世界科學前沿的方向標
2019年，科學及其追隨者們探索前行的步伐一如既往的堅定。對於世界我們仍有很多問題，其解法，是依靠科技的進步一次次擊碎桎梏，開啓下一個增長時代；用“希望”和“發展”引導人們走向更加美好的未來。從這個角度而言，2019年的科技界與科學家，更值得尊重。
1中國“嫦娥四號” 實現人類首次月背 軟着陸
月球之背，寧靜之地。
此處屏蔽了來自地球的各種無線電干擾信號，可以監測到地面和地球附近的太空中無法分辨的電磁信號，為研究恆星起源和星雲演化提供重要資料。所以天文學家一直希望利用這片寂靜去監聽來自宇宙深處的微弱信號，但長久以來，從未有航天器登陸過月球背面。
今年1月3日，“嫦娥四號”探測器成功着陸在月球背面東經177.6度、南緯45.5度附近的預選着陸區，並通過“鵲橋”中繼星傳回了世界第一張近距離拍攝的月背影像圖，實現了人類探測器首次月背軟着陸。
12月21日，着陸器受光照自主喚醒，按計劃繼續對月表線性能量轉移譜、綜合粒子輻射劑量及月表低頻射電特徵開展有效探測工作。
靜靜的月背，太陽光照射在“嫦娥四號”着陸器上。繁忙的地面，在月背刻上中國足跡的青年人團隊，平均年齡僅為33歲。
2高度擴展的
仿生物細胞
機器人誕生
地球生物皆由細胞構成，而細胞集體運作能力的強悍與複雜，至今人們也不能説完全瞭解。可如果能夠在智能領域模擬出一定程度的細胞組合運動，並能輕易擴展，那麼理論上，便可以利用大規模機器人創造出無限的可能。
美國哥倫比亞大學和麻省理工的科學家3月份報告了一種能模擬生物細胞集體遷移的機器人，25個物理機器人“粒子”，能移動、搬運物體以及向光刺激移動。
有意思的是，單個機器人“粒子”並不能移動，但如果其中一個或幾個成員“喪失行動能力”，也不會對整體有大影響——在20%粒子失效的情況下，其仍能以完整狀態一半的速度運行。而在傳統機器人，單獨個體的缺失，往往會導致滿盤崩潰。
25個鬆散的“粒子”，可以輕易擴增為十萬個，這比此前傳統機器人和仿生系統具有更高的可擴展性，也為開發有預先確定性行為的大規模羣體機器人系統，提供了全新途徑。
3人類獲得
首張黑洞照片
在我們所有人頭頂，在幾乎每個大星系的中央，黑洞無聲無息地盤踞、吞噬、輻射。當天體物理學發展到一定程度，沒有任何一個文明可以對黑洞視而不見。
天文學家們為此搭建了一張行星級觀測網——“事件視界望遠鏡（EHT）”，它比任何獨立設備都更瞭解黑洞，它還能達到足夠分辨率來區分光被拉入黑洞時的狀況。拜其成全，從來都無法直接觀察到的黑洞，此次“眼見為實”。
北京時間4月10日21時7分，全球6個城市（比利時布魯塞爾、智利聖地亞哥、中國上海和台北、日本東京、美國華盛頓）在同一時間公佈了首張黑洞照片，揭示了室女座星系團中超大質量星系M87中心的黑洞。黑洞這一神秘天體，終於展露真容。
黑洞“現身”的同時，其中的物理現象還很可能為我們闡明廣義相對論和量子力學間的巨大矛盾——眾所周知，這二位“不和”已久，皆因我們找不到一種既是宏觀又是微觀的東西。而黑洞，恰好兼具大尺度宏觀形態和小尺度微觀量子理論的特性。
這就是科學的進步，既不會忽略小到無法體驗的粒子，也不會避開大到超乎你我想象的物體。
4 3D打印出會
“呼吸”的人造器官
“上上世紀的思想，上世紀的技術，本世紀的市場”，説的就是3D打印。
但在今年，這項已然不再新鮮的技術取得了具有里程碑意義的成果。5月，《科學》雜誌封面報道了美國萊斯大學與華盛頓大學主導的研究，該團隊克服了3D打印器官的一大障礙，創造出一個由水凝膠3D打印而成的肺氣囊模型。
這個模型，具有與人體血管和氣管結構相同的網絡結構，在體外模擬肺氣囊生理學功能，實現了往周圍血管輸送氧氣，完成了“呼吸”過程。而通常認為，只有3D打印的組織能像健康組織一樣“呼吸”，且構建出可與其他組織交互的管路系統，才可以説它在功能上已經接近一個健康組織。
這項成果被認為代表了3D生物打印可實現的最強生理功能，它也意味着，未來的器官移植以及人類壽命延長等許多問題，都將可能得到解決。
5超導材料最高
臨界温度刷新
應用物理界有一個終極使命，就是尋找能在室温下具有超導性的材料並將其用於生活中。
一般的材料在導電過程中會消耗大量能量，而超導體在傳輸中幾乎沒有耗損，還能在每平方釐米上承載更強的電流。但目前，超導材料只有在低温環境下才會具有超導性。
今年5月，美德兩國科學家團隊在《自然》上發文稱，其所觀察到的3個特徵已可證明，在250K（約為-23℃）的温度下，氫化鑭在超過100萬倍地球大氣壓下會變成超導物質。
而250K，是迄今為止超導材料中證實的最高臨界温度，其距離室温的295K已並不遙遠。
值得注意的是，在2018年，已有兩個獨立研究小組同時發佈對壓縮氫化鑭化合物超導性的理論預測，並指出了其臨界温度範圍值。這一從“預測”到“驗證”的過程表明，人類對超導材料的研究可能進入了一個新階段——從靠經驗規則、直覺或運氣發現超導體，向由具體理論預測指導研究過渡。
6新癌症疫苗
讓CAR-T療法
高效攻擊實體瘤
誓要向癌症進軍的CAR-T療法，還缺一副鎧甲。現在，“抗癌疫苗”可做其鎧甲。
在人類與癌症抗爭的歷史長河中，CAR-T療法獨佔鰲頭。這名字中的T，是指從患者體內分離出免疫T細胞，再在體外對這些細胞進行基因改造，給它們裝上識別癌細胞表面抗原的“嵌合抗原受體”——即名字中的CAR。
該明星療法被認為徹底地改變了癌症治療格局，但卻有一定侷限——僅能治療某些類型的白血病。但今年7月，麻省理工學院科學家們在《科學》雜誌上發表了題為“利用疫苗增強CAR-T細胞治療實體瘤的療效”的研究。他們開發出新型“抗癌疫苗”，可以讓CAR-T細胞對實體腫瘤進行攻擊，極大提高CAR-T療效，最終可清除60%的小鼠體內的實體瘤，此外還能刺激免疫系統產生記憶T細胞，防止腫瘤復發。
這項開創型的研究，不啻於為千萬人帶來希望，而對研究者來説，它為對抗實體瘤的攻堅戰提供了新思路。
7全球首座浮動
核電站正式啓航
20870型“羅蒙諾索夫院士”號浮動核電站，是移動式低功率核電機組的首型號，也是世界上最北端的核裝置。
浮動核電站本質上就是一個建在船上的核電站，因其安全性和經濟性獲得各國廣泛持續關注，被認為是最理想的海洋能源開發保障。8月23日，“羅蒙諾索夫院士”號從俄羅斯北極不凍港摩爾曼斯克港啓航，9月抵達楚科奇地區的佩斯韋克市，隨後連接到電網。
12月份，浮動核電站開始試運行。等正式運營後，它將能替代當地一座陸上核電站和火力電站的發電產能。這座浮動式核電站在設計時留有了很大的安全餘量，兩台KLT-40S反應堆能產生高達70兆瓦的電功率，可以滿足一個10萬人口城鎮的能源所需。
“羅蒙諾索夫院士”號啓航，標誌着俄羅斯在該領域取得實質性突破。現在，俄國家原子能公司正在研製第二代浮動式核電站，將成為解決北極等特殊地域能源供應的重要選項。
8“量子霸權”實現：
200秒完成
萬年計算
當量子計算在某些任務上擁有超越所有傳統計算機的計算能力，就是“量子霸權”。
9月，谷歌發表題為《使用可編程超導處理程式的量子優勢》的文章，宣佈其實現“量子霸權”：一台可編程量子計算機超越了最快的經典超級計算機。該量子系統只用了約200秒，就完成了經典計算機大約需要1萬年才能完成的任務——而這裏慘敗的對手，是目前世界排名第一的超級計算機、美國能源部橡樹嶺國家實驗室的“Summit”。
秒殺經典計算機業界翹楚，這一成就被視為量子計算的重大里程碑事件，“對世界領先的超級計算機實現量子霸權，無疑是一項了不起的成就”。
但也要看到，從實用的量子計算系統再到通用可編程的量子計算機，其路漫漫。在量子計算機投入實際應用前，還需開展更多工作，譬如，實現可持續的容錯運算。
9“基因魔剪”升級，
新基因編輯系統
問世
CRISPR-Cas這把“基因魔剪”的潛力，一直受到難以進行精確修飾的限制。
近年來，我們看到基因組編輯技術取得了重要進展，但是已知的約75000個人類病理性遺傳變異體，大部分仍無法得到有效修正——受到複雜細胞過程的影響，CRISPR-Cas在精度和效率上並不完美。
但現在，許多研究工作正集中將不完美平衡為一種精確的編輯。今年10月，美國博德研究所等機構的科學家在《自然》發文稱，他們開發出新型多功能基因組編輯技術，可以精確地編輯基因，而不造成DNA雙鏈斷裂。其比傳統Cas9效率更高、副產物更少、脱靶率更低。
這項新技術名為“先導編輯”，原則上，其可以修正約89%的已知與疾病相關的人類遺傳變異體。
基因組編輯的最終目標，就是能夠對生命藍圖做出任何特定的改變。而一種用於基因組編輯的“搜索和替換”方法，使我們朝着這一宏偉目標邁出了一大步。
10“萬物DNA”材料
讓存儲無處不在
人們隨口就説“數據暴漲”這個詞，但你我只是轉手去買塊新硬盤，但對技術人員來説，數據量的不斷增加、既有存儲架構的不足，是恐懼之源。
傳統存儲方式難以為繼。幸好，我們還有“更傳統的”——依靠自然界神奇而精巧的生物存儲。有人研究過，DNA信息儲存密度為一千萬TB/立方厘米。在這種密度下，一個大約一米長的DNA立方體，就能滿足目前世界上一年的信息儲存需求。而且，它如此穩定。
今年12月，哥倫比亞大學著名專家、以色列計算遺傳學家亞尼夫·埃爾利赫與蘇黎世聯邦理工學院報告了一種運用“萬物DNA”特殊材料3D打印出來的“兔子”，該材料包含了用以合成DNA編碼的兔子藍圖。之後，原始兔子所含的DNA被解碼，並穩定複製了五代兔子。這種新的存儲架構，意味着DNA存儲的潛力又被進一步拓展。
而今年稍早時間，美國微軟與華盛頓大學也聯合公佈了全球首個全自動DNA數據存儲和檢索系統。這是人類首次採用全自動手段去進行DNA存儲。全自動的合成和讀取，不但有助於推動規模化並降低成本，還將是DNA存儲技術從實驗室走向商業數據中心的關鍵步驟。