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2014 — 顛覆你想像的科學年

太空篇

歐洲太空船將登陸彗星

圖1:羅賽塔的登陸器菲萊將於11月登陸楚留莫夫-格拉希門克彗星。

羅賽塔的登陸器菲萊將於11月登陸楚留莫夫-格拉希門克彗星。

歐洲太空總署(ESA)的彗星追蹤器羅賽塔(Rosetta)將主導這一年的太空探索任務。羅賽塔任務的計畫科學家麥特‧泰勒(Matt Taylor)說:「羅賽塔任務會在彗星旁邊花上一年多的時間,近距離觀察彗星沿著軌道接近太陽時,逐漸變得活躍的過程。」

這是歐洲太空總署啟動的太空任務中最危險的一個,而且從計畫之初就遇到不少困難。羅賽塔原本預定在2003年1月乘亞利安五號火箭(Ariane 5)發射升空,但在發射前一個月,另一個同款的火箭在起飛時爆炸。歐洲太空總署不想讓耗資數十億歐元的羅賽塔任務面臨同樣的危險,決定先調查爆炸的問題,把羅賽塔計畫延後了。這讓羅賽塔任務錯失了原本預定的接近目標沃塔南彗星(Wirtanen),天文學家只好挑第二顆彗星拜訪。

2004年3月, 羅賽塔出發前往楚留莫夫-格拉希門克彗星(Churyumov-Gerasimenko)。最近三年羅賽塔在休眠,只用幾乎最少的電力來維持它的活動。2014年1月20日,這艘太空船自己甦醒,成功用天線和地球恢復連線。

重新建立聯繫後,主要的科學任務就開始了。羅賽塔會在5月接近彗星,以步行速度繞著彗星冰核運行測繪,調查它的目標。接下來它會找出登陸位置,在11月放出登陸器菲萊(Philae)。著陸之後,菲萊會將自己固定在彗星上。「一旦安全地叉在彗星上,菲萊做的分析就有可能解開長達四十六億年歷史的謎題,了解太陽系誕生初期如何出現水與有機物質。」英國開放大學的行星科學家娜塔莉‧史塔基(Natalie Starkey)表示。

這批資料將幫助科學家判定地球上海洋的水是否來自彗星,也能讓我們知道古早地球可能得到什麼組成生命的基礎材料。泰勒說:「它將首度記錄彗星怎麼從相當沉寂的結冰土球,演變成極度活躍的彗星。」

NASA將最後一次造訪「未開發的月球」

NASA的LADEE探測器將調查月球的稀薄大氣。

月球無疑是2014年的重點。美國NASA的「月球大氣與粉塵環境探測器」(LADEE)目前就在軌道上,將在2014年完成任務。

LADEE正在研究月球周圍的稀薄大氣與粉塵環境。NASA阿波羅任務的太空人曾回報在月球上接近日出與日落時看見無法解釋的輝光與光線。然而,NASA艾姆斯研究中心(Ames Research Center)的主任彼特‧沃登(Pete Worden)在去年10月20日對今日宇宙網站(Universe Today)所說的話,讓這項調查研究更加引人注目了。他說道:「在月球被許多人類活動改變之前,這或許是我們最後的好機會能研究未經開發的月球。」

這簡直是一語驚醒夢中人,反映出有越來越多私人組織的計畫打算發射漫遊車登陸月球,其中包括了Google登月競賽(Lunar X-Prize)的角逐者。團隊若能登陸月球、行進五百公尺,並傳送兩筆「月球資訊」回地球,就能贏得這項比賽的四千萬美元獎金。任務完成期限是2015年12月31日。

不過,LADEE不只是另一個科學情蒐任務,它也是在測試標準太空船的設計,幫助NASA大幅降低小型科學任務的成本。

太陽帆太空船將近身掠過太陽

NASA的Sunjammer是星際航行技術的測試平台。

NASA的Sunjammer是星際航行技術的測試平台。

這些太空船沒有引擎、不需要燃料,還幾乎可以航行到太陽系的任何地方。太陽帆是利用太陽光的光壓來推進太空船穿越太空。

NASA打算展現目前所製造最大的太陽帆,名為「Sunjammer」。日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)2010年的IKAROS任務, 就讓14米× 14米的太陽帆航行到金星。

如今,美國人想要做出更大、更優良的光帆。Sunjammer在太空中展開的大小是38米×38米,從地球發射升空時會收進洗碗機般大小的太空船裡。它是設計來驗證太陽帆能操控到什麼樣的程度,將表現傳統太空船無法做的動作,例如在太空中「原地盤旋」。

Sunjammer這名字是出自科幻作家亞瑟‧克拉克(Arthur C. Clarke)1964年寫的同名故事,他在故事中首創「太陽航行」(solarsailing)一詞。英國史翠斯克萊大學的柯林‧麥金斯(Colin McInnes)說:「Sunjammer將是第一具真正可運作的太陽帆,證明這項令人振奮的技術能夠應用備受矚目的太空天氣,讓全新種類的航行軌道成為可能。」

Sunjammer將攜帶一對儀器來監控太陽,警告我們有太陽閃焰,這種太空天氣現象會干擾地球上的通訊。由於它是靠恆星發出的光來航行,因而能比傳統太空船更接近太陽。這次首航會飛離地球三百萬公里,提供的警告應變時間會是NASA目前監視太陽的先進組成探險家號(Advanced Composition Explorer)的兩倍。到最後,由太陽帆組成的船隊就能隨時從各個角度監視太陽了。

作者:史都華‧克拉克(StuartClark),天文學家、記者與作家。
譯者:林東翰,繁體中文版《劍橋插圖天文史》整稿、審訂,專事科普編譯工作。

生物篇

病人將首度接受幹細胞器官移植

實驗室可能很快就能培養每個人自己的替換器官。

實驗室可能很快就能培養每個人自己的替換器官。

今年8月底,病人將首度接受幹細胞器官移植的臨床試驗,這項試驗是由英國醫學研究委員會(Medical Research Council)資助。試驗中的病人喉頭受損,呼吸、說話和吞嚥都有困難;病人動手術時若需要呼吸器輔助,就可能出現這種副作用。馬丁‧ 柏查爾(Martin Birchall)和同事已經利用病人自己的幹細胞拯救了兩名情況嚴重的患者,不過現在他們希望這項技術能成為常態治療。

要培養出移植用的組織,必須先從病人的臀部取得幹細胞,接著送到實驗室培養增殖,再使用化學訊號讓這些細胞轉化為軟骨組織,最後才移植到一般器官捐贈者提供的骨架上(骨架上頭的捐贈者細胞已經先清除掉了)。

這個研究團隊收藏了許多捐贈器官的骨架。柏查爾解釋:「我們有很多捐贈的器官,可以挑出大小適合病人的器官解凍使用。」用病人的幹細胞培養出移植器官後,外科醫生會將它切割成符合病人喉頭的形狀,再移植上去。這些實驗室培養的移植器官來自病人自己的細胞,所以沒有一般外來捐贈器官被免疫系統排斥的風險。

柏查爾說:「這將是首度在控制完善的適當環境下,試驗幹細胞移植的技術。」如果試驗成功,他希望這項技術能運用在其他類型的器官移植。

作物將從空氣中吸收肥料

2014年,研究人員將開始改造作物的基因,企圖讓它們能直接從空氣中捕捉氮,而非從土裡的肥料中獲得。大部分植物是從土壤裡取得氮,這些氮通常來自分解的有機物質或人工合成肥料。多虧這些無機氮肥,我們才能種植足夠養活全球人口的作物,不過生產氮肥得消耗大量能量,使用化石燃料,還會釋放溫室氣體。

現在由微軟公司的比爾‧ 蓋茲資助的計畫正在做實驗,研究能從空氣取得氮並傳遞給某些豆科植物的特殊細菌。「豆科植物能夠運用位在根部的這類細菌:細菌會把氮轉換成生物能夠使用的形式給植物。」參與這項研究的英國約翰英納斯研究中心(John Innes Centre)植物學家吉爾斯‧ 歐德洛伊(Giles Oldroyd)表示,「如果我們能將這種能力轉移給穀類植物,就能讓農業斷除對無機氮肥的依賴。」

2014年歐德洛伊和同事將把外來基因加入玉米內,讓它們和從空氣中吸收氮的細菌成為夥伴。

從頭打造酵母菌的基因體

2014年,國際團隊將首度建構完成酵母菌人工染色體;全球科學家打算聯手從頭建構酵母菌細胞運作所需的基因體,而這是計畫的其中一部分。這個富有野心的計畫在十年前啟動,希望了解細胞需要哪些基因才能存活。

傳統上,科學家是將基因逐一剔除並觀察後續結果,不過這個酵母菌研究團隊採用相反的策略。他們是將DNA片段一個個加進來,組合成基因體,看看這樣是否能維持生命。這個計畫想要了解,基因內含的「間隔」有多重要。動物、植物和酵母菌是由「真核」細胞所構成,這些細胞的基因序列中間都穿插了沒有蛋白質編碼的DNA片段,細菌的基因體則沒有這些間隔。「所有真核生物的基因體都有這種間隔,不過酵母菌的間隔比較少,而且科學家認為它們並不重要。」英國倫敦帝國學院的科學家湯姆‧艾里斯(Tom Ellis)表示,「所以我們就擺脫它們,看看細胞能否存活。」

用植物來生產流感疫苗

將病毒注入植物,就能讓植物製造出疫苗所需的蛋白質。

將病毒注入植物,就能讓植物製造出疫苗所需的蛋白質。

有別於刺激哺乳動物細胞或利用雞蛋來製造疫苗化學物質,我們也許很快就能從植物體內取得疫苗物質。每年主要的季節性流感病毒株都不一樣,我們每年都得和時間賽跑,開發並製造足夠的新疫苗。

利用植物生產疫苗化合物可能更便宜、更快, 也較不易遭到汙染。英國約翰英納斯研究中心的喬治‧羅蒙諾索夫(George Lomonossoff)與研究團隊研發出用植物製造疫苗的方法。他們已經用這種方法製造出藍舌病病毒的疫苗,這種病毒會感染牧場動物。2014年他們將進一步發展人類疾病(例如流感)的疫苗。
羅蒙諾索夫表示:「用雞蛋製造疫苗最快也只能做到『即時』。」加拿大的Medicago公司已經運用羅蒙諾索夫的技術來生產流感疫苗。目前證實利用這種植物系統可在一個月內生產出一千萬劑流感疫苗,實驗疫苗也已開始在人類身上進行試驗。

作者:潘妮‧沙契(Penny Sarchet),植物遺傳學博士,也是獲獎的科學記者。
譯者:林雅玲,於中央研究院國際研究生學程取得博士學位,主修生物科技學,長期從事科普翻譯。

科技篇

「4D」列印的材料將能適應環境

「家家都有3D印表機」的夢想或許還有一段路要走,但製造業顯然正全速前進:歐洲太空總署列印了能耐受攝氏一千度高溫的金屬部件,通用電氣公司(General Electric)也準備大量列印噴射引擎的關鍵部件。3D列印的進展相當迅速,但我們怎麼能滿足於3D呢?美國麻省理工學院的自組裝實驗室(Self-Assembly Lab)和Stratasys 3D列印公司合作,已經開發出更神奇的「4D列印」。

該研究團隊使用Stratasys公司的Connex 3D印表機,製作出列印後能改變形狀的物體。他們將構成物體的粒子設定成不同的材料性質,透過水或熱等外在刺激來啟動自組裝程序,讓物體自己摺疊成別的形狀。

這項技術目前功能還相當簡單,只能使薄片自己摺疊成立方體,或使列印出來的管子自己摺疊成立體框架。但該團隊希望能推廣到實際用途,例如能夠膨脹、收縮,甚至交替起伏推動水流的水管。麻省理工學院的史凱勒‧提比茲(Skylar Tibbits)表示:「只要設計好再列印出來,它就會自己變化,就像材料本身有智慧一樣。」

不只麻省理工學院正在研究這項技術。美國陸軍研究中心(Army Research Office)提供85.5萬美元,請三位科學家開發4D材料。美國伊利諾大學的雷夫‧努佐(Ralph Nuzzo)預言未來將可創造出「隨光線變換色彩、依溫度改變通透性,甚至在承受外力時自動變硬的布料。」現在距離這個階段還相當早,但4D列印無疑將在2014年的科學界扮演極為重要的角色。

雷射武器將上陣

今年美國海軍龐賽號即將安裝類似這套測試產品的雷射武器系統。

今年美國海軍龐賽號即將安裝類似這套測試產品的雷射武器系統。

雷射武器聽起來很科幻,但現實生活中的軍艦即將配備這種武器。美國海軍研究中心日前宣布將於2014年在美國海軍龐賽號(USS Ponce)上測試部署固態雷射武器。這項技術先前已在展示中成功摧毀小船和遙控飛機等移動目標。

這款雷射武器可以調整攻擊力,輕則奪走行動能力,重則完全摧毀。它能輔助而非取代飛彈:它的發射功率大約是十萬瓦,戰術距離不足以與巡弋飛彈交戰,但可對抗目前的艦艇防禦武器。雷射裝置不需要推進燃料或炸藥,而是以電力驅動,因此比較安全,成本也比一般武器低廉。根據美國海軍研究中心估計,發射一次定向能量的成本不到一美元,一枚飛彈則高達數十萬美元。

「未來已經到來。」這項固態雷射技術發展計畫的主任彼得‧莫瑞森(Peter A. Morrison)表示,「固態雷射邁出了一大步,接下來定向能量將徹底改革現代戰爭,就像火藥在刀劍時代徹底改革戰爭一樣。」我們可不想帶著傳統槍枝去打雷射戰爭。

萬物都是觸控螢幕

富士通(Fujitsu)的新技術運用相機和投影機,使任何物品都能變成觸控螢幕。想像一下,只要在攤開的地圖上方滑動手指,就可看見數位游標在地圖上移動,接著在某個國家上點一下,桌面上就會出現影片供你觀賞。

富士通這項技術用桌面支架托住相機,讓它朝下拍攝桌上的物品,製作桌面高度坐標圖。接下來,影像處理軟體可比對你的手指動作和坐標,據此改變投下的桌面影像。富士通正忙著測試這套系統,目標是於2014年推出商業產品。

作者:大衛‧巴揚(David Bayon),科技類作家,曾任英國《PC Pro》雜誌編輯。
譯者:甘錫安,專職譯者,長期翻譯科學類雜誌及書籍。

物理篇

普朗克衛星將揭開早期宇宙的奧祕

普朗克望遠鏡於2013年完成任務,但它資料蘊含的科學驚奇才正要揭曉。

普朗克望遠鏡於2013年完成任務,但它資料蘊含的科學驚奇才正要揭曉。

普朗克衛星現在已經停止運作,在太空中漂流,但它蒐集的資料將延續下去。2014年中,歐洲太空總署將釋出下一批資料,讓我們進一步了解宇宙的大尺度結構是如何誕生的。

普朗克衛星已於2013年底完成任務,描繪了源自大霹靂的輻射(即宇宙微波背景輻射,簡稱CMB)分布圖。這幅圖呈現了宇宙僅三十七萬歲時留下的光。現在宇宙學家正在從圖中取得更精細的訊號,這種訊號稱為「偏振」(polarization)。預計今年,這些資料將讓我們進一步了解宇宙的溫度擾動,以及這些擾動如何形成龐大的星系團。明年,宇宙學家預料將可找到B模式偏振。這種偏振可供我們檢驗一件重要的事:宇宙在大霹靂後不到一秒時,是否經歷了一段「暴脹」時期。

更仔細地研究這些資料,或許還有助於解釋重力為何和其他三種基本作用力不一致。重力一直缺乏量子層級的完善解釋,但普朗克衛星將可改變這種狀況,使我們對宇宙的理解更接近統一的「萬有理論」。瑞典北歐理論物理研究所(NORDITA)的莎賓‧赫森菲德(Sabine Hossenfelder)表示:「量子重力效應通常相當微弱,但在早期宇宙中相當強。CMB光譜的偏振圖形可能帶有宇宙早期階段的印記。普朗克衛星應該能分辨理論模型的好壞,讓我們知道宇宙是如何誕生的。」

日本將布建量子網絡

量子物理學相當奇特。它認為兩個粒子即使分別位於宇宙兩端,也可互相纏結:其中之一改變時,另一個會立刻出現對應的改變。這類「量子纏結」最明顯的用途應該是即時通訊,但它在加密領域似乎更有前景。量子可產生無法破解的金鑰,只要一遭到攔截就會被發現。日本JAXA將於今年內發射「太空光學通訊研究先進科技衛星」(SOCRATES,縮寫即蘇格拉底),朝量子纏結加密發展踏出第一步。這枚衛星將配置纏結粒子對來當成量子金鑰,可說是全球纏結網絡的先驅。

隱形斗篷使東西無形又無聲

美國杜克大學的超穎材料專家納森‧藍迪(Nathan Landy)展示以超穎材料製作的隱匿裝置。

美國杜克大學的超穎材料專家納森‧藍迪(Nathan Landy)展示以超穎材料製作的隱匿裝置。

隱匿物體的方法有兩種。第一種是在物體的一側裝置攝影機,再以螢幕覆蓋物體的另一側,把物體後方的影像顯示在螢幕上。這種方式只適用於從單一方向觀看物體。不過,某種具有特殊結構的超穎材料(metamaterial)可使光線彎曲繞過物體,使物體完全隱匿。2013年的最新實驗已能使微波繞過半徑7.5公分的圓柱體,2014年隱形技術應該會更進一步,同時擴展到隱匿聲音。這項技術可使外界聽不見隱匿目標發出的所有聲音。美國杜克大學的史蒂芬‧卡默教授(Steven Cummer)表示:「用來操縱聲波的聲學超穎材料領域發展得相當快,我想2014年應該會出現一些有趣的應用。」

核融合技術可望更上層樓

美國國家點燃設施的核心。雷射光會射擊此處的一小粒材料,引發核融合反應。

美國國家點燃設施的核心。雷射光會射擊此處的一小粒材料,引發核融合反應。

為太陽提供能量的核融合是能源生產者的夢想:不排放碳、廢料少,而且燃料幾乎用之不竭。然而,要使核融合反應爐成真十分困難。美國長期支持的核融合實驗是以高功率雷射射擊標靶:雷射光使材料瞬間汽化,加熱並壓縮材料內部,引發核融合反應。
全世界最先進的此類實驗位於美國加州的國家點燃設施(NIF)。這裡有192束雷射光共同瞄準一枚小小的標靶。2013 年,NIF製造了釋出能量大於射擊標靶能量的核融合反應,立下小小的里程碑。不過,輸入系統的能量比用於射擊標靶的能量多出許多,因此距離反應器產出可用能量的「損益兩平」目標仍然很遠。核融合在2014年無法達到損益兩平,但有希望靠α 粒子加熱取代雷射,這樣一來,核融合產生的能量就能讓反應持續進行。2013年已觀察到數回α加熱的現象,但如果2014年能加強這部分的比重,核融合能量將朝完全自給自足再邁進一步。

尋找反重力來擴展物理定律

Alpha-2實驗裝置已經安裝好,準備開始探索反物質的奧祕。

Alpha-2實驗裝置已經安裝好,準備開始探索反物質的奧祕。

由於大型強子對撞機2014年將暫停運作,歐洲核子研究組織(CERN)的反物質研究計畫第二階段「Alpha-2」將有獲得注目的機會。

為了製造反物質,CERN的質子同步加速器會把質子加速到極快,然後撞擊一塊金屬。撞擊能量會製造出成對的質子與反質子。反質子是反物質粒子,以接近光速行進時,受磁力作用而進入反質子減速器中。反質子在減速器中因行經電子雲而減慢,接著再與正電子結合形成反氫原子,也就是氫原子的反物質。
Alpha-2將以雷射測量反氫原子的光譜,並與一般氫原子的光譜比對,探討反氫原子對物理定律的反應與一般氫原子有何不同。科學家也將試著評估反氫原子對重力的反應。
反物質可能具有負重力的質量,會受到地球重力場的推斥。在這項實驗中,偵測器將觀察反原子的漂移方向是朝上或朝下。假如Alpha-2實驗發現反物質的質量重力為負,物理定律就將改寫:廣義相對論認為加速和重力兩者密不可分,倘若反物質在重力下的加速度反應與一般物質不一致,科學家就必須重新審視廣義相對論。
這項嘗試或許成功機會不大,但CERN的物理學家傑佛瑞‧杭斯特(Jeffrey Hangst)抱持樂觀態度:「我們相當期待未來的發展,正在努力讓Alpha-2實驗動起來。」

作者:布萊恩‧克雷格(Brian Clegg),科學類作家。
譯者:甘錫安,專職譯者,長期翻譯科學類雜誌及書籍。

本文選自《BBC知識國際中文版》第30期(2014年2月號)。版權所有,轉載請註明出處。

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