創新與突破

07-01

2016年10月15日，「獵犬」超音速車(BloodhoundSSC)將衝擊陸地速度紀錄。

歐洲大型強子對撞機是現在世界上最大、能量最高的粒子加速器。

Hyperloop主體為「膠囊」式的客艙。這個「膠囊」被放置於幾乎沒有摩擦力的低壓管道中，在磁體推動下像炮彈一樣被發射至目的地。

科技

2015年，太空探測器首次近距離拍攝冥王星，火星上發現流動水的證據，科學家們發現了進化史中一個新的人類物種。在2016年又將有哪些新的科學突破呢？大型強子對撞機能夠發現新的粒子嗎？朱諾探測器在木星上會有什麼新發現？保持了十多年之久的陸地速度記錄能夠被再次打破嗎？磁動力新概念交通工具Hyperloop能否通過可行性實驗？基因剪輯技術能否被用於胚胎改造？這些問題的答案雖然並不確定，但可以肯定的是，隨著層出不窮的新概念和技術，人類探索世界、相互溝通、治療疾病的方式都在發生改變，2016年也不例外。

01航天

探測星球內部

去年7月，當美國宇航局（NASA）的新視野探測器飛抵冥王星，人類終於完成對太陽系的勘察。我們已經向全部8大行星（加冥王星）派遣了探測器，人類的探測器還成功登陸太陽系所有重要天體———岩態行星、岩態衛星、冰衛星、小行星和彗星。星際探測已經告別簡單觀望，進入深層了解的時代。

下一代星際探索任務將不再停留於表面。計劃於今年3月發射的美國宇航局InSight（洞悉）探測器將在火星建立一個地震監測站；它將檢測火星地震，用收集的數據對這顆行星的內部進行測繪。另一個歐洲和俄羅斯聯合探測器ExoMars2016幾乎將同時發射。它將用一個化學嗅探器檢測火星微生物釋放的甲烷。9月，OSIRIS-REX將奔赴小行星貝努（Bennu）採集樣本送回地球分析。科學家猜測地球生命可能由這類富含碳元素的小行星播種。

同樣值得關注的是InSight探測器將攜帶兩個微型衛星（又稱CubeSat或立方體衛星）。它們將進入軌道，構造一個專用火星通信網路。由學生建造的立方體衛星已經被廣泛部署於地球軌道中；如果Insight成功，DIY衛星將傳播到其他的星球。

NASA的朱諾探測器將於7月抵達木星。它攜帶了一個專為學生和民間科學家服務的照相機———這將開創一整顆星球對公眾開放的先例。用NASA官員約翰·格倫斯菲爾德（JohnGrunsfeld）的話說就是：「500年後，人類回顧歷史會將現在視為太空探索的黃金時代。」

朱諾抵達木星

美國宇航局探測器飛抵冥王星是2015年最重大的科技新聞之一。在今年的日曆上將不會有如此突出的事件，但依然有很多太空探索項目值得關注。2016年7月4日，美國宇航局的朱諾探測器將抵達木星，開始太陽系最大行星的第二次探測（1995年至2003年，伽利略探測器曾對這顆星球進行探測。）

抵達木星後，朱諾將以（相對於地球）每小時26.5萬公里的速度前進，創造人造物體的速度紀錄。

木星之類的大型行星對於行星系統的形成發揮了重要作用：它們誕生的時間相對較早，幫助決定了周圍其他天體運行的軌道。朱諾的任務是研究木星的核心、尋找水存在跡象、繪製這顆行星的雲圖。

然而這顆2012年發射的探測器將無法觸及木星星系的「明珠」木衛二。這顆主要由冰構成的衛星是尋找地外生命的主要目標，對它進行詳細探索的任務要交給計劃於2020年發射的另外一個美國探測器。

探索火星

2015年，美國宇航局在火星上發現了流動水的證據。這些水從何而來，到底有多少將是2016年需要解決的問題。火星甲烷之謎同樣令科學家困惑。「好奇」號漫遊車在靠近火星表面的地方檢測到高水平的甲烷，但這些氣體到底是岩石裂縫釋放的還是源於居住於火星地下的微生物？

與此同時，歐洲的火星探測計劃也將正式啟動。2016年，歐洲將啟動火星探測計劃ExoMars的首次行動。3月，一個軌道探測器和一個技術演示器將從哈薩克拜科努爾航天中心搭乘俄羅斯質子火箭升空。

這個探測器計劃於10月抵達火星軌道。它將搜尋甲烷和其他大氣氣體存在的證據，與此同時，著陸車夏帕瑞麗（Schiaparelli）將嘗試著陸於火星表面。這個著陸車主要目的是證明技術可行性，為未來的登陸車和漫遊車登陸火星做準備，因此它只攜帶了非常少的科研負載，甚至沒有配備攝像機。

02物理

LHC可能發現新粒子

2016年大型強子對撞機（LHC）能夠發現新的粒子嗎？全球粒子物理學家們對這個問題似乎非常樂觀。去年12月，來自世界各地的物理學家們聚集日內瓦歐洲核子研究中心（Cern），宣布自2015年大型強子對撞機重啟後取得的首批重要成果。兩支發現希格斯玻色子的團隊成員報告發現一種新基本粒子的蹤跡。

大型強子對撞機讓質子加速對撞，讓物理學家在撞擊產生的「垃圾」中搜尋之前未被發現的基本粒子。研究者發現撞擊後形成大量的質子對，這說明可能存在一種新的宇宙基本粒子，它的質量是最重的已知粒子的4倍。Atlas和CMS實驗發現信號的統計顯著性分別為3.6和2.6西格瑪，這意味著結論並不確定（至少需要5西格瑪才能宣稱成功發現新粒子存在的證據）。雖然尚不能定論，理論學家們已經抑制不住興奮，紛紛發表論文，解讀這一發現的意義。如果最終證明這種新粒子並非海市蜃樓，它可能成為尚未被證實的超對稱理論的證據之一。根據這一理論，所有已經發現的基本粒子都有一個所謂的「超級伴侶」。這將給建立在標準模型框架上的現有基本粒子家族增加更多新成員。另一方面，新發現的粒子可能是一種超出所有物理學家預期的截然不同的「物種」。大型強子對撞機目前的工作負荷已達到早期階段的2倍，如果沒有意外，今年之內我們將能得到最終答案。

捕捉引力波

物理學們花費了幾十年時間試圖證明愛因斯坦預言的「大型物體加速將導致時空扭曲」的理論。根據推測，黑洞的合併和大型恆星在生命終結時的爆炸都是這類時空扭曲的例子。然而即使是這類暴烈的事件由於遙遠的距離只有非常微弱的信號抵達地球。但研究人員相信他們可以通過先進的實驗設施進行檢測。

世界上最大的引力波觀測設施AdvancedLigolabs（先進激光干涉引力波天文台實驗室）於去年9月正式開始採集數據。甚至有傳聞稱引力波已經被檢測到。在官方聲明發表之前，誰也不知道結果到底如何。因為，AdvancedLigo的少數幾位重要人物可以往探測器中發射虛假信號，讓研究人員隨時保持警覺。2010年，在早期實驗階段他們就這樣干過。因此2016年可能真正見證一項穩獲諾貝爾獎的重大發現。

03通信

衛星和氣球互聯網

到2016年末，Facebook計劃發射自己的衛星。這顆AMOS-6由法國公司Eutelsat建造並發射，將讓撒哈拉沙漠以南地區的人們也連接上互聯網。目前在這個地區，上網是僅2%的人能夠享受的奢侈服務。同樣是在今年，Google將開始在印度尼西亞測試氣球驅動的互聯網。這個東南亞島國由1.7萬多個島嶼構成，給基礎設施的建設帶來了巨大的障礙。

「容易觸及的人口大多已經實現上網，」研究互聯網對貧困國家影響的布魯金斯學會高級研究員喬舒亞·梅爾策（JoshuaMeltzer）說。在有手機信號塔和穩定網路設施的地區，智能手機和網吧迅速普及。「然而全球依然有40億人不能連接互聯網，」梅爾策說，「他們大多位於發展中國家。」

上網的好處不僅在於張貼可愛的貓咪照片。個人可在沒有銀行的情況下轉移資金，邊遠地區的公司也能參與全球經濟。因此，美國國務院的「全球連接」（GlobalConnect）倡議於2015年啟動，希望通過外交壓力實現2020年前讓15億人口連接互聯網的目標。正如Facebook創始人馬克·扎克伯格2015年秋在聯合國發表演說時所說，「互聯網連接應被視為重要的人權推動工具。」

04生物

污染也遺傳

大多數人都知道生活環境會對人的健康造成影響。如果飲用水含有重金屬可能導致人們生病。研究發現，這些影響甚至可能持續好幾代。

個人的基因組控制了發育、功能和生育。換句話說，幾乎掌控一切。但基因組並非不受約束。它受制於表觀基因組（epigenome）。這種化合物決定了基因表達的時間和方式。2014年，不列顛哥倫比亞大學的科學家報告說，在封閉環境中接觸柴油煙霧2小時就會改變表觀基因組，影響約400個基因。去年，北美和歐洲研究者發表了大量論文說明類似改變能夠遺傳給下一代。

去年2月，人類表觀基因組測繪完成，加上一系列新發現和2.4億美元的資金支持，科學家們爭相投入這個領域的研究，試圖揭示表觀基因變化對於癌症、肥胖、糖尿病和其他疾病的影響。

基因剪輯改造世界

CRISPR就像是DNA的剪刀。被稱作CRISPR的基因剪輯技術擁有掀起醫學革命的潛力，它可能為世界帶來設計寶寶，甚至可能終結全球飢餓。CRISPR讓科學家能夠以空前的準確度對基因進行剪切和複製。研發這一技術的科學家被認為是爭奪2016年諾貝爾獎的熱門人選。

在CRISPR推出的3年里，它被全球成千上萬的科學家採用。他們已經用這一技術創造出肌肉超群的獵犬和能夠生長人類器官的豬。過去需要多年才能實現的創新現在只需要幾個月。「這一技術效率驚人，」研究通過基因剪輯減少谷蛋白過敏的遺傳工程學家丹·沃伊塔斯（DanVoytas）說，「只需要短短一年時間我們就能將一個概念變成貨真價實的植物。」因此，基於CRISPR的新公司成為風險本的新寵。CRISPR相關專利的申請從2013年的43項增加至去年的292項。雖然首批產品（比如沒有角的奶牛和低過敏花生）真正投放市場還需要幾年時間，2016年將成為基因剪輯改變改造生命的開始。

1月，英國官員將考慮是否批准英國科學家將CRISPR技術用於胚胎的申請。倫敦法蘭西斯克利克研究所的凱西·尼亞康（KathyNiakan）帶領的團隊計劃通過基因剪輯技術操控胚胎基因，研究胚胎髮育。2015年4月，中國科學家用CRISPR技術修改異常人類胚胎，嘗試用這種方式糾正導致罕見血液遺傳病地中海貧血症的錯誤基因。今年，基因剪輯技術的突破應用可能引起倫理爭論：我們是否應該修改人類的基因，如果可以那麼界限又該如何劃定？為了避免疾病修改基因無可厚非，那麼如果是為了獲得某種外貌特徵、超能力、超智商而篡改基因呢？

05人工智慧

看世界的新方式

在帶領團隊設計火星漫遊者自動化系統之後，詹姆斯·克勞福德（JamesCrawford）創建了自己的新公司OrbitalInsight，將人工智慧和數據分析技術應用於衛星圖像。

請聽克勞福德自己的解釋：多數人都知道，人類無法發現真正細微的東西。因此我們發明了顯微鏡。在另一方面，人類也無法看清真正巨大的東西。比如，如果想要看到整個地球，人類必須從太空中觀看，但這個距離將導致很多細節被忽略。肉眼所見的每個像素相當於1萬平方英里。使用人工智慧的雲計算我們可同時看清整個地球和它的細節。我們可以同時看清數百萬張衛星圖片。這就是與顯微鏡相對的顯宏鏡。

我們的機器視覺演算法讓計算機能夠識別汽車、房屋等物體。在掌握數據後，我們嘗試分析它的含義，比如它是否預示了糧食作物的產量，或者有多少石油將進入市場。接下來的問題是，這些信息將幫助我們實現哪些從前不可能的事情？

比如我們正在和世界資源研究所合作一個項目。WRI用衛星圖像發現森林砍伐現象。但我們真正想要了解的是哪片森林將要被砍伐，從而能夠及時阻止。我們將監測新修建的道路、林木稀疏的徵兆以及其他大型砍伐活動前的準備工作。政府也可以得益於我們的技術。比如，有證據顯示，「阿拉伯之春」的導火線是中東地區小麥價格的翻倍，而這又是因為烏克蘭和其他產量地區乾旱所致。想像一下，如果我們能夠實時追蹤糧食安全會創造多麼大的價值。顯微鏡帶來了生物學革命和我們對世界新認識。我們相信，顯宏鏡也將掀起一場技術革命。

06工程

「獵犬」衝擊速度紀錄

2016年10月15日，「獵犬」超音速車（BloodhoundSSC）將衝擊陸地速度紀錄。1997年的10月15日，英國製造的「推進」超音速車（ThrustSSC）在美國內華達州黑石沙漠上創造了763英里/小時的陸地速度紀錄，這個紀錄一直保持了19年。今年，「獵犬」將嘗試突破每小時800英里的速度。

「獵犬」超音速車主體已經建造完成，將被送到南非北開普省的一個乾涸湖床接受測試。除了歐洲戰鬥機引擎之外，「獵犬」還將同時採用火箭推進系統。目前這套由挪威納莫公司設計的系統還在建造中。所有發動機均經過檢測，只剩下「獵犬」團隊自己設計的為混合動力火箭提供氧化劑的泵系統需要經過最後的測試。如果一切進展順利，「獵犬」將在10月15日前幾周抵達Hakskeen湖床開始低速測試。如果此次衝擊紀錄成功。團隊將對「獵犬」的尾部和火箭的一個推進器進行重新設計。計劃於2017年再次突破1000英里/小時大關。

Hyperloop可行性實驗

今年，兩個工程項目可能成為新聞頭條。2013年，航天公司SpaceX的創始人伊隆·馬斯克（ElonMusk）正式發布高速公共交通系統Hyperloop的構想。這種概念性交通工具並不是火車，而是一個「膠囊」（Capsule）。這個「膠囊」被放置於幾乎沒有摩擦力的低壓管道中，在系列磁體的推動下像炮彈一樣被發射至目的地，據估計它可將從洛杉磯到舊金山的行程縮短至半小時以內。

這個聽上去非常科幻的構想可能很快成為現實。2016年夏，馬斯克啟動大獎賽，檢驗由工程師和學生們提交的眾多「膠囊」設計方案。測試將在SpaceX加州總部附近修建的兩公里長的賽道上進行。如果Hyperloop的構想被證明可行，它可能開啟陸地交通的新時代。

07地質

人類世來臨

「人類世」（anthropocene）是2000年創造的一個用於形容當前時代的新詞。工業革命以來，人類活動極大地改變了很多重要地質狀況。這個詞可能早就滲透流行文化，但作為一個科學辭彙尚未得到承認。對地質學家而言，我們依然生活在全新世，這個時代大約始於11700年前，緊接著最後一個冰河時代。

2016年，英國萊斯特大學教授楊·札拉希維茨（JanZalasiewicz）將向國際地層學委員會提交證據，建議正式承認「人類世」的定義。如果得到批准，它可能最終加入全新世和更新世成為一個新的地質年代。然而界定地質年代是一項龐大而複雜的工作，首先，這個年代的劃定具體從何時開始就是一個會引發激烈爭論的問題。

原載：http://www.popsci.com/tags/big-ideas-2016

http://www.bbc.com/news/science-environment-35158891；

編譯：宇