1月26日，由中国科学院、中国工程院主办，中国科学院学部工作局、中国科学报社承办，中国科学院院士和中国工程院院士投票评选的2025年中国十大科技进展新闻、2025年世界十大科技进展新闻在北京揭晓。
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《自然》6月12日刊发的一项研究显示，美国研究人员开发的脑机接口系统，利用人工智能解码使用者试图说话时的脑电活动，从而帮助患有严重言语障碍的人有表现力地说话和唱歌。
美国加利福尼亚大学戴维斯分校研究人员领衔的团队开展了这项研究。据介绍，参与研究的45岁男子因患上肌萎缩侧索硬化症而丧失了清晰说话的能力。他虽然仍能发出声音并做出口型，但说话缓慢且不清楚。症状出现5年后，研究人员在这名参与者脑部控制运动的区域植入了256个微电极并利用深度学习算法每10毫秒捕捉一次他大脑中的相关信号，从而最终解析出他想说的话语。
研究显示，这一系统几乎可以实时将这名男子的相关大脑活动转化为语言。当他提出问题时，系统还能传达语调变化。他可以强调自己选择的词语，还能以3种音高哼唱出一串音符。
早期的脑机接口模型可以在3秒内输出语音，或者只有在用户模仿完整句子后才会输出语音。而在最新研究中，这一系统可以模仿说话者自己的声音，在说话者发出有说话意图的神经活动信号后10毫秒内说出话语。研究人员指出，这一系统不仅能在表述中呈现说话者意图，还能表现说话者语调、音调和重音等自然语音特征。
植入运动皮层的电极有助于记录和语言相关的大脑活动。图片来源：Kateryna Kon
7月17日《自然·电子学》报道，美国波士顿大学、加利福尼亚大学伯克利分校和西北大学团队联合，开发出全球首个“电子-光子-量子”一体化芯片系统。这是首次在一块芯片上集成了量子光源与稳定控制电子电路，并采用标准的45纳米半导体制造工艺，为批量化生产“量子光工厂”芯片、构建大规模量子系统奠定了基础。
就像传统电子芯片依赖电流、光通信系统依赖激光，未来的光量子技术也需要稳定的“量子光”资源来实现运算、通信或感知。为此，研究人员在硅芯片上构建了一组“量子光工厂”，每个仅约1毫米见方，却能稳定产生成对相关光子，这是量子信息应用的关键资源。
此次一个关键挑战是，在保持量子光学性能的同时，把光子器件设计限制在商业互补金属氧化物半导体（CMOS）平台的严格规范之内。这要求团队从一开始就将电子与量子光学作为统一系统进行协同设计。而该芯片采用了标准的45纳米CMOS平台，具备内建反馈稳定机制，能有效应对温度变化与制造误差带来的干扰。
实验过程中，装有芯片的封装电路板被置于探针台显微镜下进行测试。图片来源：美国波士顿大学
国际合作团队借助美国（LIGO）等探测器，探测到迄今最大质量黑洞合并事件，该成果对理解黑洞成长意义重大。这项由LIGO-Virgo-KAGRA合作组宣布的发现，源于2023年11月捕捉到的GW231123事件。
此次合并的两个黑洞质量分别约为太阳的100倍和140倍，合并后形成225倍太阳质量的黑洞，二者自旋速度达每秒约40次，接近理论稳定极限。黑洞分恒星级（几倍至100倍太阳质量）、中等质量和超大质量三类，中等质量黑洞极为罕见。此次合并的黑洞质量接近或超恒星级区间，无法用传统超新星爆发机制解释。专家推测，它们可能由早期小黑洞分级合并形成，这为研究黑洞形成提供了新视角。
该项发现于7月14日在苏格兰格拉斯哥举行的第24届国际广义相对论与引力大会（GR24）暨第16届爱德华多・阿马尔迪引力波会议上正式发布。
图中展示了GW231123双黑洞合并过程。图片来源：加州理工学院
欧洲立方千米中微子望远镜（KM3NeT）合作项目团队于2月11日在《自然》发表论文称，他们检测到了迄今能量最高的宇宙中微子。研究人员认为，这些粒子来自银河系之外，但其准确来源尚不明确。
2023年2月13日，深海宇宙线天体粒子研究探测器（ARCA）发现了高能缪子的信号。研究人员估计，这一粒子能量约为120拍电子伏（PeV，1PeV=1015电子伏），而产生这个缪子的中微子能量甚至更高，约220PeV。它穿过了整个探测器，并在超过1/3的活性传感器中产生了信号。其轨迹的倾斜度与巨大的能量相结合，提供了强有力的证据，表明该缪子起源于在探测器附近相互作用的宇宙中微子。这一事件被命名为KM3-230213A。
宇宙中的某些高能天体事件，例如星系中心的超大质量黑洞吸积、超新星爆发、伽马射线暴等，至今尚未完全被理解。这些事件会产生宇宙射线粒子流，某些宇宙射线可能与射线源周围的物质或光子相互作用，从而产生中微子和光子。在那些最高能的宇宙射线传播过程中，它们还可能与宇宙微波背景辐射的光子发生相互作用，进而产生极高能的中微子。
工程师准备将1个探测器添加到海底KM3NeT网络中。图片来源：Paschal Coyle CNRS
时间晶体是一种在时间维度上持续重复出现的物质形态，就像普通晶体中的原子在空间重复排列一样。此前，时间晶体仅存在于复杂的量子物质中，但物理学家找到了一种方法，能够在特定条件下制造出一种可用肉眼看到的时间晶体。这项成果9月4日发表于《自然·材料》。该研究涉及兼具液体与固体特性的“液晶”棒状分子。研究人员只需将光照射在液晶上，就能在其表面产生扭曲分子的涟漪。即使改变了外部条件，涟漪也会以不同的节奏持续移动数小时。这种节奏与任何外部输入的作用力不同步，满足了时间晶体的两项核心定义标准。
2012年，诺贝尔物理学奖得主FrankWilczek首次提出时间晶体的概念。Wilczek构想的时间晶体如同一台永动机—— 一种能在自然静止状态下无限循环的物质。后来有团队发表论文，通过数学方法证明这一概念是不可能实现的，但研究人员很快发现，可能存在其他类型的时间晶体。例如，有序时间晶体可存在于持续变化而非静止的特殊系统中。
研究人员表示，这些时间晶体薄层可嵌入纸币中，用于验证真伪。他们称，光线穿过多组有不同特征图案的晶体后，不仅会产生单一方向的波纹，还会形成动态的二维条形码。这种条形码极难伪造，同时也可用于存储信息。
在显微镜下看到的时间晶体。图片来源：《自然·材料》
科学家成功阻止了人类受体对猪肾的排斥反应。一枚猪肾在美国一名57岁的脑死亡男性体内存活了61天，创下了转基因猪器官在脑死亡患者体内存活时间最长的纪录。
在11月13日发表于《自然》的两篇论文中，研究人员揭示了导致人类免疫系统排斥移植器官的主要原因。他们表示，这些发现将有助于改善活人接受他人或动物器官移植的预后。
美国马里兰大学医学院的临床研究员MuhammadMohiuddin说：“在我看来，这是逆转排斥反应的第一个例证。”他于2022年主导完成了全球首例活人猪心脏移植手术。
过去3年间，有十几名活人接受了转基因猪器官移植，包括心脏、肾脏、肝脏及胸腺。但其中大多数器官最终因失去功能或不再为免疫抑制治疗提供帮助而被移除。其他接受者则在移植不久后死亡。
此次，除猪肾外，这名男性接受者还被移植了猪胸腺。这种小腺体能训练人体免疫系统将猪细胞识别为自身的一部分。论文作者、美国纽约大学朗格尼移植研究所的RobertMontgomery指出，猪胸腺可能在延长猪器官存活时间方面发挥了关键作用。他说，在以往的非人灵长类动物实验中，与胸腺一起移植的肾脏比单独移植的肾脏存活率更高。
2023年7月，Robert Montgomery在纽约准备将猪肾移植到一名脑死亡男子体内。图片来源：Shelby Lum
美国约翰斯·霍普金斯大学和芝加哥大学的科学家利用位于智利安第斯山脉高处的一台地基望远镜，观测了来自宇宙早期的偏振微波信号，首次用地基设备揭开宇宙诞生后仅几亿年时的神秘面纱。这是天文学中一个极其关键但也最不为人知的时期，被称为“宇宙黎明”。该成果6月11日发表于《天体物理学杂志》，标志着科学家首次在地面上探测到原本被认为只能通过空间望远镜才能观测到的微弱信号。
宇宙微波非常微弱，而其偏振信号强度仅为其百万分之一。地面上的无线电干扰、大气扰动、天气变化等因素都可能掩盖或扭曲这一信号。因此长期以来，这类观测任务通常由太空中的卫星执行。然而，此次宇宙学大角度尺度探测器（CLASS）项目，使用了一种设计独特的地基望远镜，在地面上实现了这一突破性的测量。
研究人员解释说，他们这次发现的通用信号就像是一种宇宙级“眩光”，揭示了来自“宇宙黎明”时期的光是如何被散射的。他们将CLASS的数据与卫星历史数据进行了对比分析，从而识别出干扰源，缩小了“宇宙黎明”时期的共同信号范围。
这项研究不仅帮助科学家更精确地定义宇宙微波背景辐射中的再电离信号，还为描绘早期宇宙提供了更加清晰的画面。
由多个国家科研机构联合组成的项目组，在6月6日正式发布了迄今最大的宇宙图谱及相关全部观测数据。该图谱名为“COSMOS-Web”，基于詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）收集的数据构建，涵盖逾78万个星系，时间跨度达135亿年，占据整个宇宙历史的98%。这些数据正在挑战人们对宇宙早期的认知。
COSMOS-Web图谱回溯至大爆炸后约3亿年，彼时宇宙刚刚点亮第一批恒星。JWST所拍摄到的远古星系数量，远远超出预期。人们原以为在宇宙诞生后的5亿年内，星系应该极为稀少，但JWST在这一时期发现了比哈勃预测多出10倍的星系。更令人惊讶的是，团队还发现了一些超大质量黑洞，而这些天体在哈勃时代是根本无法探测到的。
这些发现挑战了目前的宇宙演化模型。此前认为，形成一个拥有10亿个太阳质量的星系至少需要几亿年，但新数据表明，宇宙似乎在短短几亿年内就形成了大量恒星和复杂结构。目前仍有大量细节有待研究分析。
COSMOS-Web 交互式目录中部分天空的屏幕截图。图片来源：COSMOS-Web
《自然》和《自然·方法学》4月9日发表的一组论文显示，科研人员绘制出迄今最大、最详细的哺乳动物大脑连接图谱。
这一成果来自由150余名神经科学家参与的“大脑皮层网络机器智能”（MICrONS）项目。这张高分辨率三维脑图包含超过20万个脑细胞，其中约8.2万个是神经元。它还包含超过5亿个神经元连接点（称为突触）和超过4公里长的神经元连接。
大脑是由包括神经元在内的细胞构成的细胞网络，神经元受到刺激后被激活，并通过突触连接。为了深入了解哺乳动物的大脑回路，研究人员首先记录了小鼠在连续两小时观看各种视频时视觉皮层中约7.6万个神经元的放电情况，然后将1立方毫米小鼠脑组织切成数千个组织切片后对每张切片进行成像，并将图像组合成一张三维脑图。最后，他们利用人工智能和机器学习算法对神经元及其分支投射和突触进行标注。研究团队还将三维脑图中的神经元与他们记录的神经元放电情况进行匹配。《自然》网站当天刊文指出，这一里程碑式的成果还首次在神经科学领域展现了单个神经元的大规模活动。
通过分析1立方毫米的小鼠脑组织重建的1000多个脑细胞的渲染图。图片来源：艾伦脑科学研究所
谷歌旗下“深层思维”公司7月21日宣布，其搭载了“深度思考”能力的高级版“双子座（Gemini）”人工智能模型测试得分达到国际数学奥林匹克竞赛（IMO）金牌水平，该成绩已获官方认证。
“深层思维”公司在官网发布公报说，高级版“双子座”模型的“深度思考”模式成功解答了2025年国际数学奥林匹克竞赛6道题目中的5道，共获35分，达到金牌水平。相关解题方案已在网上公布。
国际数学奥林匹克竞赛自1959年起每年举办一届，参赛选手需在两天（每天各4.5小时）内解答涉及代数、组合数学、几何和数论四大领域的6道极具难度的题目。近年来，该竞赛成为检验人工智能模型解决高级数学问题能力和推理能力的热门挑战。
Gemini模型实现了端到端的自然语言操作，能够直接从官方问题描述中生成严谨的数学证明。图片来源：“深层思维”
