即將過去的一年，無人潛水器“海龍”“潛龍”深海裝備成功海試并被應(yīng)用，標(biāo)志著我國在深海重大裝備的設(shè)計(jì)、制造方面已具備產(chǎn)品化開發(fā)制造能力。

清華大學(xué)提出波函數(shù)全新觀點(diǎn)

有那么一個(gè)世界：嶗山道士的穿墻術(shù)成為可能，你腳下的大地也不再堅(jiān)實(shí)，甚至世界的客觀實(shí)在性也消失了，一切都要用概率來解釋。這就是量子力學(xué)的世界，其理論核心之一就是利用波函數(shù)來描述微觀物體的量子狀態(tài)。

波函數(shù)理論已經(jīng)衍生出諸如激光、半導(dǎo)體和核能等高新技術(shù)，深刻變革了人類生活方式。多年來，物理學(xué)家們提出各種關(guān)于波函數(shù)的假設(shè)和詮釋，并設(shè)計(jì)出各種實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，卻始終沒有達(dá)成共識。其中最主流聲音認(rèn)為，波函數(shù)僅是一種數(shù)學(xué)描述，用來計(jì)算微觀物體在某處出現(xiàn)的概率。

2018年，清華大學(xué)龍桂魯教授以第一和通訊作者身份，在《中國科學(xué)：物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)(英文版)》上發(fā)表的一項(xiàng)研究，提出完全不同的全新觀點(diǎn)，認(rèn)為波函數(shù)是微觀物體的真實(shí)存在，不再是簡單的數(shù)學(xué)描述, 打破了人們對波函數(shù)的傳統(tǒng)認(rèn)識, 有利于幫助人們深刻理解量子規(guī)律, 進(jìn)一步探索微觀世界。

中國“人造太陽”實(shí)現(xiàn)1億度

核聚變就像氫彈爆炸或太陽內(nèi)部反應(yīng)，溫度超高，一般容器沒法盛放。被寄予最大希望的核聚變實(shí)驗(yàn)方案叫“托卡馬克”——用超強(qiáng)的磁場約束高溫的核燃料。

EAST又稱東方超環(huán)，是中國研制的世界第一個(gè)非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克，也是我國第四代核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。它的科學(xué)目標(biāo)是讓海水中大量存在的氘和氚在高溫條件下，像太陽一樣發(fā)生核聚變，為人類提供源源不斷的清潔能源，所以也被稱為“人造太陽”。它的外形像一個(gè)甜甜圈，它使用超導(dǎo)體，以最小的能耗獲取最強(qiáng)的磁場。

11月，中科院等離子體所發(fā)布消息，我國大科學(xué)裝置“人造太陽”——EAST取得重大突破，實(shí)現(xiàn)加熱功率超過10兆瓦，等離子體儲能增加到300千焦，等離子體中心電子溫度首次達(dá)到1億度，獲得的多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)接近未來聚變堆穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式所需要的物理?xiàng)l件，朝著未來聚變堆實(shí)驗(yàn)運(yùn)行邁出了關(guān)鍵一步。

第二次青藏科考公布首期成果

2017年，我國啟動了第二次青藏科考，有別于“地理大發(fā)現(xiàn)”式的第一次青藏科考，這次，科學(xué)家們聚焦世界第三極的青藏高原的“變化”，圍繞青藏高原地球系統(tǒng)變化及其影響這一關(guān)鍵科學(xué)問題，揭示機(jī)理，同時(shí)為優(yōu)化青藏高原生態(tài)安全屏障體系提出科學(xué)方案。

2018年9月，第二次青藏高原綜合科考舉行首期成果報(bào)告會，科考隊(duì)總隊(duì)長、中科院青藏高原研究所姚檀棟院士說：“過去60年來，我們經(jīng)歷了人類歷史上前所未有的氣候變暖，青藏高原作為世界第三極，是全球氣候變化最敏感地區(qū)之一，其升溫率超過全球同期平均升溫率的兩倍。”

青藏高原被譽(yù)為生物演化的“天然實(shí)驗(yàn)室”。從植物到動物，從驍勇善戰(zhàn)的大型肉食動物到茍且營生的小型鼠類，在青藏舞臺上陸續(xù)登場之后，或就地適應(yīng)，或遷徙他處。在中科院古脊椎動物與古人類研究所所長鄧濤研究員看來，青藏地區(qū)的生物演化歷程撐起了今天世界生物多樣性的主體。

核燃料有了新選擇

燃料組件是核反應(yīng)堆的核心，是影響核電安全性和經(jīng)濟(jì)性的最重要因素。

鋯合金材料是核反應(yīng)堆堆芯的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料，作為構(gòu)成燃料組件的“骨骼”和“皮膚”，鋯合金被稱為核反應(yīng)堆的“第一道安全屏障”，長期以來，國內(nèi)核電站燃料組件所用的鋯合金材料基本依賴進(jìn)口。11月，中核集團(tuán)宣布，我國首個(gè)自主研發(fā)的滿足三代核電要求的鋯合金材料——CF3核燃料組件N36鋯合金材料批量化首批產(chǎn)品成功下線通過驗(yàn)收。

與通過研發(fā)新的包殼/芯塊材料以提高燃料性能的技術(shù)路徑不同，11月26日，我國在國際上首次完成環(huán)形燃料零功率物理實(shí)驗(yàn)，環(huán)形燃料主要通過改變元件結(jié)構(gòu)提升整體性能。這種結(jié)構(gòu)完全革新的先進(jìn)燃料元件芯塊被制成環(huán)狀，內(nèi)外表面被加裝包殼管，有內(nèi)外兩個(gè)冷卻劑通道，以增加傳熱面積、提高換熱效率。與現(xiàn)有壓水堆相比，若保持堆芯輸出功率不變,燃料芯塊和包殼的峰值溫度更低，將顯著提升堆芯安全性;若維持現(xiàn)有安全裕度不變，通過計(jì)算模擬證明，堆芯輸出功率可提升20%—50%，大幅提高核電經(jīng)濟(jì)性。