1 精妙设计突破科学难题
几乎在每个学科中，都存在某些“顽固”的问题，十几年或数十年难以求解，而要继续下去的研究又无法绕开它，成为令人烦闷的“胶着”状态。不过。只要“打开”它，便会立刻呈现“柳暗花明”的愿景。近日频频传来的好消息是，依靠巧妙的实验设计和理论构想，不同领域的科学家各自突破了自己学科中的一些关键的瓶颈。
法国巴黎高等物理化工学院和法国国家科学研究院联合的一个研究小组，在2012年8月首次成功演示了水波的“逆时传播”。 多年来，科学家一直对“波”的逆时传播情有独钟，因为根据物理学的基本原理。水波、声波、电磁波、弹性波等“波”普遍存在着逆时对称性，但在此之前，却始终未能设计出成功的实验。
“逆时传播”并不像从字面理解的那样科幻，是把水波送回“过去”，而是一种数学表达的时间反向：从一个源头发出水波，传播一段距离后，再发出水波使其能返回到源头位置，就像波向后倒退——波返回源头的路径精确遵循着它最初传播的路径。
虽然水波很普通而且很容易看到，但由于有流体黏性、与容器壁有摩擦力等，使得“逆时传播”的实验反而比别的波更为复杂。科学家通过极其精确的计算和设计，用一个53cm×38cm的水箱注入了10cm深的水，在水箱中央放置一个垂直振动器做制波器，此处作为源点发出水波，利用水箱边界的多重反射将阻力衰减最小化，然后再次发出水波，使波纹重新汇聚于源点，终于丝毫不差，成功实现了“水波重聚”。 论文作者之一的Mathias Fink掩饰不住自己的兴奋之情：“利用这一理论，我们可以构建出任何波的逆时镜像。”
水波的“逆时传播”在海港水波控制方面有着很多现实的应用，例如，可以利用一套浸入海中的振动制波器聚波以形成波场，从而达到给危险的高波水区“消波”的目的，而声波的“逆时传播”则是很好的一种抗噪音技术：想想那些生活在高速公路旁深受噪音污染之苦的人们吧！当然，如果还能“消除”地震波，让地震消弭于无形的话——这显然是是个“狂妄”的想象，但未来的技术说不准真会将它变为现实呢！
能解开困惑多年的难题的确是一件让人兴奋的事。美国科学家、佛罗里达州立大学化学和生物化学系博士生Paul Dunk就品尝了这一成功的喜悦：他攻破了一道25年来科学家力求破解的谜题，即高度对称、性致密的巴基球分子最开始是如何形成的。 在碳家族中。除了闪闪发光的金刚石和材料新秀石墨烯，被称为巴基球的C60分子也有着当仁不让的贵族地位。巴基球也被形象地叫做“足球烯”，因为它的60个碳原子构成酷似足球一样的32面体，而这恰是一个化学键最稳定的空间排列位置。大自然的鬼斧神工，使巴基球具有许多优异性能，如超导、强磁性、耐高压、抗化学腐蚀等，现在达到0.2mg/cm3极限的、世界上最轻的材料“飞行石墨”，也是它的“近亲”。
有趣的是，巴基球的首次发现不是在地球，而是在外太空，而它的发现者和石墨烯的发现者一样，也获得了诺贝尔奖。但从发现到至今，巴基球的形成方式却始终是个谜。“因为巴基球是在高能条件下瞬间而生成的，其速度之快根本无法让人观测。” Dunk解释道，“所以必须用超越常规的巧妙方式。”
研究者将巴基球分子与碳和氦混合，然后用激光轰击，并利用极高磁场的回旋共振质谱仪，对激光轰击过程中产生的几十种分子进行分析，然后惊奇地发现，巴基球分子能够从周围的气体中吸收碳并与碳相结合，组装成笼状的、越来越大的巴基球，而且巴基球的碳“笼子”在整个过程中始终是封闭着的。
深入本质发现巴基球的“诞生”方式，对这一特种材料的未来发展奠定了良好的基础。美国国家航空航天局最近发布的报告还显示，巴基球也存在于围绕遥远恒星的轨道上，这表明，洞察巴基球的秘密也许会打开一扇知晓宇宙环境形成的重要之门。
除了实验领域，计算理论领域也有着出色的表现。美国国家研究委员会1995年列为物理化学领域顶级理论难题之一的“N表示性”（N-representability）问题，2012年7月被美国芝加哥大学的化学教授David Malzottey完美解开。
“N表示性”指对电子运动进行的精确数学建模。但是，分子有上万的电子，要模拟这些电子行为极为复杂，且其复杂程度随着相关电子数量的增加呈指数增长。所以，这个问题自提出已超过了60年，但一直没有令人信服的解答。Malzottey巧妙地提出了“双电子”模型，即通过一种“双电子”技术来推算出“多电子”系统的性质，经过10多年不断改进，终于取得了成功，成就了“大统一”的理论。加拿大皇后大学数学家Robert Daer认为，这是在化学领域取得的一次巨大进步，是“诺贝尔奖”级别的成果，足以和传统的量子力学方程相映生辉。
清末民初的中国国学大师王国维认为，成就大的学问必须经过三层境界，通过“昨夜西风凋碧树，独上高楼，望尽天涯路”和“衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴”，才能“众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在，灯火阑珊处”。我们看到，科研的进展也与此相通，首先要登高望远，瞰察路径，明确追求，然后必须废寝忘食，孜孜以求，而经过反复追寻、研究后，就会融会贯通，豁然开朗，最终成就“妙手偶得”的最高境界。
2 “看见”原子
通常情况下，我们的目光是无法“投向”并“看见”分子以及原子级别的微小世界的，而这个小天地里在发生的事，往往是理论物理学家在间接实验的基础上，发挥超常想象力和应用严密逻辑的推论结果。而真正好奇的科学家，肯定对这样一种想象中的“现实”不会满意。于是，“看见”微小世界，也成为一个令人向往的科学探索领域。
2012年9月，美国国际商用机器公司(IBM)的科学家就到达了这一领域的最前沿地带：首次拍到单个分子的清晰照片，同时还可看见把分子结构紧密连在一起的原子键。
科研小组用的是一种名为“非接触式原子力显微镜”的技术，而这一单个分子，就是大名鼎鼎的神奇材料石墨烯。从照片上看，石墨烯分子最小结构的细节被完美地展示了出来：较暗区域代表原子的密集部分，明亮区域代表最轻部分，层次异常分明。而且，科学家还发现了一条之前从不知道的信息：分子中心附近的原子键要比分子边缘的原子键短！有照片为据，相信更多有关石墨烯分子的真相会源源不断地被揭露出来。
“看见”分子，来源于“原子力显微镜”技术的不断改进。原子力显微镜是由IBM公司苏黎世研究中心的Gerd Binion与Calvin Quate于1985年发明的，其原理是用微小探针“摸索”样品表面，记录变化和律动，从而获得它的“形貌”信息，与一部老式的留声机相仿。在这次试验中，探针是一个一氧化碳分子，它在石墨烯分子表面移动扫描后，“照”出了迄今为止最清晰的一张分子图。
虽然原子力显微镜的原理并不难懂，但其精度的提高却让科学家绞尽脑汁，因为这种精密测量需要杜绝任何来自实验室或周边环境的振动。即使室内温度的轻微变化，也会使分子摆动，而稍有不慎，图像就会模糊或扭曲，因此直到2009年，这个孜孜不倦攻关的小组才拍到了世界上第一张分子照片，而且还是模糊的，但这已是当时了不起的进步。在这次实验中，为把破坏降低到最低程度，实验区的温度被降到-268℃，真正做到了“稳若磐石”，再加上其他技术的改进，才拍到了更为清晰的分子结构照片。
科研小组的主要成员Leo Gross对这一结果非常满意：“我们居然看到了原子键的不同，这太让人兴奋啦。我们下一步的计划，是准备拍摄其他分子结构的特写照片，还准备用不同的分子做探针，看看拍出的照片是否有什么不同。”
IBM苏黎世研究中心的另一个科研小组也给出了一个漂亮的结果：他们利用一种“时间分辨扫描显微技术”，直接绘制出电子怎样形成一个持续自旋螺旋的过程图，揭示了电子在半导体中跳“华尔兹”舞的情景。
目前，半导体硬件性能逐渐接近极限，已很难继续通过缩小元件尺寸来提高计算性能，而利用电子自旋来存储、传输并处理信息却能突破这种障碍。但是，电子自旋的某些关键性质却一直难以知晓，直接观察电子自旋将有助于这些谜底地揭开。
科学家监控了数千个电子自旋的演变，这些自旋在一个很小区域内同时生成，属于随机旋转并会很快改变方向，这对科学家来说可是个不小的挑战。不过，他们最终想出了巧妙的解决方案：利用超短激光脉冲，使电子同步自旋的时间延长了30倍，终于令人欣喜地捉到了超过10微米、整齐地排列成一种规则的、类似条纹的图案，即所谓的“持续自旋螺旋”，这种同步自旋运动轨道的相互作用将自旋和电子运动结合在了一起。科研小组中的Gian Salis解释说：“对于开发基于自旋的晶体管而言，观察到电子自旋的能力非常重要，它将大大提高将电子自旋用于处理逻辑操作的可行性。”为确保电子自旋与环境之间的相互作用最小化。实验也是在-233℃的低温中进行。
电子自旋同步的研究有望为我们带来更快更节能的计算机产品，而英国格拉斯哥大学和加拿大渥太华大学的研究人员携手合作，首次用相机拍下了“量子纠缠”的图像，也同样加速了量子计算机的应用研究步伐。
被称为“鬼魅般远距作用” 的量子纠缠是量子加密通信、量子计算等技术的基础。在此次实验中，科学家用一种特殊的晶体，将一个单光子一分为二，创建出量子纠缠的“光子对”，再使用一个特殊的、具有高灵敏度的照相机来给这些光子对拍照，研究人员可以对光子位置之间的关联进行测量光子的“纠缠”。借助201×201像素阵列，照相机可在同一时刻观察到量子光场的全景，研究小组也得以看到多达2500种不同的纠缠态。
参与该项研究的Myers Padgett教授说：“一张图片胜过千言万语，这句格言再恰当不过了。每个像素都含有自己的信息，从而可能给量子加密通信的数据容量带来革新。” 通过实验间接验证，人们早就知道物质是由分子和原子组成的，但我们第一次直接亲眼“看到”原子，则是在1982年——IBM公司瑞士苏黎世研究中心的Binnig和Rohrer做出了世界上第一台扫描隧道显微镜，它使人类对微观世界的认识也一下子从幻想和抽象的分析飞跃到对原子级别的直接观察和操纵，两位科学家也因此获得1986年诺贝尔物理学奖。这里提到的“原子力显微镜”和“时间分辨扫描显微技术”，则都是它的改进版。
而人类第一次看见原子的心绪，应该与最先发现细菌的Leeuwenhoek相似，他在1676年就描写过在显微镜下看微生物游泳的舞姿：“我的眼睛从未见过这样有趣的景象！”
3 好奇心带来“活细胞激光器”
从1960年世界上第一束激光诞生，这一奇异的人工之光毫无例外，都是由各种机械装置生成。不过，来自美国马萨诸塞州医院的Malte Stuttgart却对此并不满足：“为什么自然界中没有生物能制造激光呢？”
这的确是一个突发奇想。更奇妙的是，他们居然成功了！
Stuttgart和他的同事选择的“生物”是能表达绿色荧光蛋白（GFP）的肾脏细胞。GFP蛋白是一种特殊的蛋白，可在不添加其他酶的情况下诱导发光。研究人员在一个直径约20微米宽、2.5毫米长的圆筒两边装上镜子，并装满GFP水溶液，形成能将光聚拢到一起的“光学共振腔”，再向其中放入肾脏细胞。结果发现，肾脏细胞不仅能产生激光脉冲，而且能像透镜一样将光回聚并诱导激光发射。
虽然单个激光脉冲仅持续几纳秒，但却非常明亮，而且，激光设备中的细胞在发光过程中仍然存活，能持续产生数百次激光脉冲。虽然现在我们还无法得知“活细胞激光器”将来会带来哪种确切的用处，但可以预见，这或许已拉开了“将无生命的光通讯和计算机拓展到生物技术领域”的宏大序幕。
Stuttgart自己也认为，是“强烈的好奇心”带来了这项极具突破性的发现。此项研究，尤其是Stuttgart所使用的绿色荧光蛋白GFP，很容易让人联想起GFP的最初发现者，并因此而荣获2008年诺贝尔化学奖的日本科学家下村修。下村修一生都痴迷于水母的研究，虽默默无闻但矢志不渝，是强烈的科学好奇心推动着他整个的研究人生。在20世纪60年代，下村修就从水母中首次发现了绿色荧光蛋白，但当时并不知道这一发现的重要意义。而当时间坐标移动到现在，GFP已成为当代科学和医学领域中最重要的工具之一，在它的帮助下，研究人员就像给细胞装上了摄像头，能够看到前所未见的新世界，其重要性已可与显微镜的发明相提并论。
现在，首个“活细胞激光器”为GFP的未来又增添了无数的可能性，人类异想天开的好奇心与想象力再次在科学探索中散发出惊人的魅力。
科学家的确擅长使用自己聪明的大脑，产生不同寻常想法的人。美国加利福尼亚大学物理学教授Gary Horowitz就证明，他们可以利用爱因斯坦的广义相对论再现一个基础超导体。
50年前规范的超导理论就已经建立，它对大多数的常规超导体非常适用，却对近些年发现的铜氧化合物、铁基化合物等能在稍高一点的温度下也毫无电阻的超导现象却束手无策，物理学家很长时间都挠头不已。Horowitz独辟蹊径，利用弦理论的工具构建了一个超导体的引力模型，再现了一种超导现象——约瑟夫森结，这就说明，也许用爱因斯坦的广义相对论可以解释新的超导理论。爱因斯坦的广义相对论和一个完全不同的物理学领域居然能联系起来！就连“始作俑者”Horowitz自己都对此惊讶不已。
Horowitz思维的“联想力”超乎寻常，而日本的一支国际研究小组用T2K大型粒子探测器，也“做”出了一件对理解认识宇宙产生突破性进展的发现：宇宙中存在的3种最基础微粒能够彼此间“替换”，这可真是前所未闻！