科技,让生活更美好

许 涵 (本刊特约记者)

科技,让生活更美好

许 涵 (本刊特约记者)

第41届世博会于2010年5月1日在上海正式开幕,这次世博会体现了科技世博的理念,几十项新成果为世博提供科技保障。一些新的生活理念将改变我们今后的日常生活。

世博科技

2010上海世博会期间中国科学院近20个研究所的几十项创新成果,在世博园区的规划建设、安全保障、信息交通和技术展示等方面得以应用,为世博会的顺利召开提供了有力的科技支撑。

上海微系统研究所研发的“上海浦东机场防入侵系统”共部署十万多个节点,电子围栏长达35 km,是目前国际上规模最大的机场防入侵传感网,将为世博会把好第一道入口。同时,该所与上海世博局联合成立了世博传感网应用联合实验室,开展了“带状传感器网络关键技术攻关及世博防入侵应用示范”项目等相关研究,建成了三层立体防入侵传感网系统。该系统现已纳入世博园区安防方案,区域定位精度可达0.3 m,能有效地监控低空飞越、攀爬、挖掘等入侵行为。上海微系统研究所为世博会提供了多台套的宽带无线通信设备系统。该系统在世博园区周边、有关城区布设了固定基站,并部署了若干移动车载基站,可将场馆及周边信息及时传送到指挥部门,用于世博会期间的城市监控和突发事件处置。该所还成功研制出被称为“人造狗鼻子”的炸药探测仪为上海世博会保驾护航,该探测仪能检测出10万亿个空气分子中存在的1个炸药分子,可像警犬一样“嗅”出隐藏的爆炸物或残留在被检测对象表面的炸药痕迹。

世博会园区、场馆及配套设施的建筑和装饰材料运用了大量新技术、新材料,彰显出此次盛会的节能、环保、低碳、绿色等特点。例如,印度首次用毛竹做穹顶的主体结构,主要材料是三夹板,这是建筑史上的一大突破。穹顶之上还覆盖着各种各样的花卉和草药植物。这些植物不是在土壤里种植的,而是利用种种营养液和灌溉系统促使其生长。它们除了能让穹顶看起来更美,还有两个目的：一是控温,二是植物可以结出果实,长出草药。在穹顶南边装上了太阳能发电设备,穹顶最尖端则是一个风轮,也可用于发电。为实现世博交通园区内“零排放”、园区周边“低排放”的目标,上海硅酸盐所研制的陶瓷金卤灯安装在世博园区中国馆。金卤灯是目前国际上第三代高强度气体电光源,被称为21世纪绿色环保照明的核心产品,是理想的高效节能光源。光电研究院研发的世博会车载系留气球光电监测系统,是一套大型多功能空中监测系统,能获取世博园地面目标的空间位置、可见光图像、温度、光谱特性等综合信息,为世博园区的综合节能、环境监控和生态建设提供重要的监测和评估手段。

世博会也是展示高技术产品的良好时机。光电研究院牵头完成的激光显示世博应用关键技术攻关项目,开展了超高亮度、高清晰度、大色域激光投影显示系统集成研究,开发出满足世博会要求的激光显示产品,其中2台激光显示设备已安装在世博会中国馆。电工研究所针对现有盲文制品的缺陷,开发出蘸胶式盲文打印系统和非接触式新型盲文打印系统。该系统能够实现明盲混合打印,将在世博会展出。半导体研究所研制的半导体照明通信系统第三代样机,网络带宽达2Mbps,已在世博会城市最佳实践区上海案例馆“沪上·生态家”安装使用。该设备可在照明的同时,通过控制软件对电视机、网络媒体播放器、音响等设备进行光学无线控制。中国科技大学研制的量子通信技术将在世博会未来馆中通过3D短片滚动播出,展示中国量子通信技术最新研究成果。昆明植物研究所承担了世博会英国国家馆种子库部分建设工作。英国国家馆中有目前世界上最大的“种子集合体”,该种子库是英国馆的最核心展区,其中有890颗种子来自昆明植物研究所。

世博印象

随着2010年上海世博会的召开,很多新的概念已经进入我们的生活中。3D和低碳无疑是人们谈论最多的话题。

所有参观过这次世博会的人最直观最深刻的印象无疑是3 D影片了,很多热门场馆都会让参观者观看一段3 D影片。D是英文 Dimension(线度、维)的字头,3 D是指三维空间。国际上是以3D电影来表示立体电影。人的视觉之所以能分辨远近,是靠两只眼睛的差距。人的两眼分开约5 cm,两只眼睛除了瞄准正前方以外,看任何一样东西,两眼的角度都不会相同。虽然差距很小,但经视网膜传到大脑里,大脑就用这微小的差距,产生远近的深度,从而产生立体感。一只眼睛虽然能看到物体,但对物体远近的距离却不易分辨。根据这一原理,如果把同一景像,用两只眼睛视角的差距制造出两个影像,然后让两只眼睛一边一个,各看到自己一边的影像,透过视网膜就可以使大脑产生景深的立体感了。各式各样的立体演示技术,也多是运用这一原理——偏光原理。

3 D电影的制作有多种形式,其中较为广泛采用的是偏光眼镜法。它以人眼观察景物的方法,利用两台并列安置的电影摄影机,分别代表人的左、右眼,同步拍摄出两条略带水平视差的电影画面。放映时,将两条电影影片分别装入左、右电影放映机,并在放映镜头前分别装置两个偏振轴互成90度的偏振镜。两台放映机需同步运转,同时将画面投放在金属银幕上,形成左像右像双影。当观众戴上特制的偏光眼镜时,由于左、右两片偏光镜的偏振轴互相垂直,并与放映镜头前的偏振轴相一致;致使观众的左眼只能看到左像、右眼只能看到右像,通过双眼汇聚功能将左、右像叠和在视网膜上,由大脑神经产生三维立体的视觉效果。展现出一幅幅连贯的立体画面,使观众感到景物扑面而来、或进入银幕深凹处,能产生强烈的“身临其境”感。

在世博会召开之前低碳已成为时尚词汇,相信通过这次世博会低碳理念将成为社会发展的指向标。低碳(low carbon)意指较低(更低)的温室气体(二氧化碳为主)排放。随着世界工业经济的发展、人口的剧增、人类欲望的无限上升和生产生活方式的无节制,世界气候面临越来越严重的问题,二氧化碳排放量越来越大,地球臭氧层正遭受前所未有的危机,全球灾难性气候变化屡屡出现,已经严重危害到人类的生存环境和健康安全,即使人类曾经引以为豪的高速增长或膨胀的 GDP也因为环境污染、气候变化而大打折扣(因此,各国曾呼唤“绿色GDP”的发展模式和统计方式)。碳化合物一般从化石燃料中获得,然后再分离并进一步合成出各种生产生活所需的产品,如乙烯、塑料等。

低碳经济,是以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式,是人类社会继用园区。专家表示,太阳能发电不仅为世博会留下经认证的绿色财富和低碳世博的理念,更重要的是将为未来城市建筑发展起到示范作用,以及对今后可持续发展经济增长方式的转变发挥巨大的作用。

科学家“称”出了三个最轻夸克的质量

农业文明、工业文明之后的又一次重大进步。“低碳经济”的理想形态是充分发展“阳光经济”、“风能经济”、“氢能经济”、“生物质能经济”。它的实质是高能源利用效率和清洁能源结构、追求绿色GDP的问题,核心是能源技术创新、制度创新和人类生存发展观念的根本性转变。低碳经济的发展模式,为节能减排、发展循环经济、构建和谐社会提供了操作性诠释,是落实科学发展观、建设节约型社会的综合创新与实践,是实现中国经济可持续发展的必由之路,是一场涉及生产方式、生活方式和价值观念的全球性革命。从世界范围看,预计到2030年太阳能发电也只达到世界电力供应的10%,而全球已探明的石油、天然气和煤炭储量将分别在今后40、60和100年左右耗尽。因此,在“碳素燃料文明时代”向“太阳能文明时代”(风能、生物质能都是太阳能的转换形态)过渡的未来几十年里,“低碳经济”、“低碳生活”的重要含义之一,就是节约化石能源的消耗,为新能源的普及利用提供时间保障。特别从中国能源结构看,低碳意味节能,低碳经济就是以低能耗低污染为基础的经济。

向低碳经济转型已经成为世界经济发展的大趋势。在此背景下,“碳足迹”、“低碳经济”、“低碳技术”、“低碳发展”、“低碳生活方式”、“低碳社会”、“低碳城市”、“低碳世界”等一系列新概念、新政策应运而生。能源与经济以至价值观实行大变革的结果,可能将为逐步迈向生态文明走出一条新路,即摈弃20世纪的传统增长模式,直接应用新世纪的创新技术,通过低碳经济模式与低碳生活方式,实现可持续发展。

在2010上海世博会上,许多低耗环保的新型材料也一一亮相,会“呼吸”的墙壁、地板随处可见。世博会很多场馆使用的都是可回收利用的绿色材料,除了住、行,衣也可以低碳。比如,德国馆的工作人员身上所穿的制服采用了一种生态循环纤维,这种特殊的涤纶纤维,可以循环回收使用。上海世博园还是目前国内最大的太阳能光伏发电应

最近,美国科学家以超细微的误差幅度成功计算出了三个最轻的夸克——上夸克、下夸克和奇异夸克的质量。此项研究将夸克质量的误差幅度从10～20倍降低到了百分之几。相关研究发表在2010年5月4日出版的《物理评论快报》上。

有科学家认为,所有的亚原子粒子都由三个夸克组成,夸克是组成质子和中子的基本粒子。质子由两个上夸克和一个下夸克组成;中子由两个下夸克和一个上夸克组成。夸克本身“体态轻盈”,非常难以“捉摸”。由于夸克存在于与其他夸克、反夸克以及胶子(一种理论上假设的无质量的粒子)等粒子组成的“夸克汤”中,经由强作用力混杂在一起,由于它们之间的作用力太过强大,以至于科学家很难将夸克隔离开来单独研究。

美国康奈尔大学的研究人员利用大型超级计算机模拟质子等基本粒子中的夸克和胶子的“言行举止”,借此充分了解它们之间的强作用力。研究人员表示,夸克之间的质量差异大得惊人。最轻的是上夸克,其质量只有一个质子的1/470;最重的是顶夸克,其质量是质子的180倍,与整个铅原子的质量差不多。最终研究人员成功计算出了三个最轻的也因而最难捉摸的夸克的质量。上夸克的质量约为2 MeV;下夸克的质量约为4.8 MeV;奇异夸克的质量约为92 MeV。

英科学家研发出新碳基超导物质

2010年5月25日出版的 Nature杂志刊登了英国利物浦大学和杜伦大学研究人员的最新发现。通过施加一定的压力,可改变C60的晶体结构,不同C60晶体结构下的Cs3C60能够从磁绝缘体转变为超导体,而其超导转化温度也从38 K转化为35 K。研究人员表示,新发现将有助于降低诸如磁共振成像扫描仪及其他依赖超导体的能源存储应用的成本。

研究人员使用英国卢瑟福·阿普尔顿实验室的散裂中子源(ISIS)和同步辐射光源(Diamond)及位于法国的欧洲同步辐射设施成功证明,金属原子铯(Cs)和巴基球(碳原子组成的一种天然分子,又称为 C60,其分子结构类似于巴克敏斯特·富勒设计的某种圆顶,因而得名)组成的新物质 Cs3C60本身并不导电,但其在受到挤压时会变成高温超导体。施加在该物体上的压力会使得 C60收缩,由体心立方结构转变为面心立方晶体结构,同时,克服了电子之间的排斥力,使得电子能够“成双结对”、毫无阻力地通过物质。

研究人员表示,C60与碱金属作用能形成AxC60(A代表钾、铷、铯等),它们都是超导体。基于碳的超导物质的优势在于不同的碳结构具有不同的特征,因此,制造出的物质具有不同的功能和属性。碳基超导物质结构的灵活性让科学家可更好地厘清高温超导产生的内在机制,了解如何制造更高温度的超导体,碳基高温超导物质或将成为未来的主流,这也是人们首次证明,控制一个高温超导体中的分子的排列方式可控制其属性,比如C60就可以做到这一点。

世界首个“人造生命”诞生

2010年5月20日,美国生物学家Craig Venter宣布开发出了第一个由一个合成的基因组所控制的细胞,这代表着世界上首个人造生命细胞的诞生,这是人类科学历史上的一个突破性成果。这一研究成果公布在当天出版的Science杂志上。

在这项研究中,Craig Venter博士等人通过化学的方法合成了蕈状支原体(Mycoplasma mycoides)的基因组,然后将其植入到与它亲缘关系很近的细菌山羊支原体(Mycoplasma capricolum)的细胞里,获得了全新的蕈状支原体,植入的基因组能调控这一细胞,新移植的基因组取代原基因组发挥作用,把寄主细菌转变成蕈状支原体。这一新产生的生命能自我生长、繁殖,此次重塑的DNA片段包含850个左右的基因,尽管在移植的细菌中有14个基因被删除或遭到中断,但其中包含有添加的4个DNA序列使其成为区别于自然基因组的“水印”,看上去仍然像是正常的丝状支原体细菌,并只能产生丝状支原体的蛋白质。

这个最新研制的合成细胞被称为“辛西娅”(Synthia,意为“人造儿”),Craig Venter博士等人希望还能设计出更新颖的基因组,使得含有这些基因组的细菌能够完成特别的任务以帮助解决能源、环保或其他的问题。

现代软体动物祖先

2010年5月28日,Nature杂志刊登了加拿大科学家的最新发现——一种好似从萨尔瓦多·达利画作中走出来的动物。根据分析,这种怪异的生活在大约5亿年前的海洋动物可能就是鱿鱼、章鱼、乌贼以及其他所有头足类软体动物的母亲。

在对来自加拿大伯吉斯页岩的化石样本进行分析之后,科学家发现了这种动物,将其命名为“Nectocaris pteryx”。Nectocaris身长在 5 cm左右,这一长度包括两个触角在内。它们是行动快速的捕食者,利用起伏的类似翅膀的鳍状物在水中游动。令人感到好奇的是,这种动物还能利用漏斗状的鼻子喷水,鼻子同时还可以朝着不同方向转动。喷水是现代头足类动物的一个特征。在对新发现的Nectocaris化石进行仔细分析之后,研究人员发现了这个关键的解剖学特征。在他们看来,这一特征说明Nectocaris一定就是鱿鱼、章鱼以及鹦鹉螺最原始的共同祖先,理由就是其他任何动物都不采用这种喷水推进方式。

研究人员表示,头足类动物是智商最高的无脊椎动物。它们的脑容量较大,视力极佳,能够利用伪装躲避捕食者或者蒙骗猎物,但其起源问题一直未能确定。人们长久以来一直认为头足类动物在寒武纪晚期进化,逐渐形成类似蜗牛的壳,使其能够在水中漂浮。Nectocaris告诉我们第一批头足类动物实际上已经在不借助充满空气的壳情况下在水中游动。根据这一发现,可将头足类动物的起源往前推至少3000万年,也就是大约5亿年前著名的寒武纪生物大爆炸时期。

新型类人物种

2010年4月9日,Science杂志刊登封面文章,介绍一种新发现的类人物种——南方古猿源泉种。这一发现源自有“人类摇篮”之称的南非斯泰克方丹化石遗址区出土的两具类人动物骨骼化石,其生活的年代距今约200万年,这一发现可能填补史前由猿到人进化过程中的一些失落环节,并帮助科学家解开人类远祖何时开始以双腿直立行走等关键问题。

此前,科学家发现的史前人类化石大多数是骨头或牙齿化石碎片,很难从这些小碎片或骨头中来了解几百万年的进化历程,但这次在南非发现的骨骼化石几乎是完整的骨骼。这两具骨骼化石同时体现出猿类和人类的特征。比如“他们”的胳膊像古猿那样很长,暗示这种古人类非常善于爬树。“他们”的手像猿类那样弯曲,但是手指排列紧密,与现代人的手非常相似。少年雄性的头骨尤其体现一些混合特征,比如头部很小,大脑仅比当时的南方古猿稍大,但其面部特征,如突出的鼻子、相对较小的臼齿、颧骨缩回,都与后期的现代智人更相似。此外,“他们”还拥有较长的双腿,以及原始人类所特有的骨盆,这表示“他们”已经具备直立行走的能力,甚至可能已经会跑。“他们”的身高均为1.27 m左右,这种物种最高能长到1.3 m左右,与更新纪灵长动物接近。少年雄性脑容量约为420 cm3至450 cm3,比已知的原始人类“智人”最小的脑容量510 cm3还要小(人类的脑容量在1200 cm3至1600 cm3之间)。这些罕见的化石将帮助科学家了解200万年前我们史前祖先的面貌,以及他们是如何生活的,更关键的是,这些化石还有助于解开灵长类动物何时开始以两条腿直立行走等谜团。

科学家发现另类天体

美国宾夕法尼亚大学天文学家凯文·鲁曼领导的科研小组利用哈勃太空望远镜和双子座天文观测台,新近发现一颗天体令天文学家感到非常困惑,因为它非常神奇,不属于任何已知的天文学分类。科研人员将研究成果发表在2010年4月5日的《天体物理学杂志》(The Astrophysical Journal)上。

这颗新发现的神秘天体围绕一颗褐矮星运转,构成了双星系统,位于离地球460光年的金牛座。它的质量大约是木星的5到10倍,不过还是因质量太小而无法被划归为褐矮星;同时这颗天体据估算大约有100万年的历史,这又让它因为太年轻而无法被划为一颗行星。鲁曼认为,尽管这一小型的伴星的质量同绕恒星运转的行星相近,但是并不能就此认为它是像行星那样形成的。也就是说,似乎存在两种不同的生成小型伴星的方法。

这一神奇天体和褐矮星之间相距15个天文单位,两者构成了双星系统。如果它们被置于太阳系内,褐矮星在太阳的位置,那么这颗神奇的天体将处于土星和天王星中间的位置。该天体的质量大约是木星的5到10倍,由于质量太小无法使氘发生聚变反应。最近国际天文学联合会将能否引发氘的核聚变反应看做衡量褐矮星的标准,只有当天体达到13个木星质量时,才会发生聚变反应。不过这一神奇天体似乎同那颗褐矮星“年龄”相仿,并不符合常规的行星形成理论。常规理论认为,行星形成于围绕新生恒星赤道旋转的气体盘。气体和尘埃云中的微粒相互碰撞,逐渐积聚成大物体,最终形成行星。因此,行星的形成时间应该晚于恒星。并且100万年并不足以按这种方式形成一颗行星。

由于这种奇特的天体很可能是同褐矮星一同形成的,鲁曼认为它应该划归为小型褐矮星。因为这颗天体像褐矮星那样形成,因此它的成分应该与褐矮星相同。这一天体主要是由同一物质构成的,这同木星的构成成分形成了鲜明反差。木星很可能有一个重元素构成的岩质内核,周围包裹着氢气和氦气构成的气态壳。

这一双星系统附近还存在另外一个由红恒星和褐矮星组成的双星系统。这两个双星系统似乎是在同一时间形成的,而且形成方式也是一样的。科学家表示将对这一奇特天体展开进一步研究。国际天文学联合会系外行星委员会主席阿兰·波什说：“似乎这一新系统是按照形成双星系统的崩塌和破碎过程形成的。”在2001年,波什就曾撰写论文从理论上阐释这种行星的存在。波什说：“尽管人们喜欢用行星来称呼比13个木星质量小的天体,但是考虑到人们越来越关注系外行星,其中的一些叫做次褐矮星更为合适。”

(2010年6月2日收到)

(责任编辑：方守狮)

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XU Han

10.3969/j.issn 0253-9608.2010.03.011