1.日本福岛核电站放射物质泄漏 引发全球核电生产安全大讨论
这是一场罕见的复合式灾难：当地时间3月11日14时46分，日本东北部宫城县以东太平洋海域发生该国历史上震级最高地震——里氏9.0级地震，引发的海啸袭击了日本整个东北部海岸。受此影响，日本福岛第一核电站的多个机组连日内相继发生爆炸，导致放射性物质泄漏。在全世界范围，该事件引发民众长时间高度关切，有关辐射传播的“闹剧”在各地上演得沸沸扬扬，各国政府亦对核电的安全性和发展作出不同表态。此次核电站事故的教训，永值得人们汲取反思。
2.神经药物首次突破血脑屏障 治疗阿尔茨海默病、帕金森病有新希望
如何将药物递送入大脑细胞内，一直以来都是医生治疗脑神经疾病时面临的重大挑战，而3月份的《自然•生物技术》，报道了英国牛津大学科学家使神经药物首次突破血脑屏障，并在实验中将药物直接送入实验鼠大脑细胞的成果，攻克了治疗阿尔茨海默病、帕金森病和肌肉萎缩症的重大障碍。研究人员希望5年内能在人体身上进行同样的实验，但作为一项尚处于初期阶段的研究，它距离真正造福于民的那一天，还有很长的路要走。
3.单原子量子信息存储首次实现 可极大增强量子计算机的功能
5月3日，德国马普量子光学研究所的科学家将单个光子的量子状态写入一个铷原子中，经过180微秒后将其读出，首次实现了单原子量子信息存储。此前，科学家曾实现了光子和数千个原子集合之间的信息交换，现则证明，采用一种可控的方式，量子信息也能在单个原子和光子之间交换，这有望助力科学家设计出功能强大的量子计算机，向联网构建“量子网络”的目标趋近。
4.广义相对论两大猜想获实验证实 “引力探测器B”功不可没
5月5日，斯坦福大学与美国国家航空航天局通过对“引力探测器B”卫星数据进行分析，证实了爱因斯坦广义相对论中两项重要预测——测地线效应与惯性系拖曳效应，从而为这项史上延续时间最长（从产生设想到送入轨道耗时41年）的空间项目画上了句号。
广义相对论在其有生以来的每个星期几乎都要遭受挑战，但迄今为止，天文学观测数据与其预测值的相符程度远高于其他竞争理论，“挑战”皆成“验证”。当这颗耗资高达7亿美元的卫星把技术升级到当今极致时，人们看到该理论仍是解释大尺度结构的不二选择，不愧为撑起现代物理学这座大厦的支柱。
5.首个单光子路由器研制成功 可作为量子网络重要设备
8月22日，瑞典和西班牙科学家联合研制的路由器仅由一个“人造原子”制成，是首块在单光子层面工作的路由器，其消光效率可达99.6%，表明光子可有效地耦合到路由器上并被很好地控制，目前已成功演示内嵌于一条传输线中的该路由器如何将单个光子从一个输入端口运送至两个输出端口中的一个。且该路由器很容易就能扩展更多输出端口，这对它用作量子点必不可少，未来其可作为量子信息网络中的量子节点，提供基本的数据处理和路由。
6.“中微子超光速”扑朔迷离 狭义相对论受到挑战
本年度诞生的一场科学谜案，其谜底怕是要历久经年才会揭晓。
9月23日，一批中微子束从欧核中心出发，在实验误差为正负10纳秒的情况下，它们到达意大利格兰萨索国家实验室时比光早了60纳秒。
自1905年爱因斯坦狭义相对论建立，“任何物质的速度不会超过光速”的原理颠扑不破。因此这一可能震撼物理学根基的结果，瞬时在整个学界乃至更大范围内掀起狂波巨澜，亦招致了世界上相当数量的物理学家集体质疑。
待到11月17日，原批人员再次以新数据确认了“超光速”结果，且这是针对先前质疑进行了设备修正后的结论。但短短四天后，格兰萨索实验室的另一个小组独立重复该实验后，发现中微子在行进的过程中并无能量损失，这可表明中微子的行进速度比光快是错误的。于是乎，无论是该科学实验本身还是其结论，重回扑朔迷离当中。
7.中国“天”“神”太空对接 空间技术进一步得到提升
9月29日，中国首个目标飞行器天宫一号在酒泉卫星发射中心成功发射；11月1日，神舟八号无人飞行器追随天宫一号的脚步升空，并在太空中与天宫一号成功完成两次对接。以此为标志，中国成为了世界第三个掌握空间对接技术的国家。
8.最强吸光材料吸光率达99％ 可用于研制新型太空涂层材料
不算黑洞的话，新问世的超黑材料简直堪称“吸光之最”了。英国《每日邮报》11月11日报道，美国国家航空航天局科学家新研制的由中空且多壁的碳纳米管组成的纤薄涂层材料，能吸收几乎所有照射在其上的光，从紫外线到远红外线在内的光线被一网打尽，吸光率超过99%，是此前吸收能力最强材料的50多倍。其可作为光抑
制剂和冷却剂用在太空科学仪器的表面，有望开启太空技术研究的新时代。
9.干细胞人造血首次输入人体 作用等同于真正的血液
11月11日《大众科学》的消息称，法国科学家首次成功地将实验室中用造血干细胞培育出的人造血输入了人体内，而其表现与正常的血液一样。造血干细胞是从一个志愿者的骨髓中提取出的，再使用很多生长因子在实验室里将其培育成红血细胞，然后重新注入该捐赠者体内。
尽管大规模利用干细胞制造人造血还有很长的路要走（本次实验中的输血量仅相当于一名普通病人每次输血量的1/200），但该结果仍表明，未来我们或可以获得无限量供应的血液，且这不是替代品，而是人工方法制造出的真正血液。
10.
美发现温度“宜人”的类地行星 表面可能有岩石和水
近年来我们探测到的小行星不在少数，但其中多数乃人类禁区。
而12月份公布的消息称，开普勒天文望远镜新发现了一颗宜居类地行星，不但是迄今探测到的最小类地行星，且其表面温度是温和的22摄氏度，十分难得。该小行星被命名为开普勒-22b，宽度约为地球的2.4倍，质量据推测应至少小于地球质量的36倍——这个范围意味着，该行星表面可能有很多岩石并可能有水。
更重要的是，开普勒-22b位于能为生命提供最好生存环境的范围内——刚巧位于其恒星宜居带的正中，这一“地理位置”也加大了行星表面存在液态水的几率，并使其表面“温度宜人”。
1.日本福岛核电站放射物质泄漏 引发全球核电生产安全大讨论
在美国三里岛和乌克兰切尔诺贝利之后，日本福岛成为第三个核工业重大灾难的代名词。
3月11日大地震引发的海啸横扫日本东海岸，福岛核电站所在区域也不可避免地遭到巨大冲击与破坏。这原本是百年一遇的自然灾害，却因为“核”这个敏感字眼，迅速演变为全世界层面的社会危机。有惨痛记忆在先，民众的恐慌心理显而易见。福岛“50死士”的悲壮之举纵然令人扼腕，但技术失控之下的核能瞬间变脸，确实是不能承受之重。一直风光无限的核能利用，再次面临安全的拷问，前行之路似乎举步维艰。
在日本，民众对核电的支持率迅速下降，政府2030年前再建成14座核反应堆的计划自然难以为继；瑞士随即作出在2034年前逐步废弃核电站的决定；意大利的核电站更新计划也被高达94%的反对声浪彻底否决；而作为核能研究之“开山鼻祖”的德国人，在经历了切尔诺贝利事故之后早已是杯弓蛇影，此番更是信心尽失，立马宣布永久关闭正在使用中的9个核电站，“弃核”态度坚定。
但在能源危机日益逼近的背景下，要断然放弃已经占到全球14%电力供应的核电显然不可能。说到底，没有经济上的优势，谁愿与危险共舞？不要说极为倚重核电的美国和法国做不到壮士断腕，像日本这样国内资源匮乏、极易受制于人的国家，更需指望核电来保其能源安全。另一方面，太阳能发电尚未走上平价之路，风电存在不稳定性，水电则涉及兴建大坝和大举移民，有劳民伤财、破坏环境之嫌，这些能源“新贵们”暂时还撑不起台面。核电进程虽然一时遇阻，继续发展实为大势所趋。
反观这些核能大灾难，其实不难看出：核能利用的最大风险不在于核本身，而在于
管理和使用。如果以千万生命的逝去为代价，换得世界对核能安全的关注，革新标准，开展严格的安全
检验，又何尝不是后世的福祉。
2.神经药物首次突破血脑屏障 治疗阿尔茨海默病、帕金森病有新希望
将药物高度精准地输送到人体器官是有效治病的重要环节，但大脑却用自己独特的血管系统构筑起一堵“防火墙”，着实令科研人员大为神伤。
这道血脑屏障可以保护大脑免受有毒物质侵蚀，同时却也将许多药物分子拒之门外，导致脑内无法形成有效的血药浓度，阿尔茨海默病、帕金森氏症等顽疾便是在这道屏障的庇佑之下，始终得不到根本性地治疗。为了突破这道防线，百年来科学家一直在尝试各种方式，试图“翻墙”而入，而英国牛津大学的科学家在最新研究中所用到的便是一招“特洛伊木马”。
充当“木马”的是实验鼠体内的一种运载蛋白——外来体，它由细胞天然产生，犹如体内小小的穿梭巴士，能在细胞之间来回运送物质；而藏身其中的利器是一段
遗传代码，它可以关闭一种同阿尔茨海默病有关的基因BACE1。为了让“木马”能够顺利将药物送达大脑这个目的地，还要借助一种从病毒中提取出来的蛋白质靶。由于这种病毒能依附于大脑内的特殊受体，研究人员让经过基因改造过的细胞也能够表达其蛋白质，自然而然地，这些细胞产生的外来体“木马”不费吹灰之力就进入了实验鼠大脑。结果令人惊喜，BACE1基因的活动能力降低了60%。
一度固若金汤的血脑屏障被攻破了一道缺口，这并不意味着各种药物就能趁势“大举入侵”，将困扰人类的多种顽疾一一摆平。但它代表了一个平台技术，为扫除中枢神经疾病的治疗障碍提供了方法，毫无疑问，一系列重大医学进展的序曲已经奏响了。
3.单原子量子信息存储首次实现 可极大增强量子计算机的功能
数据存储的规模不可能比这更小了：德国马普学会量子光学研究所的研究人员成功演示了这样一个量子存储装置的最为基本的形式——将单个光子的量子态写入一个铷原子中，经过180微秒后再将其读出。这是两个不同的微观物理系统之间的量子信息交换，并且是单个光子和单个原子的一对一“互动”，对于推动远距离量子通信和大尺度量子计算来说意义非凡。
量子计算机处理的信息就是以量子态存储于单个原子或光子这样的微观物理系统之中的。在对量子态的传输、操纵和存储等操作中，不同的物理系统有不同的优势。光子飞行速度快，与环境耦合作用小，是量子通信中最好的信息载体，但却很难被存储；相比而言，原子态有很长的退相干时间，可用来存储量子态。将二者结合，是实现对微观量子态的操纵的方案之一。不过，光子和原子之间的作用非常微弱，很难吸引对方的“注意”，即使出现了信息交换，也是少量、不完全的。
研究人员利用镜子增强了束缚在光腔中的铷原子和光子之间的相互作用，并用激光控制铷原子吸收和释放光子，也就是存储信息和读出信息。这种方法效果惊人：在大多数情况下，读出的量子信息同最初存储的信息一致，即保真度超过90%，而传统不基于量子效应获取的保真度仅为67%；且180微秒的存储时长不亚于以前基于多个原子方法获得的量子存储时间。
这是首次以可控方式实现了在单个原子中存储量子信息，这种技术原则上可以用于设计功能强大的量子计算机。不过，对于普罗大众来说，量子计算机的名头虽响，其所谓的超强计算能力却仍不过是纸上谈兵，到目前为止问世的量子计算机都只能说是个玩具，不仅价格不菲、体格庞大，而且只能处理几个量子比特的信息，稍一升温就会当机，基本上不具实用性。鉴于此次研究成果的效率（受到照射的光子中有多少能被存储接着被读出）还不到10%，这回是不是又在拿量子计算机当“噱头”，只能由时间说了算。
4.广义相对论两大猜想获实验证实 “引力探测器B”功不可没
美国斯坦福大学5月5日宣布，其与国家航空航天局（NASA）通过对“引力探测器B”卫星数据进行分析，已证实了爱因斯坦广义相对论中两项重要预测——测地线效应与惯性系拖曳效应，从而为这项史上延续时间最长（从产生设想到送入轨道耗时41年）的空间项目画上了句号。
广义相对论，对于任何一个不曾学习或研究它的人来说，它的标准释义看了和没看一个样。因为在解释该词条时，至少又用了4组不被常人所理解的词汇。其内涵和外延涉及甚广，似乎非
论文形式不能描述。在此，我们只需知道，它至今仍被称为现代引力理论研究的最高水平、在“你最该知道的十大科学定理”排行榜中位列第二（仅排在海森堡测不准原理之后）。
广义相对论几乎在其有生以来的每个星期，都要遭受或正儿八经或怪力乱神的挑战，但迄今为止，天文学观测数据与其预测值的相符程度远高于其他竞争理论，“挑战”皆成“验证”。当一颗耗资高达7亿美元的“猛砸钱”卫星把技术升级到当今极致时，人们看到该理论仍是解释大尺度结构时的不二选择，不愧为撑起现代物理学这座大厦的支柱。
如果说，今年9月份那项争议非常的实验——“中微子超光速”勉强算是给了以相对论为基础的主流物理学当头一棒，但仍没有任何理由阻止你向爱因斯坦他老人家致敬——相对论，它曾经且正在接受近百年间大量的实验验证和修补，我们从不说它“完美”，但它是根基；它也可经修正，但仍未被颠覆。
5.首个单光子路由器研制成功 可作为量子网络重要设备
当人类向着超高速信息处理的美好年代投去憧憬一瞥时，前方出现的曼妙身影将会是人们现在并不熟稔的量子网络和光子元件，此缘已注定。而此时此地陪伴着我们的电子设备，多数将黯然退场。
不过，相比于电子，让光子听由我们的安排可是困难重重。也是这个原因，人们目前的路由器几乎全都是用电子元件架构。然而，量子隧道的一个重要要求是粒子能在长距离上分发数据，光子“天生”能比原子等其他量子系统行进更远的距离，在量子信息网络中，光子做信息载体的效果毋庸置疑。这也可说，用光子做路由器是奔向量子网络途中不得不迈过去的坎儿。
8月22日，美国物理学家组织网的一则消息称，瑞典查尔姆斯理工大学和西班牙国家研究委员会的科学家联合研制的路由器，仅由一个“人造原子”制成，是首块在单光子层面工作的路由器，其消光效率可达99.6%，表明光子可有效地耦合到路由器上并被很好地控制。
这批了不起的团队成员已成功演示内嵌于一条传输线中的该路由器如何将单个光子从一个输入端口运送至两个输出端口中的一个，其切换时间仅为几纳秒。而该路由器很容易就能扩展更多输出端口，这对它用作量子点必不可少，未来其可作为量子信息网络中的量子节点，提供基本的数据处理和路由。
除了应用于遥遥在望的量子网络中，这种路由器其实还可用来将单光子源的光子分发到同一块芯片上的几个实验中，让科学家使用同束光线进行更多实验——换句话说，就像现在驾驭电一样，人们在逐步实现去控制和引导光。
6.“中微子超光速”扑朔迷离 狭义相对论受到挑战
9月23日，搅动物理学一池平静春水的欧核中心（CERN）与大型中微子振荡实验（OPERA）项目组，在位于日内瓦边境的CERN发射出一束中微子，其来到732公里外的意大利格兰萨索国家实验室，在实验误差不超过10纳秒的情况下，行进速度竟比光还快了58纳秒。
这就是问题所在——自1905年爱因斯坦的狭义相对论建立以来，“任何物质的速度不会超过光速”的原理颠扑不破，而目前出现的结果，极有可能撼动当前物理学的根基。
CERN与OPERA选择了第一时间将结果公之于众，以请全球科学家来验证。几乎瞬时间，大批物理学家集体表示怀疑，学界外的范围，更是鲜见的在一条辞藻艰辛的科学原理新闻之下不断涌现出“求科普”“求真相”者——就连那好似满眼鬼画符的原论文，也被翻出来讨论，一时间竟有全民科普的大好态势。
待到11月17日，依然是原班人马，再次以新数据确认了“超光速”结果，且称这是针对先前质疑进行了设备修正后的结论。但短短四天后，格兰萨索实验室的另一个小组独立重复该实验后，又认为中微子比光快还是个谬误。反反复复中，无论是该实验本身还是其结论，愈发扑朔迷离。
这无疑成为本年度诞生的一场科学谜案，其谜底怕是要历久经年才会揭晓。人们常说科学无疆界，不仅指地域，亦指思维。科学的宽容度，允许任何尊重科学精神的观点，自然，也包括失误。比起遭人诟病的那句诙谐之语“足球的魅力就是误判”，其实，科学的魅力才在于“误判”——这几乎是人们能找到的唯一一件“错误也意味着进步”的事物，即便是理论的崩塌、技术的匮乏，却能在卷土重来后更为接近真相，就像在科学史上，每一处废墟都意味着一座新的大厦拔地而起。
而以上，即便数年之后“超光速实验”被证伪，其仍旧在科学探索的道路上充满意义的原因。
7.中国“天”“神”太空对接 空间技术水平进一步提升
对于人类航天事业而言，2011年的关键词，无疑是传统双雄的“停滞”与中国的“突破”。
随着亚特兰蒂斯号完成最后一次飞行任务，在半个多世纪的时间里一直扮演人类航天事业标志性符号的航天飞机，就这样结束了自己的辉煌时代，也令长期傲然走在太空探索领域前列的美国航天暂时陷入了低谷。无独有偶，另一家传统航天强国俄罗斯在2011年的运势同样并不通畅，一连串的严重事故，让前苏联航天事业的继承者不得不再次审视自己漏洞百出的监管体制。
美俄两国的近况暗淡，既受当前全球经济低迷的拖累，更是世界航天格局渐渐深入走向多极化格局的写照。而恰恰在这种背景下，一直在航天领域紧追不舍的中国人于2011所取得的成就，便显得格外闪亮。今年11月3日凌晨1时44分，中国首艘用于空间站建设研究的目标飞行器“天宫一号”与“神舟八号”追踪飞行器顺利实现首次交会对接，这意味着继美国和俄罗斯之后，中国成为世界上第三个完全独立掌握太空交会对接技术的国家。如果从1999年“神舟一号”的发射升空开始算起，中国人只用了十二年的时间便“修习”完美俄摸索积累了几十年的探索教程，并且还在保持这种速度继续前进！
有必要说明的是，中国人取得的这些成绩经得起任何质疑与检验。实际上从上世纪建国之后开始，在包括航天在内的诸多重要工业领域，鲜有外援的中国一直依靠的是艰苦奋斗与自力更生。政府的高度重视，科研人员的智慧和爱国热忱以及这个民族对科学、知识的一贯尊重，共同促生了这些令不了解内情的外人倍感惊讶的丰硕成果。
当然，公平地说，“天宫一号”的对接成功尽管对中国航天意义重大，但放眼世界，也只是做了美国人和苏联人40年前做过的事情。就行业的整体水平而言，中国与前两者的差距更绝非一日可以赶上。然而，勤奋而沉默的中国人，总值得人们赋予更高、更大的期待。
8.超强吸光材料吸光率达99％ 可用于研制新型太空涂层材料
“没有最黑，只有更黑”，在超强吸光材料的竞技场上，纪录再次被改写。目前的霸主之位荣归美国国家航空航天局科学家新研制的碳纳米管纤薄涂层，其平均吸光率高达99%。
相比2008年美国赖斯大学研究人员开发的在可见光波段光线反射率达0.045%并为此申报吉尼斯世界纪录的最黑材料，这种新材料在可见光波段的光吸收率也达到了99.5%，可以说是打了个平手。但后者还有个“通杀”的本领，除了可见光，紫外线、红外线以及远红外线都无法逃脱，吸收率均能达到98%至99%。在多个波段都获得几近完美的吸收效果，这才是前所未有的创新。其光吸收能力是目前吸收能力最强材料的50多倍，航空航天、太空探测、天文观察领域都可能因此步入一个新时代。
可以说，新超黑材料已经极度接近人类一直追求的黑体了。黑体是由物理学家定义的一种理想物体，其吸收比为1，这意味着，在任何温度下，它可将入射的任何波长的电磁波全部吸收，没有一点反射；而在相同温度下，它所发射出的热辐射比任何其他物体都强。其实竞赛到这个份儿上，吸光率也算到顶了，再提高意义不大，如何降低成本才是下一步主攻的方向。
9.干细胞人造血首次输入人体 作用等同于真正的血液
目前，有三拨科学家正在从不同的角度、采用不同的方法研制人造血：一拨人研究氟碳化合物；另一拨人把目标瞄准人造血红蛋白；还有一拨人则专攻干细胞。
从本质上来说，前两者只能算是血液代用品，这是由于血液的成分太过复杂，开发出完全替代血液的物质难度极大，研究人员只能着眼于血液中最主要成分——血红蛋白，制造能够模拟其功能的产品，让氧气在人体内循环，同时将二氧化碳带出体外。
氟碳化合物的携氧能力可达到真血的两倍，在
临床上也得到了安全应用，但它缺乏（白细胞）对抗疾病以及（血小板）让血液凝结成块的能力。人造血红蛋白可从过期的捐
献血液、牛的血液甚至植物和
真菌中萃取，然后加以改良，但离开了红血球的保护环境，血红蛋白会产生自由基，损伤心脏和其他器官，早期实验就不乏多次导致患者死亡的教训，研究人员至今尚未掌握使血红蛋白的毒性尽可能减小的技巧。
而干细胞造血技术则是用人工的方式培养天然血液，在“鸡尾酒”混合生长因子的激发下，造血干细胞能够顺利地生长为红细胞。目前美国和英国都已经成功实现了干细胞向血液细胞的转化，但在人体试验方面，却被法国抢了先。他们从一位志愿者的骨髓中抽取出造血干细胞，培育成红细胞后注射回了捐献者体内，并取得了成功。这100亿个细胞（相当于2毫升血液）不仅正常存活，运送氧气的功能也不输真血。
不过，就此断言血荒终结的那一天可能马上就要来临了还为时尚早。干细胞人造血也秉承了天然血液的缺陷，那就是保存时间有限；而且本次实验中的输血量仅相当于一名普通病人每次输血量的1/200，这跟造血干细胞数量极少、分离纯化存在一定难度不无关系。在短时间内，三种人造血技术各有所长，无法偏废，而在临床上大规模应用人造血也非朝夕之事。
10.美发现温度“宜人”的类地行星 表面可能有岩石和水
近年来，我们探测到的小行星不在少数，但其中能像葛利斯-581d那样被誉为“新地球”候选者的，凤毛麟角（何况葛利斯-581d是否真的存在还在激烈争执中）。大多数发现的小行星都是死气沉沉，地表环境 “生人勿进”——譬如12月初公布的开普勒-21b，身处这颗行星会和身在烤箱没啥区别，那1627摄氏度的炙烤，就算是对生活状态不可捉摸的“外星人”来讲，也实在太高了点。
但几天后公布的新消息称，开普勒天文望远镜又发现了一颗宜居类地行星，其表面温度是温和的22摄氏度，十分难得。该小行星被命名为开普勒-22b，宽度约为地球的2.4倍，质量据推测应至少小于地球质量的36倍——这个范围意味着，该行星表面可能有很多岩石并可能有水。
更重要的是，开普勒-22b位于能为生命提供最好生存环境的范围内——刚巧位于其恒星宜居带的正中，这一“地理位置”也加大了行星表面存在液态水的几率，并使其表面“温度宜人”。鉴于所有潜在的可能，科学家会在2012年中进行地面观测，以确定其质量以及组成。
该消息公布时，开普勒-22b还是“迄今发现的最小类地行星”，不过就在12月末，勤劳的望远镜又发现了两颗与地球大小近似的行星开普勒-20e和开普勒-20f，前者甚至比地球略小，因而成为截止到目前的、在太阳系外发现的最小类地行星。不过呢，这两颗行星固执的朝向它们的恒星，导致表面都有一半处于恒久的光明之中，另一半则是永远的黑暗，可能不适于生命存在。但接连刷新的发现，一次次的表明人类可以探测到其他星系中存在的与地球大小近似的行星。更让人们相信，一颗真正的“第二地球”出现，为时不远。
作者：