回顾2024年的科学新闻，我们会有一种不同于2023年疾风骤浪的稳妥感，这种感觉一方面来自已经开展的工作又往前迈了一大步。比如：嫦娥六号完成月背采样，星舰多次成功试飞；另一方面来自于许多研究进入了实用阶段，比如：有不俗应用表现的人工智能，能近100%预防艾滋病的长效药。这并不是说科学家没有为我们埋下新的种子，基础技术突破为实现容错量子计算带来了曙光，核钟的出现也让我们有可能在更精确计时之余探索原子核内部的细节。世界依然在进步，我们乐于见到这种稳中有进的局面。下面，就让我们进入《环球科学》评选的2024年“十大科学新闻”榜单。ChatGPT诞生刚满两年，基于人工智能（AI）的各类应用已层出不穷。随着大语言模型的复杂推理能力显著提升，以及多模态模型的跨模态数据处理能力取得突破性进展，AI已经向我们展示了越来越多的可能性。而在更广泛的行业内，AI也为解决现实世界中的复杂问题提供了新的路径：Alphafold3展开了生命分子相互作用预测的新篇章；AlphaGeometry的数学能力已经逼近竞赛金牌获得者；考古学家借助AI识别古卷轴上的文字；GenCast预报天气的表现超过了最好的传统中程天气预报……越来越多的领域借助AI的力量取得了新的突破。毫无疑问，我们已经进入了一个AI深度参与的新时代。细胞器起源让人着迷。此前的研究表明，线粒体、叶绿体和载色体均由内共生细菌演化而来。在一篇2024年发表于《科学》的论文中，研究人员在贝氏布拉藻中发现了第4种由内共生过程演化而来的细胞器——硝化原生质体（nitroplast）。它能将氮气转化为细胞可利用的化合物，是真核细胞内首个已知的固氮细胞器。这种细胞器起源于藻类细胞的一种内共生细菌，它在大约一亿年前演化成细胞器，开始依赖于宿主细胞的蛋白质，并通过宿主细胞世代相传。这一转变赋予了单细胞藻类固氮的能力，将原本属于原核细胞的功能扩展到了真核细胞中。该研究为内共生体演化形成细胞器的机制提供了新的见解。艾滋病是全球性公共卫生问题，每年仍有上百万人感染人类免疫缺陷病毒（HIV）。2024年6月，吉利德科学公司宣布，其长效艾滋病药物lenacapavir在3期临床试验中展现惊人效果：两千余名注射该药的女性参与者HIV感染率为零，艾滋病暴露前预防有效率达100%。同年9月，在另一项临床试验中，lenacapavir在不同性别参与者中也实现了99.9%的预防效果。lenacapavir于2022年获批用于治疗多重耐药型HIV感染者，每年仅需给药两次，这极大提升了患者的依从性。2024年伊始，多家公司都积极推动自研的脑机接口（BCI）设备进入临床。1月30日，Neuralink大脑植入物首次在人类被试中取得成功，让颈髓损伤8年的被试仅靠大脑想法就能处理多项任务，数月后，其又宣布第二例被试进展良好。8月，Synchron植入人脑皮层附近血管中的BCI设备获批可永久植入人脑以进行研究和评估，且已为10名被试植入。今年，中国工信部宣布推动BCI的标准建设和临床转化。清华大学、复旦大学等在利用BCI设备帮助患者恢复运动和交流上，取得重大突破，已有数百人受益。距离人类首次植入BCI设备已过去9年，其发展已进入如火如荼的阶段。更广泛的临床探索，将BCI与人工智能等融合，或不仅能挽救生命，还能推动脑机融合智能的到来。2024年9月，日本化学家在《自然》上发表论文称，首次在实验中观察到稳定的单电子碳-碳共价键。共价键往往是指原子间通过共享成对电子形成的化学键。但不到100年前，因在化学键方面的工作取得诺贝尔化学奖的莱纳斯·鲍林曾预言单电子共价键的存在。然而，此前化学家迟迟没能找到含单电子碳-碳共价键的稳定化合物，因为这种仅共享一个电子的键很不稳定。现在，化学家创造了一种分子，其中心的碳-碳键被拉长，很容易失去电子，形成难以捉摸的单电子键。重要的是，该弱键由稳定的碳环“外壳”包围，得到了很好的保护。这一发现突破了现有化学键极限，有助于化学家进一步探索化学键的边界所在。月球因为潮汐锁定，只有一面面向地球。已有研究表明，月球正面和背面在成分、结构上都存在明显区别。但科学家一直没有月球背面的土壤样本，难以进一步了解月球的地质演化历史。2024年5月、6月，嫦娥六号成功发射，降落在月球背面，采集月球背面的土壤样品，将它带回地球，实现世界首次月球背面采样返回。此次任务共采集了1935.3克月背样品。科学家已经对嫦娥六号样品展开了大量研究。首批成果表明，月球背面火山活动至少持续了14亿年以上，月幔源区的物质组成是月海玄武岩分布的重要控制因素，月球正面和背面遭受陨石撞击的概率相当，这些都深化了我们对月球地质演化的认知。预计后续还会有更多成果出炉。2024年再次刷新了人类有记录以来最热一年的纪录。更为可怕的是，全球升温目前已经单年超过了工业化前1.5摄氏度。欧盟哥白尼气候变化服务局的数据显示，2023年7月至2024年6月期间，全球平均气温创下历史新高，较工业化前高约1.64℃。2024年2月5日，发表于《自然·气候变化》的一篇论文提出，全球表面平均温度的增幅可能已经超过了1.5°C。11月11日，发表于《自然·地球科学》上的研究表明，和18世纪之前相比，到2023年末人类活动引起的气候变化可能已经导致气候变暖约1.5°C。尽管这并不意味《巴黎协定》承诺的长期目标已经失效，但确实敲响了警钟，提醒我们必须立即采取更有力的行动来应对气候变化。科学家曾提出，基于原子核的核钟或许比原子钟更便携、稳定，且具有更高的计时精度，但始终未能真正实现这一构想。2024年9月4日，美国实验天体物理联合研究所（JILA）与奥地利维也纳工业大学的联合研究团队在《自然》上发表了一项突破性进展，他们用高能激光系统成功激发了钍-229原子核，并以极高精度测量了核跃迁频率，这是利用钍-229原子核构建高精度核钟的关键步骤。此外，研究团队还首次将核钟跃迁频率与JILA的原子钟跃迁频率关联起来。这种直接的频率连接与精度的提升，为未来数年内开发出超精准核钟铺平了道路。而核钟的到来不仅能推动导航、通信等技术的发展，或许还能帮助测试基础物理学理论。
量子计算的核心挑战在于量子比特极易受环境干扰而引入错误，此前量子纠错领域从未实现“低于纠错阈值”的成就，即在量子比特数量增长的同时降低错误率。2024年12月9日，《自然》发布了一项里程碑式的突破。谷歌量子人工智能研究团队在超导量子芯片Willow上演示了随着量子比特数量增加，错误率呈指数级下降，表明这是首个低于纠错阈值的系统。这项成就被认为是建造容错通用量子计算机的必要条件。研究团队还使用随机电路采样基准测试了Willow的性能，结果显示，该芯片可以在五分钟内完成当今最快的超级计算机需要花费1025年才能完成的计算。该芯片的性能扩展后或能满员大规模容错量子计算的运算要求。2024年，美国太空探索技术公司（SpaceX）对其产品“星舰”（Starship）进行了第三、四、五、六次轨道级测试飞行，“星舰”在这四次试飞中展示出了巨大的潜力。在第四次试飞中，“星舰”基本验证了通过反推实现软着陆回收的可行性。在第五次试飞中，更是实现了“筷子夹火箭”，用发射塔的机械臂在半空中捕捉返回地球的一级火箭，这需要“星舰”在返回地球时具有极高的精度。未来，SpaceX极有可能加快试飞步伐，尽快研制出正式版本的“星舰”。如果“星舰”最终研发成功，它将成为人类有史以来运力最强的火箭。SpaceX表示，得益于“星舰”可回收的设计，它有望将太空运输的成本降低数个数量级，甚至达到每千克100美元的水平。
除了十大新闻之外，也有一些科学词语在2024年让大家印象深刻，现在我们将其整理出来：本年度“十大科学新闻”评选得到了专家顾问团队的的大力支持。本次发布还邀请到了以下优秀学术媒体合作，他们是（按拼音顺序排列）：答案如下、科学大院、梅斯医学、墨子沙龙、纳米人、神经现实、学术经纬、研之成理、原理。在此特别表示感谢。《环球科学》获《科学美国人》独家授权，内容涉及生物、医学、天文、物理、IT、环境、能源、经济等各大领域，深度报道科学、技术、商业、政策等领域的最新发展状况，前瞻全球科学未来的发展趋势，以及它对人类社会现在和未来的深刻影响。