許 涵 (本刊特約記者)

科技,讓生活更美好

許 涵 (本刊特約記者)

第41屆世博會于2010年5月1日在上海正式開幕,這次世博會體現(xiàn)了科技世博的理念,幾十項新成果為世博提供科技保障。一些新的生活理念將改變我們今后的日常生活。

世博科技

2010上海世博會期間中國科學院近20個研究所的幾十項創(chuàng)新成果,在世博園區(qū)的規(guī)劃建設、安全保障、信息交通和技術展示等方面得以應用,為世博會的順利召開提供了有力的科技支撐。

上海微系統(tǒng)研究所研發(fā)的“上海浦東機場防入侵系統(tǒng)”共部署十萬多個節(jié)點,電子圍欄長達35 km,是目前國際上規(guī)模最大的機場防入侵傳感網(wǎng),將為世博會把好第一道入口。同時,該所與上海世博局聯(lián)合成立了世博傳感網(wǎng)應用聯(lián)合實驗室,開展了“帶狀傳感器網(wǎng)絡關鍵技術攻關及世博防入侵應用示范”項目等相關研究,建成了三層立體防入侵傳感網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)現(xiàn)已納入世博園區(qū)安防方案,區(qū)域定位精度可達0.3 m,能有效地監(jiān)控低空飛越、攀爬、挖掘等入侵行為。上海微系統(tǒng)研究所為世博會提供了多臺套的寬帶無線通信設備系統(tǒng)。該系統(tǒng)在世博園區(qū)周邊、有關城區(qū)布設了固定基站,并部署了若干移動車載基站,可將場館及周邊信息及時傳送到指揮部門,用于世博會期間的城市監(jiān)控和突發(fā)事件處置。該所還成功研制出被稱為“人造狗鼻子”的炸藥探測儀為上海世博會保駕護航,該探測儀能檢測出10萬億個空氣分子中存在的1個炸藥分子,可像警犬一樣“嗅”出隱藏的爆炸物或殘留在被檢測對象表面的炸藥痕跡。

世博會園區(qū)、場館及配套設施的建筑和裝飾材料運用了大量新技術、新材料,彰顯出此次盛會的節(jié)能、環(huán)保、低碳、綠色等特點。例如,印度首次用毛竹做穹頂?shù)闹黧w結構,主要材料是三夾板,這是建筑史上的一大突破。穹頂之上還覆蓋著各種各樣的花卉和草藥植物。這些植物不是在土壤里種植的,而是利用種種營養(yǎng)液和灌溉系統(tǒng)促使其生長。它們除了能讓穹頂看起來更美,還有兩個目的：一是控溫,二是植物可以結出果實,長出草藥。在穹頂南邊裝上了太陽能發(fā)電設備,穹頂最尖端則是一個風輪,也可用于發(fā)電。為實現(xiàn)世博交通園區(qū)內(nèi)“零排放”、園區(qū)周邊“低排放”的目標,上海硅酸鹽所研制的陶瓷金鹵燈安裝在世博園區(qū)中國館。金鹵燈是目前國際上第三代高強度氣體電光源,被稱為21世紀綠色環(huán)保照明的核心產(chǎn)品,是理想的高效節(jié)能光源。光電研究院研發(fā)的世博會車載系留氣球光電監(jiān)測系統(tǒng),是一套大型多功能空中監(jiān)測系統(tǒng),能獲取世博園地面目標的空間位置、可見光圖像、溫度、光譜特性等綜合信息,為世博園區(qū)的綜合節(jié)能、環(huán)境監(jiān)控和生態(tài)建設提供重要的監(jiān)測和評估手段。

世博會也是展示高技術產(chǎn)品的良好時機。光電研究院牽頭完成的激光顯示世博應用關鍵技術攻關項目,開展了超高亮度、高清晰度、大色域激光投影顯示系統(tǒng)集成研究,開發(fā)出滿足世博會要求的激光顯示產(chǎn)品,其中2臺激光顯示設備已安裝在世博會中國館。電工研究所針對現(xiàn)有盲文制品的缺陷,開發(fā)出蘸膠式盲文打印系統(tǒng)和非接觸式新型盲文打印系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)明盲混合打印,將在世博會展出。半導體研究所研制的半導體照明通信系統(tǒng)第三代樣機,網(wǎng)絡帶寬達2Mbps,已在世博會城市最佳實踐區(qū)上海案例館“滬上·生態(tài)家”安裝使用。該設備可在照明的同時,通過控制軟件對電視機、網(wǎng)絡媒體播放器、音響等設備進行光學無線控制。中國科技大學研制的量子通信技術將在世博會未來館中通過3D短片滾動播出,展示中國量子通信技術最新研究成果。昆明植物研究所承擔了世博會英國國家館種子庫部分建設工作。英國國家館中有目前世界上最大的“種子集合體”,該種子庫是英國館的最核心展區(qū),其中有890顆種子來自昆明植物研究所。

世博印象

隨著2010年上海世博會的召開,很多新的概念已經(jīng)進入我們的生活中。3D和低碳無疑是人們談論最多的話題。

所有參觀過這次世博會的人最直觀最深刻的印象無疑是3 D影片了,很多熱門場館都會讓參觀者觀看一段3 D影片。D是英文 Dimension(線度、維)的字頭,3 D是指三維空間。國際上是以3D電影來表示立體電影。人的視覺之所以能分辨遠近,是靠兩只眼睛的差距。人的兩眼分開約5 cm,兩只眼睛除了瞄準正前方以外,看任何一樣東西,兩眼的角度都不會相同。雖然差距很小,但經(jīng)視網(wǎng)膜傳到大腦里,大腦就用這微小的差距,產(chǎn)生遠近的深度,從而產(chǎn)生立體感。一只眼睛雖然能看到物體,但對物體遠近的距離卻不易分辨。根據(jù)這一原理,如果把同一景像,用兩只眼睛視角的差距制造出兩個影像,然后讓兩只眼睛一邊一個,各看到自己一邊的影像,透過視網(wǎng)膜就可以使大腦產(chǎn)生景深的立體感了。各式各樣的立體演示技術,也多是運用這一原理——偏光原理。

3 D電影的制作有多種形式,其中較為廣泛采用的是偏光眼鏡法。它以人眼觀察景物的方法,利用兩臺并列安置的電影攝影機,分別代表人的左、右眼,同步拍攝出兩條略帶水平視差的電影畫面。放映時,將兩條電影影片分別裝入左、右電影放映機,并在放映鏡頭前分別裝置兩個偏振軸互成90度的偏振鏡。兩臺放映機需同步運轉,同時將畫面投放在金屬銀幕上,形成左像右像雙影。當觀眾戴上特制的偏光眼鏡時,由于左、右兩片偏光鏡的偏振軸互相垂直,并與放映鏡頭前的偏振軸相一致;致使觀眾的左眼只能看到左像、右眼只能看到右像,通過雙眼匯聚功能將左、右像疊和在視網(wǎng)膜上,由大腦神經(jīng)產(chǎn)生三維立體的視覺效果。展現(xiàn)出一幅幅連貫的立體畫面,使觀眾感到景物撲面而來、或進入銀幕深凹處,能產(chǎn)生強烈的“身臨其境”感。

在世博會召開之前低碳已成為時尚詞匯,相信通過這次世博會低碳理念將成為社會發(fā)展的指向標。低碳(low carbon)意指較低(更低)的溫室氣體(二氧化碳為主)排放。隨著世界工業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展、人口的劇增、人類欲望的無限上升和生產(chǎn)生活方式的無節(jié)制,世界氣候面臨越來越嚴重的問題,二氧化碳排放量越來越大,地球臭氧層正遭受前所未有的危機,全球災難性氣候變化屢屢出現(xiàn),已經(jīng)嚴重危害到人類的生存環(huán)境和健康安全,即使人類曾經(jīng)引以為豪的高速增長或膨脹的 GDP也因為環(huán)境污染、氣候變化而大打折扣(因此,各國曾呼喚“綠色GDP”的發(fā)展模式和統(tǒng)計方式)。碳化合物一般從化石燃料中獲得,然后再分離并進一步合成出各種生產(chǎn)生活所需的產(chǎn)品,如乙烯、塑料等。

低碳經(jīng)濟,是以低能耗、低污染、低排放為基礎的經(jīng)濟模式,是人類社會繼用園區(qū)。專家表示,太陽能發(fā)電不僅為世博會留下經(jīng)認證的綠色財富和低碳世博的理念,更重要的是將為未來城市建筑發(fā)展起到示范作用,以及對今后可持續(xù)發(fā)展經(jīng)濟增長方式的轉變發(fā)揮巨大的作用。

科學家“稱”出了三個最輕夸克的質(zhì)量

農(nóng)業(yè)文明、工業(yè)文明之后的又一次重大進步。“低碳經(jīng)濟”的理想形態(tài)是充分發(fā)展“陽光經(jīng)濟”、“風能經(jīng)濟”、“氫能經(jīng)濟”、“生物質(zhì)能經(jīng)濟”。它的實質(zhì)是高能源利用效率和清潔能源結構、追求綠色GDP的問題,核心是能源技術創(chuàng)新、制度創(chuàng)新和人類生存發(fā)展觀念的根本性轉變。低碳經(jīng)濟的發(fā)展模式,為節(jié)能減排、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、構建和諧社會提供了操作性詮釋,是落實科學發(fā)展觀、建設節(jié)約型社會的綜合創(chuàng)新與實踐,是實現(xiàn)中國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的必由之路,是一場涉及生產(chǎn)方式、生活方式和價值觀念的全球性革命。從世界范圍看,預計到2030年太陽能發(fā)電也只達到世界電力供應的10%,而全球已探明的石油、天然氣和煤炭儲量將分別在今后40、60和100年左右耗盡。因此,在“碳素燃料文明時代”向“太陽能文明時代”(風能、生物質(zhì)能都是太陽能的轉換形態(tài))過渡的未來幾十年里,“低碳經(jīng)濟”、“低碳生活”的重要含義之一,就是節(jié)約化石能源的消耗,為新能源的普及利用提供時間保障。特別從中國能源結構看,低碳意味節(jié)能,低碳經(jīng)濟就是以低能耗低污染為基礎的經(jīng)濟。

向低碳經(jīng)濟轉型已經(jīng)成為世界經(jīng)濟發(fā)展的大趨勢。在此背景下,“碳足跡”、“低碳經(jīng)濟”、“低碳技術”、“低碳發(fā)展”、“低碳生活方式”、“低碳社會”、“低碳城市”、“低碳世界”等一系列新概念、新政策應運而生。能源與經(jīng)濟以至價值觀實行大變革的結果,可能將為逐步邁向生態(tài)文明走出一條新路,即擯棄20世紀的傳統(tǒng)增長模式,直接應用新世紀的創(chuàng)新技術,通過低碳經(jīng)濟模式與低碳生活方式,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

在2010上海世博會上,許多低耗環(huán)保的新型材料也一一亮相,會“呼吸”的墻壁、地板隨處可見。世博會很多場館使用的都是可回收利用的綠色材料,除了住、行,衣也可以低碳。比如,德國館的工作人員身上所穿的制服采用了一種生態(tài)循環(huán)纖維,這種特殊的滌綸纖維,可以循環(huán)回收使用。上海世博園還是目前國內(nèi)最大的太陽能光伏發(fā)電應

最近,美國科學家以超細微的誤差幅度成功計算出了三個最輕的夸克——上夸克、下夸克和奇異夸克的質(zhì)量。此項研究將夸克質(zhì)量的誤差幅度從10～20倍降低到了百分之幾。相關研究發(fā)表在2010年5月4日出版的《物理評論快報》上。

有科學家認為,所有的亞原子粒子都由三個夸克組成,夸克是組成質(zhì)子和中子的基本粒子。質(zhì)子由兩個上夸克和一個下夸克組成;中子由兩個下夸克和一個上夸克組成?？淇吮旧怼绑w態(tài)輕盈”,非常難以“捉摸”。由于夸克存在于與其他夸克、反夸克以及膠子(一種理論上假設的無質(zhì)量的粒子)等粒子組成的“夸克湯”中,經(jīng)由強作用力混雜在一起,由于它們之間的作用力太過強大,以至于科學家很難將夸克隔離開來單獨研究。

美國康奈爾大學的研究人員利用大型超級計算機模擬質(zhì)子等基本粒子中的夸克和膠子的“言行舉止”,借此充分了解它們之間的強作用力。研究人員表示,夸克之間的質(zhì)量差異大得驚人。最輕的是上夸克,其質(zhì)量只有一個質(zhì)子的1/470;最重的是頂夸克,其質(zhì)量是質(zhì)子的180倍,與整個鉛原子的質(zhì)量差不多。最終研究人員成功計算出了三個最輕的也因而最難捉摸的夸克的質(zhì)量。上夸克的質(zhì)量約為2 MeV;下夸克的質(zhì)量約為4.8 MeV;奇異夸克的質(zhì)量約為92 MeV。

英科學家研發(fā)出新碳基超導物質(zhì)

2010年5月25日出版的 Nature雜志刊登了英國利物浦大學和杜倫大學研究人員的最新發(fā)現(xiàn)。通過施加一定的壓力,可改變C60的晶體結構,不同C60晶體結構下的Cs3C60能夠從磁絕緣體轉變?yōu)槌瑢w,而其超導轉化溫度也從38 K轉化為35 K。研究人員表示,新發(fā)現(xiàn)將有助于降低諸如磁共振成像掃描儀及其他依賴超導體的能源存儲應用的成本。

研究人員使用英國盧瑟?！ぐ⑵諣栴D實驗室的散裂中子源(ISIS)和同步輻射光源(Diamond)及位于法國的歐洲同步輻射設施成功證明,金屬原子銫(Cs)和巴基球(碳原子組成的一種天然分子,又稱為 C60,其分子結構類似于巴克敏斯特·富勒設計的某種圓頂,因而得名)組成的新物質(zhì) Cs3C60本身并不導電,但其在受到擠壓時會變成高溫超導體。施加在該物體上的壓力會使得 C60收縮,由體心立方結構轉變?yōu)槊嫘牧⒎骄w結構,同時,克服了電子之間的排斥力,使得電子能夠“成雙結對”、毫無阻力地通過物質(zhì)。

研究人員表示,C60與堿金屬作用能形成AxC60(A代表鉀、銣、銫等),它們都是超導體。基于碳的超導物質(zhì)的優(yōu)勢在于不同的碳結構具有不同的特征,因此,制造出的物質(zhì)具有不同的功能和屬性。碳基超導物質(zhì)結構的靈活性讓科學家可更好地厘清高溫超導產(chǎn)生的內(nèi)在機制,了解如何制造更高溫度的超導體,碳基高溫超導物質(zhì)或?qū)⒊蔀槲磥淼闹髁?這也是人們首次證明,控制一個高溫超導體中的分子的排列方式可控制其屬性,比如C60就可以做到這一點。

世界首個“人造生命”誕生

2010年5月20日,美國生物學家Craig Venter宣布開發(fā)出了第一個由一個合成的基因組所控制的細胞,這代表著世界上首個人造生命細胞的誕生,這是人類科學歷史上的一個突破性成果。這一研究成果公布在當天出版的Science雜志上。

在這項研究中,Craig Venter博士等人通過化學的方法合成了蕈狀支原體(Mycoplasma mycoides)的基因組,然后將其植入到與它親緣關系很近的細菌山羊支原體(Mycoplasma capricolum)的細胞里,獲得了全新的蕈狀支原體,植入的基因組能調(diào)控這一細胞,新移植的基因組取代原基因組發(fā)揮作用,把寄主細菌轉變成蕈狀支原體。這一新產(chǎn)生的生命能自我生長、繁殖,此次重塑的DNA片段包含850個左右的基因,盡管在移植的細菌中有14個基因被刪除或遭到中斷,但其中包含有添加的4個DNA序列使其成為區(qū)別于自然基因組的“水印”,看上去仍然像是正常的絲狀支原體細菌,并只能產(chǎn)生絲狀支原體的蛋白質(zhì)。

這個最新研制的合成細胞被稱為“辛西婭”(Synthia,意為“人造兒”),Craig Venter博士等人希望還能設計出更新穎的基因組,使得含有這些基因組的細菌能夠完成特別的任務以幫助解決能源、環(huán)?；蚱渌膯栴}。

現(xiàn)代軟體動物祖先

2010年5月28日,Nature雜志刊登了加拿大科學家的最新發(fā)現(xiàn)——一種好似從薩爾瓦多·達利畫作中走出來的動物。根據(jù)分析,這種怪異的生活在大約5億年前的海洋動物可能就是魷魚、章魚、烏賊以及其他所有頭足類軟體動物的母親。

在對來自加拿大伯吉斯頁巖的化石樣本進行分析之后,科學家發(fā)現(xiàn)了這種動物,將其命名為“Nectocaris pteryx”。Nectocaris身長在 5 cm左右,這一長度包括兩個觸角在內(nèi)。它們是行動快速的捕食者,利用起伏的類似翅膀的鰭狀物在水中游動。令人感到好奇的是,這種動物還能利用漏斗狀的鼻子噴水,鼻子同時還可以朝著不同方向轉動。噴水是現(xiàn)代頭足類動物的一個特征。在對新發(fā)現(xiàn)的Nectocaris化石進行仔細分析之后,研究人員發(fā)現(xiàn)了這個關鍵的解剖學特征。在他們看來,這一特征說明Nectocaris一定就是魷魚、章魚以及鸚鵡螺最原始的共同祖先,理由就是其他任何動物都不采用這種噴水推進方式。

研究人員表示,頭足類動物是智商最高的無脊椎動物。它們的腦容量較大,視力極佳,能夠利用偽裝躲避捕食者或者蒙騙獵物,但其起源問題一直未能確定。人們長久以來一直認為頭足類動物在寒武紀晚期進化,逐漸形成類似蝸牛的殼,使其能夠在水中漂浮。Nectocaris告訴我們第一批頭足類動物實際上已經(jīng)在不借助充滿空氣的殼情況下在水中游動。根據(jù)這一發(fā)現(xiàn),可將頭足類動物的起源往前推至少3000萬年,也就是大約5億年前著名的寒武紀生物大爆炸時期。

新型類人物種

2010年4月9日,Science雜志刊登封面文章,介紹一種新發(fā)現(xiàn)的類人物種——南方古猿源泉種。這一發(fā)現(xiàn)源自有“人類搖籃”之稱的南非斯泰克方丹化石遺址區(qū)出土的兩具類人動物骨骼化石,其生活的年代距今約200萬年,這一發(fā)現(xiàn)可能填補史前由猿到人進化過程中的一些失落環(huán)節(jié),并幫助科學家解開人類遠祖何時開始以雙腿直立行走等關鍵問題。

此前,科學家發(fā)現(xiàn)的史前人類化石大多數(shù)是骨頭或牙齒化石碎片,很難從這些小碎片或骨頭中來了解幾百萬年的進化歷程,但這次在南非發(fā)現(xiàn)的骨骼化石幾乎是完整的骨骼。這兩具骨骼化石同時體現(xiàn)出猿類和人類的特征。比如“他們”的胳膊像古猿那樣很長,暗示這種古人類非常善于爬樹?！八麄儭钡氖窒裨愁惸菢訌澢?但是手指排列緊密,與現(xiàn)代人的手非常相似。少年雄性的頭骨尤其體現(xiàn)一些混合特征,比如頭部很小,大腦僅比當時的南方古猿稍大,但其面部特征,如突出的鼻子、相對較小的臼齒、顴骨縮回,都與后期的現(xiàn)代智人更相似。此外,“他們”還擁有較長的雙腿,以及原始人類所特有的骨盆,這表示“他們”已經(jīng)具備直立行走的能力,甚至可能已經(jīng)會跑?！八麄儭钡纳砀呔鶠?.27 m左右,這種物種最高能長到1.3 m左右,與更新紀靈長動物接近。少年雄性腦容量約為420 cm3至450 cm3,比已知的原始人類“智人”最小的腦容量510 cm3還要小(人類的腦容量在1200 cm3至1600 cm3之間)。這些罕見的化石將幫助科學家了解200萬年前我們史前祖先的面貌,以及他們是如何生活的,更關鍵的是,這些化石還有助于解開靈長類動物何時開始以兩條腿直立行走等謎團。

科學家發(fā)現(xiàn)另類天體

美國賓夕法尼亞大學天文學家凱文·魯曼領導的科研小組利用哈勃太空望遠鏡和雙子座天文觀測臺,新近發(fā)現(xiàn)一顆天體令天文學家感到非常困惑,因為它非常神奇,不屬于任何已知的天文學分類。科研人員將研究成果發(fā)表在2010年4月5日的《天體物理學雜志》(The Astrophysical Journal)上。

這顆新發(fā)現(xiàn)的神秘天體圍繞一顆褐矮星運轉,構成了雙星系統(tǒng),位于離地球460光年的金牛座。它的質(zhì)量大約是木星的5到10倍,不過還是因質(zhì)量太小而無法被劃歸為褐矮星;同時這顆天體據(jù)估算大約有100萬年的歷史,這又讓它因為太年輕而無法被劃為一顆行星。魯曼認為,盡管這一小型的伴星的質(zhì)量同繞恒星運轉的行星相近,但是并不能就此認為它是像行星那樣形成的。也就是說,似乎存在兩種不同的生成小型伴星的方法。

這一神奇天體和褐矮星之間相距15個天文單位,兩者構成了雙星系統(tǒng)。如果它們被置于太陽系內(nèi),褐矮星在太陽的位置,那么這顆神奇的天體將處于土星和天王星中間的位置。該天體的質(zhì)量大約是木星的5到10倍,由于質(zhì)量太小無法使氘發(fā)生聚變反應。最近國際天文學聯(lián)合會將能否引發(fā)氘的核聚變反應看做衡量褐矮星的標準,只有當天體達到13個木星質(zhì)量時,才會發(fā)生聚變反應。不過這一神奇天體似乎同那顆褐矮星“年齡”相仿,并不符合常規(guī)的行星形成理論。常規(guī)理論認為,行星形成于圍繞新生恒星赤道旋轉的氣體盤。氣體和塵埃云中的微粒相互碰撞,逐漸積聚成大物體,最終形成行星。因此,行星的形成時間應該晚于恒星。并且100萬年并不足以按這種方式形成一顆行星。

由于這種奇特的天體很可能是同褐矮星一同形成的,魯曼認為它應該劃歸為小型褐矮星。因為這顆天體像褐矮星那樣形成,因此它的成分應該與褐矮星相同。這一天體主要是由同一物質(zhì)構成的,這同木星的構成成分形成了鮮明反差。木星很可能有一個重元素構成的巖質(zhì)內(nèi)核,周圍包裹著氫氣和氦氣構成的氣態(tài)殼。

這一雙星系統(tǒng)附近還存在另外一個由紅恒星和褐矮星組成的雙星系統(tǒng)。這兩個雙星系統(tǒng)似乎是在同一時間形成的,而且形成方式也是一樣的?？茖W家表示將對這一奇特天體展開進一步研究。國際天文學聯(lián)合會系外行星委員會主席阿蘭·波什說：“似乎這一新系統(tǒng)是按照形成雙星系統(tǒng)的崩塌和破碎過程形成的。”在2001年,波什就曾撰寫論文從理論上闡釋這種行星的存在。波什說：“盡管人們喜歡用行星來稱呼比13個木星質(zhì)量小的天體,但是考慮到人們越來越關注系外行星,其中的一些叫做次褐矮星更為合適?！?/p>

(2010年6月2日收到)

(責任編輯：方守獅)

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XU Han

10.3969/j.issn 0253-9608.2010.03.011