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[历史人文]2023 年度「中国科学十大进展」发布，其中你最关注的是什么？ |
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今天（2月29日）上午，国家自然科学基金委员会发布了2023年度“中国科学十大进展”，主要分布在生命科学和医学、人工智能、量子、天文、化学能源等科学领… |
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在 2023 年度“中国科学十大进展”的具体项目里，我相对关注生物方面的项目，尤其关注媒体在这些科技进展相对热门时搞的糟糕新闻报道。 当时，我发过几个相关回答，例如： 关于“实体生物钟”早有先例、相关研究的重点不是“发现其存在”、实验对象也不是人体—— 关于“基因组暗物质”与衰老的关系不足、HERV-K 充其量是人衰老的次要原因—— 这与相关学者的表达不严谨、采编人员的准备知识不足有关。读者还可以注意到，国外科技新闻的质量参差不齐，“大新闻”往往错漏百出，从国外翻译科技新闻的媒体工作者可能受此影响、在报道国内科技进展时出偏。 我认为，相关部门应当为科技题材的新闻报道制订实事求是的质量标准和清楚明了的管理办法，在出现歪曲报道时尽快纠正并设法减轻其不良影响。 目前，2023 年中国十大科学进展大多尚未充分转化为技术进步。想看“下一步会怎么样”的读者可能要等十年或更久。 我认为，在 2023 年中国十大科学进展中，与量子比特相关的项目是最不值得期待的。量子计算难以在近未来找到明确胜过电子计算机的实用领域。 顺便说，读者还记得十年前、十几年前评选的各种“中国科学十大进展”与“世界科学十大进展”吗？那里面有多少带来技术进步了呢？ 不记得的话，我有个相关回答可以看看： 在科技发展的过程中，一些曲折和反复是难免的。但是，过于乐观的宣传可能误导大众、引起资源浪费、让一部分人悲观失望。 世界范围内，报道科技新闻的媒体动辄对新出现的进展使用“重大进展”和“突破”等大词。这之中有一部分成果确实改变了世界，但更常见的情况是，你再也不会看到这成果的相关新闻了，因为它既没带来技术进步又没造成悲惨后果。我认为这种情况需要改变：大词要慎用，失败也要报道。 |
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聊聊第一个人工智能做天气预报的吧。 传统的天气预报都是通过数学建模和物理方程来模拟大气运动，进而预报天气。但是既然涉及到物理方程，那么就一定会有近似，因为无法用一个方程来刻画准确的大气活动，这里面的因素很多，有气温，温度，气压，风俗，风向，地球的地形，海陆等因素的影响。对于我们油气行业的建模也有同样的问题，即：在很多情况下，所采用的物理方程难以描述真实的强非线性且含有随机扰动的物理世界，这里不单是理论的问题，中间还有计算量的问题，比如在油气行业，我们有复杂的方程可以更好的逼近真实物理情形，但是计算量有会大大增加，在大气行业也有这样的理论上更健全的方程，但是采用这样的复杂方程，由于计算量的大幅提高，就难以做到有时效的预报。 所以，天气预报模型本身的误差，会导致大气运动的模拟不准确，也就有了天气预报的不准确。当然，观测数据，已经复杂气象系统，也都是不准确的原因。 而为了保证预测的时效性和准确性，人工智能恰恰可以完成这样的工作，一方面气象数据成年累月的积累，有了大量的局部的，区域的，全球的气象数据，可以很好的作为训练样本，另一方面训练好的模型在预测上，是极快的，在效率上远超传统方法。所以，有了好的样本，就有了好的模型，进而有了快速的预测。 这次天气预报的模型，目前没有查到是哪家的，不知道是不是伏羲。 |
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作为学高能物理学的我对其中『拉索』对于最亮伽马暴的极窄喷流和十万亿电子伏特光子的发现比较感兴趣。 『拉索』的全称是『高海拔宇宙线观测站』（Large High Altitude Air Shower Observatory，缩写为LHAASO)，LHAASO的主体工程位于四川省甘孜藏族自治州的稻城县，海拔达到了4410米。自从2019年4月开始运行以来，短短五年间LHAASO已经取得了一系列的显著成果。 比如在2021年5月的nature杂志上，LHAASO团队就发表了标题为“Ultrahigh-energy photons up to 1.4 petaelectronvolts from 12 γ-ray Galactic sources”的文章，在里面报告了关于超高能量光子的发现。很多天体物理学家预测宇宙中存在着一些『拍电子伏特加速器』（PeVatron），也就是可以将粒子加速到能量高达拍电子伏特数量级的天体（拍是一个数量级单位，英文前缀是peta-，1拍相当于10的15次方，拍电子伏特可以缩写为PeV），伴随着这些拍电子伏特加速器的一个主要特征就是能量超过0.1PeV的超高能光子。在上述文章所对应的研究中，LHAASO团队以超过7个标准差的统计显著性从12个超高能量伽马射线源中探测到了超过530个能量超过0.1PeV的光子，其中甚至还有高达1.4PeV的例子，这是到当时为止人类有史以来实锤发现的最高能量光子。 不久前的2024年2月，LHAASO团队又在Science Bulletin杂志上发表了题为“An ultrahigh-energy \gamma-ray bubble powered by a super PeVatron”的论文。在这项研究里LHAASO团队在银河系北部天区的天鹅座恒星形成区域中发现了巨型超高能伽马射线泡状结构，并且探测到了一些能量超过1PeV的光子，进一步地在理论上可以推测这个泡状结构中的拍电子加速器可以将质子加速到至少10PeV的量级，这也是人类历史上的第一次。 题目中提到的『拉索』发现史上最亮伽马暴的极窄喷流和十万亿电子伏特光子，指的则是2023年6月发表在Science杂志上的论文“A tera–electron volt afterglow from a narrow jet in an extremely bright gamma-ray burst”，链接如下。感兴趣的可以自己读一读原文，还是很好懂的，毕竟是发表在著名科普杂志Science上的文章（手动狗头 A tera–electron volt afterglow from a narrow jet in an extremely bright gamma-ray burst A tera-electronvolt afterglow from a narrow jet in an extremely bright gamma-ray burst 221009A |
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天文进展“LHAASO发现史上最亮γ暴的极窄喷流和十万亿电子伏特光子”比较关注，不过说实话，我更关注原理解释而不是观测发现。天文观测到新事件每天都在发生，但这些事件的物理起源要么还不够清晰，要么足够清晰但我对其中的物理已经很熟悉了，我就没有太多兴趣去深入了解，最多花几分钟读一下论文看一下结论。 这项研究进展[1]，是LHAASO（建于四川省稻城市的高海拔宇宙线观测站）观测到了TeV高能γ暴GRB 221009A。之前已经观测到了TeV γ暴余辉，但未观测到早期的瞬发阶段，这次终于观测到了。在前3000 s内，超过64000个>0.2 TeV的光子探测到了。γ暴触发几分钟后，TeV通量开始出现，约10 s后上升到峰值，之后是衰减阶段，峰值650 s后更快，如下图的光变曲线所示。 |
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如下图，研究者使用多波段模型拟合观测数据，这一模型假定余辉来自外正向激波加速相对论电子产生的同步辐射和同步自Compton辐射，前者贡献了余辉的X射线和0.1-10 GeV成分，后者贡献了余辉的TeV和0.1-10 GeV成分。峰值前的上升阶段对应余辉的开始，在此阶段外正向激波在大幅减速前扫过越来越多的环境物质。 |
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峰值650 s后更快的衰减，可通过抛射物呈相对论喷流解释，这时辐射的张角扩展到喷流的边缘。根据这一时间推算，喷流的半张角是~0.8°，如此小的张角说明观测到的是结构喷流的明亮核心，它正对着地球。 参考^LHAASO Collaboration, A tera–electron volt afterglow from a narrow jet in an extremely bright gamma-ray burst, Science 380: 1390-1396 (2023). |
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我们来聊聊拉索和最亮伽马射线暴吧。 22年探测到最亮伽马射线暴 迄今最亮伽玛暴GRB 221009A 伽马射线暴(GRB)，是一种极其猛烈的宇宙现象，表现为短时间内从宇宙深处某一点释放出极高强度的伽马射线。这种爆发短暂而剧烈，短至千分之一秒，长则可达数小时，堪称自宇宙大爆炸以来最激烈的天体现象之一。 GRB 221009A（BOAT）就是在2022年10月9日晚上北京时区21点16分59.59秒，由费米卫星率先捕捉到的。这个伽马射线暴亮度惊人，其亮度比已知的其他高能GRB还要高出至少十倍，打破了我们对伽马射线暴亮度极限的认知。它源自距离我们大约24亿光年远的人马座方向，那里一颗质量巨大的恒星在耗尽其核燃料后，经历了彻底的引力坍缩，形成了一个黑洞，而在这一过程中产生了这次壮观的爆发。 |
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通常情况下，伽马射线暴有两种主要类型：一种是持续时间相对较短的，通常源于两颗致密星体（如黑洞或中子星）合并时产生的爆炸；另一种是持续时间较长的，来自于大质量恒星死亡时的超新星爆炸。GRB 221009A属于后者，其爆发的余辉持续时间之久引发了科学家们的广泛关注和深入研究。 这一发现对我们理解伽马射线暴的物理本质具有重要意义，因为它展示出即便是最极端的爆炸也不完全遵循我们现有的理论框架。通过对BOAT的深入研究，科学家们有望揭开环绕在伽马射线暴周围的重重谜团，从而为未来的GRB研究铺平道路。 GRB释放的能量之巨大令人震惊，它们在短短几秒钟内释放出的能量，竟相当于太阳在整个100亿年寿命中所产生的能量总和。这样的能量输出有助于我们进一步理解宇宙中极端物理条件下的物质行为，同时也对GRB射流的结构模型提出了新的挑战和启示。 高海拔宇宙线观测站（“拉索”，LHAASO） |
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LHAASO坐落在四川省稻城县海子山上，这里平均海拔4410米，拥有得天独厚的高海拔地理优势。观测站占地总面积约为1.36平方公里，由三大阵列构成：一是由5216个电磁粒子探测器与1188个缪子探测器组成的1平方公里地面簇射粒子探测器阵列KM2A；二是包含3120个探测单元、覆盖面积达到78000平方米的水切伦科夫探测器阵列WCDA；三是由18台高性能望远镜组成的广角切伦科夫望远镜阵列WFCTA。这三个阵列相互配合，可以宽波段、多手段地捕捉和测量来自遥远高能天体的伽马射线和宇宙线，对天体物理学等领域的研究起到关键推动作用。 去年，备受关注的GRB 221009A伽马射线暴的观测成果，正是由WCDA水切伦科夫探测器阵列提供的。这个神奇的探测器巧妙地利用了36万吨纯净水作为探测介质，通过底部布置的6240支灵敏的光敏探头，捕捉到伽马射线或宇宙线在大气层中与空气分子作用产生的低能伽马光子、正负电子等次级粒子在水中产生的切伦科夫光信号。WCDA对伽马射线的能量探测范围十分广泛，可以从千亿电子伏特直至十万亿电子伏特，且具备广阔的视场和全天候观测能力，尤其擅长对如伽马暴这类突发性强、速度快的天体现象进行高效捕捉和观测。 关于GRB 221009A伽马射线暴的研究成果，发表在权威科学期刊《Science》上。 这项工作的意义 这场宇宙烟花的源头，是一个距地球约20亿光年的大质量恒星在核燃料燃尽后瞬间坍塌引发的巨大爆炸。 “拉索”LHAASO借助其独特而先进的探测器阵列，包括WCDA水切伦科夫探测器，首次精确测量了万亿电子伏特能量范围内的伽马射线余辉全过程，捕捉到了主爆后随爆炸中光子流量的快速增强与衰减细节，这是以往观测所未能实现的。此次观测揭示了GRB 221009A亮度极高的秘密——喷流结构具有极小的张角仅为0.8度，观测者恰巧对准了喷流最明亮的核心。 LHAASO在极高能量段的高统计量观测，记录下了超过1万个光子，这一数量远远超过同类实验设备的观测结果，为伽马射线暴的理论模型提供了最为精准检验依据。观测结果显示的快速增强现象和喷流结构特征，挑战了现有理论模型，促使科学家们重新审视伽马射线暴的能量注入、光子吸收、粒子加速等机制。 这项工作的重要性在于，它不仅揭示了宇宙中最剧烈爆炸事件的具体面貌，还通过“拉索”卓越的观测能力，填补了我们在极高能伽马射线暴研究领域的空白，为理解和解释极端宇宙物理现象提供了宝贵的实证数据。 |
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