十個(gè)科學(xué)關(guān)鍵詞與科學(xué)的歷程（下）

零壹貳012 2020-03-12

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《自然》雜志，在其150周年特刊上發(fā)表了針對(duì)上千本研究期刊的數(shù)千萬篇科學(xué)論文的引用情況和參考文獻(xiàn)的分析考察，其中的關(guān)鍵詞排序體現(xiàn)了獨(dú)特的意義。從20世紀(jì)40年代至今，每10年（共計(jì)8個(gè)10年）抓取5個(gè)最常見的關(guān)鍵詞，結(jié)果有10個(gè)詞多次出現(xiàn)，它們不僅反映了科學(xué)家的研究興趣和方向，更能體現(xiàn)從19世紀(jì)下半葉至21世紀(jì)近20年來科學(xué)發(fā)展的歷程。整體而言，這10個(gè)科學(xué)關(guān)鍵詞代表了科學(xué)研究從宏觀到微觀，從自然到對(duì)自身研究的重視與轉(zhuǎn)移。

量子（quantum）

量子概念是德國(guó)物理學(xué)家馬克斯·普朗克于1900年提出的，他也因發(fā)現(xiàn)能量量子而獲得1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。后來還有一系列關(guān)于量子的研究成果獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)：1932年，維爾納·海森堡因創(chuàng)立量子力學(xué)獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；量子力學(xué)的基本方程——薛定諤方程和狄拉克方程獲1933年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；1954年授予量子力學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究成果；1965年授予在量子電動(dòng)力學(xué)方面的基礎(chǔ)性工作；1985年授予發(fā)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)；2012年授予能夠量度和操控個(gè)體量子系統(tǒng)的突破性實(shí)驗(yàn)手法。

以量子科學(xué)研究進(jìn)入應(yīng)用時(shí)代為標(biāo)志，人稱第一次量子革命，它為能源、信息科學(xué)、生命科學(xué)和材料科學(xué)做出巨大貢獻(xiàn)。美國(guó)是第一次量子革命的領(lǐng)跑者，硅谷也被視為量子技術(shù)的結(jié)晶。

進(jìn)入21世紀(jì)后，量子理論在通信和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域得到長(zhǎng)足發(fā)展，到達(dá)第二次量子革命的臨界點(diǎn)。如果量子理論在計(jì)算和通信這兩方面的應(yīng)用有所突破，就能占有先機(jī)，贏得未來。美國(guó)IBM公司在2017年發(fā)布50個(gè)量子比特計(jì)算機(jī)樣機(jī)；2018年，美國(guó)英特爾公司發(fā)布49個(gè)量子比特芯片；2018年，美國(guó)谷歌公司宣布推出一款72個(gè)量子比特的通用量子計(jì)算機(jī)Bristlecone。2016年，中國(guó)研制的世界首顆量子實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子”號(hào)成功發(fā)射，實(shí)現(xiàn)了千千米級(jí)星地雙向量子通信。此外，人工智能和量子技術(shù)結(jié)合也是未來科技發(fā)展的一個(gè)重要方向。

水（water）

水在19世紀(jì)70年代至20世紀(jì)30年代持續(xù)成為《自然》雜志的科學(xué)關(guān)鍵詞。生命起源于水，水又維持生命。對(duì)于水的科學(xué)研究在早期并沒有成為一門單獨(dú)的學(xué)科，而是散見于多個(gè)學(xué)科中，如農(nóng)業(yè)、水電、化學(xué)、物理、地理地質(zhì)、氣候、天文、水文、水利、海洋、環(huán)境和生態(tài)中。水科學(xué)成為一門獨(dú)立的成系統(tǒng)的學(xué)科起始于第二次世界大戰(zhàn)后，聯(lián)合國(guó)教科文組織成立了水科學(xué)司，其業(yè)務(wù)內(nèi)容包括水文學(xué)問題和水資源問題。

現(xiàn)在的水科學(xué)學(xué)科涉及對(duì)水的開發(fā)、利用、規(guī)劃、管理、保護(hù)、研究，因此，可以把研究與水有關(guān)的學(xué)科統(tǒng)稱為水科學(xué)。具體而言，水科學(xué)是一門研究水的物理、化學(xué)、生物等特征，分布、運(yùn)動(dòng)、循環(huán)等規(guī)律，開發(fā)、利用、規(guī)劃、管理與保護(hù)等方法的知識(shí)體系。涉及理學(xué)、工學(xué)、農(nóng)學(xué)、醫(yī)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、教育學(xué)、歷史學(xué)、管理學(xué)等多個(gè)學(xué)科門類，還與多個(gè)學(xué)科交叉，如水文學(xué)、水資源、水環(huán)境、水安全、水工程、水經(jīng)濟(jì)、水法律、水文化、水信息、水教育等。

在19世紀(jì)末和20世紀(jì)上半葉，關(guān)于水的重大科學(xué)研究成果散見于其他學(xué)科研究中，如1901年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予發(fā)現(xiàn)了化學(xué)動(dòng)力學(xué)法則和溶液滲透壓。對(duì)于以水為研究核心的水文、水利和水資源等領(lǐng)域，主要與農(nóng)業(yè)相關(guān)，如滴灌技術(shù)的延續(xù)和創(chuàng)造性使用。早期的滴灌系統(tǒng)見于中國(guó)最早的一部農(nóng)書——《氾勝之書》。現(xiàn)代的滴灌是德國(guó)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在20世紀(jì)30年代，滴灌系統(tǒng)主要用于歐洲的溫室暖房里。直到20世紀(jì)60年代，以色列對(duì)滴灌進(jìn)行創(chuàng)新應(yīng)用，研制了硬韌防堵塑料管、接頭、過濾器、電腦控制器等，做到減少蒸發(fā)、高效灌溉及控制水、肥、農(nóng)藥，使得以色列農(nóng)業(yè)多年來的用水總量一直穩(wěn)定在13億立方米，農(nóng)業(yè)產(chǎn)出卻增加了5倍。

此外，20世紀(jì)以來，對(duì)水的研究主要是揭示降水與自然的關(guān)系。觀測(cè)證據(jù)表明，全球季風(fēng)降水有顯著的年代際變化，如1901~1955年，季風(fēng)降水顯著增加，隨后至1990年，季風(fēng)降水顯著減少。

射線（ray）

射線是由各種放射性核素，或者原子、電子、中子等粒子在能量交換過程中發(fā)射出的具有特定能量的粒子或光子束流。常見的有X射線、α射線、β射線、γ射線和中子射線等。

可以說，射線研究貫穿了物理學(xué)研究的始終，很多射線研究都獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。從1901年頒給發(fā)現(xiàn)X射線（倫琴射線），到2006年頒給發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射的黑體形式和各向異性，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)迄今有24次頒發(fā)給了射線研究。

此外，就連諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)、生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)也有與射線研究有關(guān)的。1936年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予通過對(duì)偶極矩以及氣體中的X射線和電子衍射的研究來了解分子結(jié)構(gòu)，1964年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予利用X射線技術(shù)解析一些重要生化物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。1946年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予發(fā)現(xiàn)X射線輻射能夠讓基因產(chǎn)生突變的研究成果。

這些研究表明，射線既是物理學(xué)研究的內(nèi)容，又是化學(xué)和醫(yī)學(xué)研究的工具和內(nèi)容，它們對(duì)于揭示物質(zhì)世界、人體和生物的真相和規(guī)律至關(guān)重要，因此成為科學(xué)關(guān)鍵詞。

酸（acid）

酸是化學(xué)的主要研究對(duì)象。傳統(tǒng)的定義是，當(dāng)溶解在水中時(shí)，溶液中氫離子的濃度大于純水中氫離子濃度的化合物就是酸。換句話說，酸性溶液的pH值小于水的pH值（25℃時(shí)水的pH值為7）。

酸可分為無機(jī)酸和有機(jī)酸兩種。在《自然》雜志和其他科學(xué)雜志發(fā)表的論文中，主要是有機(jī)酸和與有機(jī)酸相關(guān)物質(zhì)的研究成果，如核酸（DNA和RNA）、氨基酸和食物中的有機(jī)酸。另外，環(huán)境中的酸雨也屬于酸（主要是無機(jī)酸）的研究。

諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)有8次頒給有機(jī)酸和相關(guān)化合物的研究，如1927年頒給對(duì)膽汁酸及相關(guān)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)的研究、1937年頒給對(duì)碳水化合物和維生素C的研究（維生素又稱抗壞血酸）、1957年頒給核苷酸和核苷酸輔酶研究方面的成果。諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)有3次是授予有機(jī)酸和相關(guān)化合物的研究：1937年授予發(fā)現(xiàn)維生素C和延胡索酸對(duì)生物燃燒的催化作用，1953年授予發(fā)現(xiàn)檸檬酸循環(huán)，1959年授予發(fā)現(xiàn)核糖核酸和脫氧核糖核酸的生物合成機(jī)制。

太陽(yáng)（sun）

早期的科學(xué)研究有不少圍繞太陽(yáng)進(jìn)行，包括太陽(yáng)光、太陽(yáng)風(fēng)、太陽(yáng)黑子、太陽(yáng)輻射等。如1870年《自然》雜志第2卷的一篇涉及太陽(yáng)的文章——天空為何是藍(lán)色的，引發(fā)了廣泛而持續(xù)的研究。

作者認(rèn)為也許因?yàn)樘?yáng)光是橙色的，所以天空中陽(yáng)光照不到的地方自然會(huì)顯現(xiàn)出橙色的互補(bǔ)色——藍(lán)色。英國(guó)物理學(xué)家廷德爾則用“廷德爾散射模型”來解釋，即波長(zhǎng)較短的藍(lán)色光容易被懸浮在空氣中的微粒阻擋，從而散射向四方。但是，如果由水滴冰晶等微粒的散射造成天空的藍(lán)色，那么天空的顏色和顏色的深淺應(yīng)隨著空氣濕度的變化而變化，事實(shí)上沒有。

1899年，物理學(xué)家瑞利發(fā)表一篇《關(guān)于光通過包含懸浮小顆粒的大氣的傳輸以及天空藍(lán)色的起源》的文章，指出“即使沒有外來的微粒，我們依舊會(huì)有藍(lán)天”。因?yàn)?，根本不必求助塵埃、水滴、冰晶等空氣中的微粒，空氣本身的氧和氮等分子對(duì)陽(yáng)光就有散射，而且也是藍(lán)色光容易被散射。所以，空氣分子的散射就可以讓天空是藍(lán)色的。但是，瑞利散射的條件是，假定空氣是理想氣體，空氣中的分子都是自由和隨機(jī)分布的，但事實(shí)上空氣并非自由的氣體。

1910年，愛因斯坦以當(dāng)時(shí)剛剛發(fā)展的熵的統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)理論證明，哪怕最純凈的空氣，也有密度的漲落起伏，而且還有不可消除的雜質(zhì)。但是，空氣本身的密度漲落也能散射，也是藍(lán)色光容易被散射。而且，密度漲落的散射，不多也不少，正好能產(chǎn)生人們看到的藍(lán)天。

所以，由《自然》雜志的文章提出的問題通過科學(xué)家們的接力，最終完成了對(duì)涉及陽(yáng)光的藍(lán)天的科學(xué)解釋。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)也有關(guān)于太陽(yáng)研究的成果，1967年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予對(duì)核反應(yīng)理論的貢獻(xiàn)，特別是關(guān)于恒星中能源的產(chǎn)生的研究發(fā)現(xiàn)；1983年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予有關(guān)恒星結(jié)構(gòu)及其演化的重要物理過程的理論研究。

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來自：零壹貳012 > 《百科知識(shí)》

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