最有野心的科學實驗

為了加深人們對複雜而廣袤無垠的宇宙的理解，科學家們正在製造越來越龐大的科研工具，開展越來越有野心的科學實驗。然而，要做到這些並非易事，因為這些科學實驗和工具動輒耗資數億美元，而且需要來自不同國家、不同專業的科研人員群策群力才能完成。但是，所有這些實驗給我們帶來了令人驚喜的結果，讓我們覺得一切都是值得的。美國《大眾科學》網站近日為我們列舉出了有史以來最有野心的10大科學實驗：從全球最大的海底天文台到徹底窺探我們所在星球的「終極顯微鏡」，再到探測險象環生的木星世界等，所有這些實驗的終極目的只有一個，那就是讓人類更好地了解宇宙並最終了解自身。要想從浩如煙海的科學實驗中揀出10個最有野心的科學實驗並不容易。《大眾科學》網站結合了一些客觀因素和主觀因素來對其進行排名。客觀因素包括實驗設備的預算、建造成本、參與人數等；主觀因素指的是該實驗的相對重要性，主要包括其科學效用、對普羅大眾的效用以及其他一些讓人拍案叫絕的因素。1.地球透鏡計劃——深入地球內心的望遠鏡

 地球透鏡計劃美國醞釀15年的「地球透鏡計劃」（EarthScope）是一個正在申請並已部分實施的計劃，其以發展地震科學、促進地震科學在減輕地震災害中的應用為目標。旨在追蹤北美地質進化歷史的「地球透鏡計劃」是全球最大的科學實驗。這個地球科學天文台記錄了973萬平方公里範圍內的數據。從2003年開始，該計劃擁有的4000多個實驗設備已經收集了676TB（太拉位元組或百萬兆位元組）的數據，相當於美國國會圖書館數據的四分之一，而且，每6周到8周，它就會多增加1TB位元組的數據。科研效用地球透鏡計劃的具體目標是揭示北美大陸地區構造、演化和動力學過程；探測活斷層系統行為；研究地震成核和破裂過程；推進對自然災害的認識；探索火山機制以及導致火山爆發的岩漿進程；了解地幔結構與動力學、地殼構造學之間，構造地質學與地殼中流體之間的關係；通過地球交叉科學廣泛而綜合的研究來推進整個地學系統的研究。目前，有1100個永久性的全球定位系統（GPS）元件遍及北美和波多黎哥大陸，用於追蹤由於地殼構造變化導致的陸地表面的變形。位於加州活躍的聖安德烈亞斯斷層附近的地震感測器會記錄該斷層最輕微的滑動；一小隊科學家計劃在未來十年內，使用反鏟挖土機讓一個由400台地震儀組成的可移動陣列走遍全美各地，明年它將到達美國東海岸，屆時，科學家們就將收集到2000個位置的數據。它能為你做什麼？EarthScope獲取的數據可能有助於科學家解釋諸如地震和火山爆發等地質事件背後的力量，以更好地探測這些現象。到目前為止，從這個科研項目收集到的數據表明，美國聖安德烈亞斯斷層的岩石比其外面的岩石更脆弱；而且，黃石超級火山下的岩漿蒸汽比以前認為的更大。2.大型強子對撞機（LHC）——旨在尋找「上帝粒子」

 大型強子對撞機大型強子對撞機（LHC）位於瑞士日內瓦近郊歐洲核子研究中心（CERN）內，埋藏於瑞士和法國交界處的50米至150米的地下深處，它是世界上最大的粒子對撞機。LHC每小時需要消耗7000億瓦特的能量；每年耗資10億美元。來自於全球60個國家的超過1萬名研究人員、工程師正在為LHC的六個項目而孜孜不倦地工作著，這些科研項目旨在解開宇宙基礎物理學的謎團。科研效用暗物質究竟是什麼？空間中還存在著額外的維度嗎？被稱為「上帝粒子」的希格斯玻色子確實存在嗎？粒子是否有相對應的超對稱（SUSY）粒子存在？宇宙究竟如何形成的？當重子的質量被更精確地測量時，標準模型是否仍然成立？LHC的六個粒子探測器能夠記錄並可視化上述問題的亞原子粒子的路徑、能量和特徵，有望給出答案。LHC有兩項大規模實驗。超環面儀器「阿特拉斯（ATLAS，希臘神話中的擎天神）」實驗的探測器正在搜尋明顯存在著動量不平衡的撞擊事件，這預示著宇宙中存在著被認為組成暗物質的超對稱性。緊湊型μ子螺旋型磁譜儀（CMS）實驗與ATLAS相輔相成，其主要目的是搜尋超對稱性和發現捉摸不定的「上帝粒子」希格斯玻色子的蹤跡。ATLAS和CMS均建立在多用途探測器基礎之上，用於分析加速器中撞擊過程產生的數量龐大的粒子。兩項實驗的研究規模和研究層面均達到前所未有的程度，使用兩個單獨設計的探測器是交叉確認任何新發現的關鍵所在。兩項中型實驗——大型離子對撞機實驗（ALICE）和LHC底夸克實驗（LHCb）則利用特殊的探測器來分析與特殊現象有關的撞擊。另外兩項實驗——全截面彈性散射偵測器實驗（TOTEM）和LHC前行粒子實驗（LHCf）的規模就要小得多。它們的焦點集中在「前行粒子」（質子或者重離子）身上。在粒子束髮生碰撞時，這些粒子只是擦肩而過，而不是正面相撞。它能為你做什麼？儘管LHC不斷宣稱已經發現了「上帝粒子」的蛛絲馬跡，但這個科研項目對我們庸常的日常生活幾乎沒有什麼影響，除非你的家人和朋友想在餐桌上討論宇宙的起源。3.散裂中子源——為分子拍電影的攝像機

 散裂中子源美國橡樹嶺國家實驗室擁有世界上兩個最先進的中子散射研究裝置，即散裂中子源（SNS）和高通量同位素反應堆（HFIR）。散裂中子源是目前世界上研究物質微觀結構最重要的科學設施之一。每個月，散裂中子源會從國家電網中攫取25到28兆瓦的能量，並使用約850萬加侖水來讓自身冷卻。在運行期間，SNS上的加速器發出的每束脈衝中子束流中包含有2千萬億個中子，將其發射進一個目標室內，這些密集的中子束流會打開物質，以便科學家揭示原子結構隨時間如何變化。SNS能給研究人員提供比以前更小的物理和生物材料樣品的更詳細圖像。科研效用SNS會朝一個樣本發送飛馳的中子，中子的速度為光速的97%，但是，與對撞機中的粒子不同的是，與樣本相遇時，中子並不會產生大爆炸。中子很小而且能量很少，因此，它們與物質之間的相互作用非常微弱。當中子穿過一個樣本時，樣本中的原子核會被分散。這種相互作用會改變中子的能量和方向，而且，位於該樣本幾尺遠距離處的14個裝置會記錄樣本內部發生的變化。接著，會有軟體把所有這些散射數據結合在一起，繪製出樣本的原子結構，因為SNS會以每秒60個脈衝的速度發射中子包，軟體能記錄樣本的原子結構隨時間發生的變化，就像將電影的單幀畫面組合在一起形成一個運動圖像一樣。它能為你做什麼？科學家們正在使用這些原子層面的「電影」來實時監控電池的充放電過程，以便研製出更好的電池；它也可以被用來研究蛋白質的結構。4.國際空間站——一個軌道實驗室

 國際空間站國際空間站是一項由六個太空機構聯合推進的國際合作計劃。1983年，美國總統里根首先提出國際空間站的設想，經過近十餘年的探索和多次重新設計，直到蘇聯解體、俄羅斯加盟，國際空間站才於1993年完成設計，開始實施。每年需要耗資20億美元和幾千名員工的辛勤工作才能讓國際空間站正常運轉。迄今為止，來自11個國家的201人（其中包括7名富翁）已經拜訪了國際空間站。國際空間站也接待了阿爾法磁譜儀——迄今前往國際空間站的最大最重的設備，其目的在於探測宇宙中包括暗物質和反物質在內的奇異物質。科研效用在國際空間站，來自美國國家航空航天局（NASA）的科學家、天文學家以及其他合作者一起測試了能被用於長途太空飛行的宇宙飛船的零件和支撐系統。他們也檢查了人體的身體狀況，研究失重對人體骨骼密度、紅血細胞產生情況的影響以及在長期的太空飛行中人體免疫系統發生的變化。它能為你做什麼？在國際空間站工作的科學家們發現，在太空中，沙門氏菌會變得更加致命。這個發現和找出使沙門氏菌變得更致命的基因加速了科學家們研製首個戰勝沙門氏菌以及讓成千上萬住院病人在醫院受到感染的耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）疫苗的步伐。5.先進光源機構——終極顯微鏡

 先進光源機構先進光源機構（ALS）是一台位於加州大學伯克利分校的粒子加速器。自從1993年開始，科學家們就開始借用該設備，朝蛋白質、電池電極、超導體和其他材料發送亮度為太陽表面亮度100萬倍的質子束，力求揭示這些物質的原子、分子和電子特性。科研效用ALS是軟X射線（波長較長及穿透能力差的X射線）最亮的來源之一，其波長對附有分光鏡的光譜顯微鏡（主要用於揭示寬度僅為幾納米的樣本的結構和化學組成的科學工具）來說剛剛好。2006年，進行ALS項目的科學家參與鑒定了從一顆在太陽系形成之初就已形成的彗星尾巴上的灰塵，實驗結果表明，這些源於宇宙角落的宇宙成分比我們此前認為的更早開始混合。同一年，美國斯坦福大學的生化學家羅傑·科恩伯格因為使用ALS對RNA（核糖核酸）聚合酶三維結構的研究獲得了2006年的諾貝爾化學獎。所得到的數據讓他清晰地描述了在名為轉錄的過程中，遺傳信息如何從DNA（脫氧核糖核酸）傳遞到mRNA（信使RNA），mRNA會攜帶這些信息離開細胞核，以構建蛋白質。它能為你做什麼？使用ALS研究一個同惡性黑色素瘤有關的蛋白質將有助於科學家研發出新奇的療法來對抗這種疾病。目前，這種藥物處於二期和三期臨床實驗階段。從ALS獲取的其他數據可能幫助科學家製造出大容量的鋰電池電極，以增加電池的充電容量。最後，理解石墨烯的物理和電學結構將有助於科學家研製出原子層面的晶體管和運行速度更快的計算機處理器。
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