1、幽靈般的粒子

作為基本粒子之一的中微子，有一個臭名昭著的特征：它們像幽靈一般，幾乎不與物質發生反應!科學家為了捕捉它們的蹤跡通常需要建造包含幾萬或數十萬噸的探測材料的巨大探測器，才能增加中微子和物質間的反應幾率。然而，今年八月，美國橡樹嶺國家實驗室設計了一種可以隨手攜帶，并且只有14.6公斤的小型中微子探測器，第一次捕捉到了43年前就被預測的一個反應：低能量的中微子與原子核內所有的核子發生散射。這個過程被稱為“相干彈性中微子-原子核散射”。此次的發現不僅驗證了物理學家Daniel Freedman在1974年的預言，也為便攜式探測器開辟了道路。

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2、當“粒子物理學”遇上“考古學”

在探測中微子的道路上，科學家為了隔絕來自外太空的宇宙射線的干擾費盡心思。盡管宇宙射線在某些場合不受歡迎，但當科學家利用這些高能粒子來探索古埃及金字塔的時候，卻有了令人意外的收獲：科學家發現了胡夫金字塔內一直隱藏著一個巨大的中空結構!雖然我們還無法得知該結構的具體細節，但此次的發現本身就令人充滿敬畏。試想一下，如果你是一名考古學家，走進這間4000多年都沒有人踏足的神秘空間，定會感到不可思議吧!更重要的是，此次發現所采用的μ子成像技術在未來或許能夠更好的被利用在全球各地的考古遺跡，特別是那些隱藏在深山老林或傳統方式難以企及的遺跡。

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3、雷電中的核聚變

我們自以為對閃電已經足夠的熟悉，但事實證明，我們仍有一些需要了解的事。日本京都大學的Teruaki Enoto和他的同事首次提供了強有力的證據表明，閃電可以導致大氣中的放射性同位素的合成。Enoto和他的同事發現，雷暴能產生高能伽馬射線，將中子從氮-14的原子核中擊出，產生不穩定的氮-13同位素。同位素會衰變成一個中微子、一個正電子和一個穩定的碳-13原子核。最后，正電子與一個大氣分子的電子湮滅，產生一對伽馬射線，每一個射線都有一個特征能量(即0.511兆電子伏特)。此次的研究結果展示的是一種之前未知的地球大氣中的同位素來源，包括碳-13、碳-14和氮-15，未來的研究還可能揭示更多，如氫、氦和鈹的同位素。

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4、量子競賽

量子計算機要在真正意義上影響我們的生活還有很長的路要走。但2017年卻是量子計算里程碑的一年，世界各大實驗室(比如谷歌、IBM等)不斷地刷新這一領域的記錄，競相在研發第一臺能夠實現“量子霸權”的量子計算機。值得一提的是，我國也在這一領域也不落于人后：潘建偉團隊制造出了第一臺超越最早期經典計算機的基于單光子的量子模擬機。而在量子通訊方面，科學家在不用傳輸任何粒子的情況下，實現了信息傳遞這一反事實量子通訊。令人欣喜的是，“墨子號”量子衛星成為了2017年的超新星，分別在量子糾纏分發、量子密匙分發和量子隱形傳態領域做出了傲人成就。

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5、時間晶體

2012年，諾貝爾物理學得主Frank Wilczek有了一個瘋狂的想法：時間晶體!我們知道，物質在靜止狀態時保持不動，并且只有勢能。而時間晶體最神奇的地方在于，當它處于“靜止狀態”或“基態”(也就是原子處于最低的能量狀態)的時候也是在運動的。這怎么可能呢?其實，這其中的魔法就在于自然的一個基本對稱性需要被打破，那就是時間對稱性。一般晶體在時間這個維度上是連續分布的，也就是說在任何時刻觀測它們都會看到同樣的晶體，而時間晶體在不同的時間卻有著不同的基態。許多物理學家都認為打破時間對稱性是不可能的。然而，2016年8月，Norman Yao在arXiv上發表了一篇有關如何證明時間晶體存在的文章。很快，來自馬里蘭大學和哈佛大學的兩個團隊依照Norman Yao所描繪的基本藍圖試圖制造時間晶體。結果是令人驚喜的，兩個團隊用不同的方法得到了相似的結果，從而印證了時間晶體是廣泛存在的一種新的物質狀態。發現時間晶體就像是發現新大陸，我們期待能夠在它身上發掘更多關于自然界的秘密。當然，科學家認為時間晶體的一個更實際應用是量子計算機，它可以被用作量子儲存器。

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6、原子尺度下的生命

2017年可謂是冷凍電鏡的一年。三名歐洲科學家因發展冷凍電鏡技術而分享了諾貝爾化學獎。他們的努力不僅提高了生物分子的成像質量，并且提供了有關三維顯微成像更加直觀簡化的有效方式，將生物化學引入新紀元。在新型計算機軟件的加強輔助下，今年，它為許多與生命相關的關鍵分子提供了新的洞見，并迅速重塑結構生物學領域。就在獲得諾獎的不久后，崔屹帶領的團隊在十月末的《科學》雜志上發表的他們的最新研究成果：利用冷凍電鏡技術揭示了敏感性的電池材料和界面的原子結構，從而開啟了冷凍電鏡材料學研究的新篇章。

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7、基因治療的曙光

1型脊髓性肌肉萎縮(SMA1)是一種進行性的單基因運動神經元疾病，被診斷為患有SMA1的嬰兒一般會在2歲左右死亡。在一個小型的臨床試驗中，美國森特維爾弗吉尼亞州一名患有SMA1的小女孩，接受了一種基因療法，取得了巨大的初步成效。基因療法是一種注入到靜脈中的一次性療法，在以往的治療實踐中效果并不總是理想。而這次的試驗展示了一種新載體在運送基因穿過腦血管屏障的能力。此次的成功使一度陷入困境的基因治療研究再次成為焦點。

8、最古老的智人化石

在過去的20年內，科學家一直認為人類起源于大約20萬年前的東非大裂谷附近。直到今年，古人類學家又有了令人驚喜的新發現，刷新了對早期人類研究的記錄。科學家在摩洛哥發現了智人的頭骨化石，將智人的歷史再往前推進了約10萬年之久。因此現在我們所知道的是，早在30萬年前，智人就已經存在了。在此之前，就有一隊科學家曾在摩洛哥的一個山洞里找到了4萬多年前的化石，這使得其他團隊的研究人員決定回到那里去做進一步的挖掘。他們在一個采石場附近的山洞里發現了五個化石標本，與此同時還發現了動物的骨頭和一些工具，他們使用了一種新的技術來精確地測量化石的年齡。這次的發現說明了人類的起源地并非僅限于東非一帶，而是遍及了整個非洲大陸。

9、人造子宮內的奇跡

這不是黑客帝國里的橋段，而是一項在費城兒童醫院實現的科學突破。現在，我們可以通過一個充滿液體的塑料袋，來維持極度早產羊羔的生存。袋子里裝滿了人造羊水，以此創造一個與子宮內狀況相似的環境。在這之前，也有其他團隊進行過類似研究，但是這一次是由羔羊自己的心臟為子宮提供動力。每只在這些充滿了液體的袋子里能存活下來的羔羊，都是基于一個能將血液通過臍帶泵入一個特殊的充氧裝置的系統。研究中，科學家使用的是約105-115天的早產羊胎，相當于約23周的人類早產嬰兒。未來，我們希望這項技術能夠用于庇護那些提前來到人世間的早產兒。

10、天文界的狂歡

在發現引力波的短短兩年之內，幾度成為了焦點，而且一次又一次的推向高潮。就在摘得今年諾貝爾物理學獎的不久后，LIGO和VIRGO，以及全球多家知名天文臺同時召開了發布會，這次，天文學家看到了宇宙中最激烈的事件之一——兩顆中子星的并合。它們的并合攪亂著時空，輻射出的引力波經歷了1.3億光年的旅程到達了地球。不僅如此，天文學家同時還探測到了中子星并合產生的短伽瑪射線暴，確認了千新星事件，發現了重元素形成之謎，測量了宇宙的膨脹率，以及引力波的傳播速度。自此，我們正式迎來了多信使時代。這是一個多么令人興奮的開始。此次的發現也被《物理世界》評選為2017年年度突破。

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關鍵詞： 科學