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朱諾號沒有的法寶:放射性同位素熱電機

火星軍情局
・2016/07/04 ・1873字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 497 ・六年級

這一顆行星曾被外星太空船侵入多次,今年美國的獨立紀念日又遭到新的太空船進犯,而且這次的太空船比上一次的更大!

Credits: NASA/JPL-Caltech
Credits: NASA/JPL-Caltech

我可不是在說電影,這裡說的可憐行星是木星,而這個「外星」太空船則是來自地球的美國朱諾號(Juno)探測器。它雖然和電影《ID4》中侵略地球的外星飛碟相比微不足道,但是它有三個8.9公尺長的龐大太陽能板,一個籃球場都放不下,也的確比其他造訪過木星的太空船大得多。不是因為NASA喜歡大,這是不得已的。因為木星離太陽遠,朱諾號最多只會收到地球附近4%的陽光,因此只有增加太陽能板的面積,但是這也讓朱諾號的重量增加了340公斤。也別不滿足了,要不是近年太陽能板的光伏效率大幅精進,朱諾號一定更肥。想要用太陽能到更遠的土星?慢慢等吧。

Juno in a basketball court

說到這裡你會不會奇怪,有史以來所有造訪木星的太空船,包括短暫飛越木星的先鋒號、航海家,和繞行木星八年的伽利略號怎麼都沒有太陽能板呢?那是因為NASA有一個法寶,那些老太空船都有,只有朱諾號沒有。

這個法寶叫做「放射性同位素熱電機」(Radioisotope Thermoelectric Generator,簡稱為RTG),是一種小型的核能發電機。別被嚇到,它的「核能」不是核能發電廠那種核分裂連鎖反應,說穿了只是一坨高純度的放射性原料,在放射的過程中會生熱,因此就是一個不用插電的暖爐。如是這時候再把「熱電偶」放在冷熱的交界處,溫度差異產生的熱電效應就會產生電壓,提供穩定的電流,就好像一個源源不絕的電池。這樣的電源雖然能量轉換效率低,但是能量夠大、體積小,就是一塊東西,沒有動件,不需維修,真好。

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這些都是深入木星軌道以外的美國太空船,那裡陽光不足,因此幾乎都用RTG。朱諾號和歐洲探測彗星的「羅塞塔號」是所有到小行星帶外的太空船中唯二沒有RTG的。

可以用來做RTG的放射性同位素並不多,蘇聯曾經把「鍶90」做的RTG給北極圈裡方圓百里無人煙的燈塔,只是鍶-90的β衰變放射線穿透力強,需大塊厚重的金屬層層包起來才行。蘇聯解體後,曾有偷廢鐵的小偷看上這堆「廢鐵」,就把老舊的RTG大卸八塊拆回家,卻被放射線弄得幾乎一命嗚呼,還不知道怎麼死的。

適合放在太空船上的只有「鈽238」,因為它的能量更大,但薄薄的金屬殼就足以擋住它α衰變產生的放射粒子,而且半衰期為87.7年,特別適合需要長期飛行的太空船。只有一個問題:自然界沒有鈽238,它是製造核子武器的副產品,當年核子俱樂部的國家只有美國和蘇聯看出它的價值,把它留下來。美國六零年代生產大量核子武器,手上的鈽238多得用不完,不但阿波羅計劃的登月小艇都有RTG(至今還在發電),有的人造衛星也有。蘇聯應該也半斤八兩,發射不少帶有RTG的人造衛星,只是資料從來沒有公布。後來太陽能板技術漸漸成熟,就不再在普通人造衛星上用RTG了。

鈽238根本就是靠自己燒紅的金屬塊。

好景不常,美蘇限武談判後全面停止製造核武,1988年後美國就不再製造鈽238,NASA才驚覺未來太空船的能源有問題,還好俄國對錢的興趣更甚于太空探險,趕快向它買16.5 公斤。現在NASA手上的鈽238一共只有35公斤,但是堪用的只有17公斤。

17公斤很多嗎?好奇號火星車就用了來自俄國的4.1公斤,幾個月前通過冥王星的新地平線號用了約10公斤,正在土星的卡西尼太空船更用掉30公斤。

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美國預計要砸下9千萬美金,由能源部負責生產,估計在2018年後可以達到穩定量產:每年1.5至2公斤,省著點用還勉強活得下去。另一方面,NASA也在發展效率是RTG四倍的「先進史特林同位素發電機」(advanced Stirling radioisotope generator,ASRG),那就更省了。沒辦法,現在入流的國家都不再製造核武,鈽238就成了稀世珍寶,難道要NASA向北韓買嗎?

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不是不會髒,而是更難沾:耐污馬桶的表面科學
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/09/22 ・3364字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 Panasonic 合作,泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享,不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上,「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水,但過不了幾天,馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑,甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢(黏質沙雷氏菌)。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」,讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看,世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制,並非打造完全不沾染髒污的材質,而是調整表面的物理與化學屬性,使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力,透過日常水流沖刷,便能輕易地將髒污帶走。

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為什麼污垢「黏不住」? 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」,我們得先像偵探一樣,拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇:

  1. 水垢與礦物沉積*1:我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時,這些離子會逐漸結晶析出,變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
  2. 生物膜與有機物*2:包含尿液中的無機鹽、油脂殘留,以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物,所組成的黏滑防禦大本營。
關鍵不是沖水,而是「這些污垢如何抓住表面」

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」,前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼,材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢?答案就藏在「表面能(Surface Energy)」與「濕潤性(Wettability)」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時,水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠,還是迅速攤平開來?這取決於表面的特性:

  • 疏水路線(Hydrophobic)*1:具備低表面能的疏水表面,能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠,當水珠滾動滑落時,就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走,這就是著名的「自清潔效應」。
  • 親水路線(Hydrophilic / Superhydrophilic)*2:相反地,極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子,在材料最外層形成一層薄薄的「水化層(Hydration Layer)」。這層水化層就像是實體的液體盾牌,讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底,只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻:傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆,髒污就像攀岩者,需要找到落腳點並用力撐住才能攀附;而我們做的是抽掉把手點,或是在把手上塗上潤滑油,讓髒污找不到施力點,自然難以停留。

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材料科學的核心:想辦法讓污垢「抓不住」

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢,下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢,在微生物學中被稱為「生物膜(Biofilm)」。細菌並不是孤立生長的,當單顆細菌落在表面後,如果覺得環境舒適,它就會開始分泌胞外聚合物(EPS),這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起,並築起堅固的防禦堡壘,這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出,要阻止生物膜形成,除了化學上的抗菌,材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論(Attachment Point Theory)」:

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  1. 粗糙與微孔洞表面:如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞,細菌(體積通常約 1 到 3 微米)就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點,還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
  2. 極致平滑與微結構表面:相反地,如果材料表面做到極致平滑,完全沒有微米級的缺陷;或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構,細菌的足跡構造(如鞭毛或纖毛)就無法在表面找到穩固的「接觸附著點(Contact Points)」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時,它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外,現代衛浴結構在設計時,也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角,等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

阻止細菌、生物膜找不到「落腳點」

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何,我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系:【材料層(低附著力)】+【結構層(無縫平滑)】+【動態流體層(泡沫與水流剪切力)】= 高效清潔!

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例,就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表:

1. 材料層:有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」(以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料,這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩)。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性,水滴不易長時間攤平停留;材質堅固、不易破裂,耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試,這種素材配合泡沫洗淨,在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌,從源頭阻斷細菌定殖。

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2. 結構層:無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上,A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計,減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫,並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計:

  • 泡沫防護:在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層,有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺;
  • 外圍防護:馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔,防止液體延著外壁滴落至地板;
  • 測漏防護:便座與馬桶本體採用不外露的防護設計,避免液體從縫隙飛濺滲漏。
Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶

3. 動態流體層:雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時,A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污,再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙,徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著,配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」,利用旋轉產生的流體剪切力,一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外,Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技,釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污,維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆,但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計,到微觀幾何的附著點控制,再到流體力學的水流沖刷,一座現代抗污馬桶的演進,縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而,A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破,展示了材料科學的另一種聰明思維:不靠強酸強鹼硬打,而是透過物理與化學邏輯,將「污垢固著」的機率降到最低。

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當材料科學與現代衛浴技術結合,刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持,我們得以從繁重的家務勞動中解放,享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文:A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文:Brushing up functional materials

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史上最近!NASA朱諾號飛掠木星神秘大紅斑
peggysha
・2017/07/11 ・1810字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 538 ・八年級

  • [2017.07.14]註:熱騰騰的照片出爐囉~下圖來自 NASA,於台灣時間 2017 年 7 月 11 日早上 10 點  7 分拍攝,並由公民科學家 Gerald Eichstädt 利用朱諾號的數據進行影像增強製作而成。這是朱諾號第七次的木星繞行,在拍攝圖像時,其距離行星雲頂約 9,866 公里。

由公民科學家 Gerald Eichstädt 利用朱諾號的數據進行影像增強製作而成。圖/NASA

剛剛慶祝完環繞木星週年的朱諾號探測器已飛行了超過 1 億公里,最近更會直接飛過木星的大紅斑(Great Red Spot,GRS),這將是人類史上第一次與大紅斑擁有如此近距離的親密接觸。

朱諾號探測器已飛行了超過 1 億公里,近日將飛越木星的大紅斑。圖/NASA

看得見摸不著的大紅斑,原是巨大氣旋

大紅斑是一個位於木星南赤道邊緣的反氣旋旋渦,它的寬度廣達 16,000 公里,足足有地球的 2~3 倍大。早在幾百年前便被人類發現,自 1830 年代開始留有正式紀錄,這個陪伴觀星者許久的紅斑,據推測至少有 350 多年的歷史。

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來自聖安東尼奧西南研究院(Southwest Research Institute in San Antonio)的朱諾號首席調查員史考特‧波頓(Scott Bolton)表示:

木星神秘的大紅斑大概是她最著名的特色。

波頓提到:這個巨大的風暴已經在太陽系最大的行星上肆虐了好幾世紀,而今,朱諾號和她所攜帶的「木星極光紅外成像儀」(Jovian Infrared Auroral Mapper)將可深入了解這個反氣旋旋渦,探索氣旋的根源究竟有多深,並藉此幫助我們了解它究竟是如何運作、為何如此獨特。

大紅斑約是地球的 2~3 倍大。圖/By Brian0918, public domain, wikimedia commons

刻苦耐勞朱諾號

收集大紅斑的數據是朱諾號第六次飛越木星雲頂的重要任務之一。朱諾號會在台灣時間 7 月 11 日早上 9 點 55 分到達近木星點(Perijove),其位置在木星的雲頂上方約 3,500 公里處。而在 11 分 33 秒之後,朱諾號會再行進約 4 萬公里,到達大紅斑捲曲的雲頂正上方,彼時探測器會全副武裝、攜帶八個精密儀器在大紅斑上方飛行約 9 千公里。

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來自加州噴射推進實驗室(JPL)的朱諾號計畫經理瑞克‧內巴肯(Rick Nybakken)認為成功收集到的木星資料證明了 NASA 團隊的奉獻精神、創造力和技術能力。他說:「每次的軌道繞行都讓我們更靠近木星輻射帶。」而截至目前為止,朱諾號竭力撐過木星周圍的磁場影響,刻苦耐勞的程度超乎科學家的預期。

朱諾號隨身攜帶的傢伙真的很多!圖/網路天文台

再靠近一點,揭開木星神秘面紗

朱諾號在 2011 年 8 月時於佛羅里達發射上空,飛行五年後於 2016 年 7 月 5 日正式進入木星軌道。在探勘木星期間,朱諾的飛行高度極低,與木星雲頂僅距離 3,400 公里。朱諾號利用繞行,努力探索木星雲層下的種種現象,藉由研究極光去深入探索行星的起源、結構、大氣和磁場。

在朱諾號過去的研究成果中,我們可以發現到太陽系最大的行星「木星」是個十分動盪的世界,她的內部結構非常複雜,有充滿能量的極光及巨大的極地氣旋。

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朱諾號預計將在 2018 年 2 月於指揮中心的控制下脫離軌道、墜入木星,結束這次劃時代的任務。換言之,這次與大紅斑的近距離接觸,可說是最初與最後的邂逅,而這場相遇到底會帶來什麼樣的新發現,真是令人無比期待!

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peggysha
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曾經是泛科的 S 編,來自可愛的教育系,是一位正努力成為科青的女子,永遠都想要知道更多新的事情,好奇心怎樣都不嫌多。

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・2016/07/04 ・1873字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 497 ・六年級

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這一顆行星曾被外星太空船侵入多次,今年美國的獨立紀念日又遭到新的太空船進犯,而且這次的太空船比上一次的更大!

Credits: NASA/JPL-Caltech
Credits: NASA/JPL-Caltech

我可不是在說電影,這裡說的可憐行星是木星,而這個「外星」太空船則是來自地球的美國朱諾號(Juno)探測器。它雖然和電影《ID4》中侵略地球的外星飛碟相比微不足道,但是它有三個8.9公尺長的龐大太陽能板,一個籃球場都放不下,也的確比其他造訪過木星的太空船大得多。不是因為NASA喜歡大,這是不得已的。因為木星離太陽遠,朱諾號最多只會收到地球附近4%的陽光,因此只有增加太陽能板的面積,但是這也讓朱諾號的重量增加了340公斤。也別不滿足了,要不是近年太陽能板的光伏效率大幅精進,朱諾號一定更肥。想要用太陽能到更遠的土星?慢慢等吧。

Juno in a basketball court

說到這裡你會不會奇怪,有史以來所有造訪木星的太空船,包括短暫飛越木星的先鋒號、航海家,和繞行木星八年的伽利略號怎麼都沒有太陽能板呢?那是因為NASA有一個法寶,那些老太空船都有,只有朱諾號沒有。

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這個法寶叫做「放射性同位素熱電機」(Radioisotope Thermoelectric Generator,簡稱為RTG),是一種小型的核能發電機。別被嚇到,它的「核能」不是核能發電廠那種核分裂連鎖反應,說穿了只是一坨高純度的放射性原料,在放射的過程中會生熱,因此就是一個不用插電的暖爐。如是這時候再把「熱電偶」放在冷熱的交界處,溫度差異產生的熱電效應就會產生電壓,提供穩定的電流,就好像一個源源不絕的電池。這樣的電源雖然能量轉換效率低,但是能量夠大、體積小,就是一塊東西,沒有動件,不需維修,真好。

這些都是深入木星軌道以外的美國太空船,那裡陽光不足,因此幾乎都用RTG。朱諾號和歐洲探測彗星的「羅塞塔號」是所有到小行星帶外的太空船中唯二沒有RTG的。

可以用來做RTG的放射性同位素並不多,蘇聯曾經把「鍶90」做的RTG給北極圈裡方圓百里無人煙的燈塔,只是鍶-90的β衰變放射線穿透力強,需大塊厚重的金屬層層包起來才行。蘇聯解體後,曾有偷廢鐵的小偷看上這堆「廢鐵」,就把老舊的RTG大卸八塊拆回家,卻被放射線弄得幾乎一命嗚呼,還不知道怎麼死的。

適合放在太空船上的只有「鈽238」,因為它的能量更大,但薄薄的金屬殼就足以擋住它α衰變產生的放射粒子,而且半衰期為87.7年,特別適合需要長期飛行的太空船。只有一個問題:自然界沒有鈽238,它是製造核子武器的副產品,當年核子俱樂部的國家只有美國和蘇聯看出它的價值,把它留下來。美國六零年代生產大量核子武器,手上的鈽238多得用不完,不但阿波羅計劃的登月小艇都有RTG(至今還在發電),有的人造衛星也有。蘇聯應該也半斤八兩,發射不少帶有RTG的人造衛星,只是資料從來沒有公布。後來太陽能板技術漸漸成熟,就不再在普通人造衛星上用RTG了。

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鈽238根本就是靠自己燒紅的金屬塊。

好景不常,美蘇限武談判後全面停止製造核武,1988年後美國就不再製造鈽238,NASA才驚覺未來太空船的能源有問題,還好俄國對錢的興趣更甚于太空探險,趕快向它買16.5 公斤。現在NASA手上的鈽238一共只有35公斤,但是堪用的只有17公斤。

17公斤很多嗎?好奇號火星車就用了來自俄國的4.1公斤,幾個月前通過冥王星的新地平線號用了約10公斤,正在土星的卡西尼太空船更用掉30公斤。

美國預計要砸下9千萬美金,由能源部負責生產,估計在2018年後可以達到穩定量產:每年1.5至2公斤,省著點用還勉強活得下去。另一方面,NASA也在發展效率是RTG四倍的「先進史特林同位素發電機」(advanced Stirling radioisotope generator,ASRG),那就更省了。沒辦法,現在入流的國家都不再製造核武,鈽238就成了稀世珍寶,難道要NASA向北韓買嗎?

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2016《自然》精選八大科學事件:除了重力波,還有什麼?
陳柏成 (Po Cheng Chen)
・2016/12/28 ・4013字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 574 ・九年級

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編譯/Nihil

從今年美國的總統大選,到太空中所發生的災難性技術故障,對於科學研究者來說,2016 年似乎是個動盪的一年。然而與此同時,科學家們也宣佈了諸多令人矚目的科學成果,例如觀測重力波、DNA 來自三個人的嬰兒以及人工智慧打敗李世乭等。在這歲末時分,就讓我們與您分享,來自《自然》(Nature)期刊精選出 2016 年的八大科學新聞。

重力波,I got you!

相鄰黑洞的靠近引發重力波的漣漪。圖/Public Domain
相鄰黑洞的靠近引發重力波的漣漪。圖/Public Domain

在今年 2 月 11 日,研究者們宣稱,他們在太空中找到了重力波(gravitational wave)的證據,方式為透過雷射干涉重力波天文台(Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, LIGO)的探測器,在 2015 年 9 月偵測到來自 10 億年前,兩個黑洞碰撞所產生重力波的訊號。

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這項觀測的重要性在於,它進一步證實了愛因斯坦在廣義相對論的預言,認為大質量的天體相互碰撞,或是超新星爆發等天文事件,都可能引發波的漣漪;同時這項觀測也再次為黑洞的存在提供證據。就在 LIGO 宣稱結果的數週後,歐洲太空總署的雷射干涉太空天線開路者號(LISA Pathfinder)任務,針對新的技術進行了相關測試。該技術將有機會比 LIGO 觀測到更大、且更遠的天體所產生的重力波信號。

新世界秩序的誕生!

川普在2016年當選美國總統。圖/By Gage Skidmore, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=51041412
川普在2016年當選美國總統。圖/By Gage Skidmore, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons.

紛亂的 2016 年美國總統大選,就在唐納.川普(Donald Trump)於眾人跌破眼鏡的勝利中劃下句點。對於科學研究者來說,最關注的在於成為總統後的川普,在政策上將會如何對待科學。事實上,從川普的競選過程中可以發現,其並未凸顯出科學的重要性。另外川普的一些觀點是顯而易見的,例如他認為氣候變遷(climate change)本身是場由中國主導的騙局,並由此做出承諾美國將會退出巴黎氣候變遷協議;順帶一提的是,他還認為孤獨症和童年時期注射疫苗有所關聯。

當川普的政府開始成形之際,科學家們針對新總統對科學的漠不關心提出反對。在今年 11 月尾,包含 22 名諾貝爾得主在內的 2300 位科學家聯合提交給川普一封信,希望能「堅持科學的誠信與獨立性的高標準,以用來因應當前公共衛生及環境健康的威脅」。另外,如果各位還記得,今年 6 月 23 日英國宣佈脫離歐盟,這件事同時也震驚了當地的科學界。對於科學家來說,他們擔心這將會使他們失去每年來自歐盟的補助,以及和其他歐盟國家之間的交流。但略感欣慰的是,英國表示,政府仍將會持續提供科學家研究經費直到 2020 年。

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大膽前進太空吧!

被陽光照射一部份的木星。圖/NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Mai
被陽光照射一部份的木星。圖/NASA

在 2016 年,不時出現一些太空任務未盡理想的消息。今年 3 月,日本宇宙航空研究開發機構(Japan Aerospace Exploration Agency,JAXA)所研製的 X-ray 天文衛星「瞳」(Hitomi)在發射一週後失敗了。根據研究人員推論,失敗的理由在於軟體上的失誤,進而造成太空飛行器的旋轉超出控制。7 月的時候,美國國家太空總署(National Aeronautics and Space Administration, NASA)的探測器「Juno」抵達木星,然而由於主引擎的問題,造成火箭升空的延遲,使得運行的橢圓軌道更加接近星球。雖然這樣的結果使得比原定計劃還要緩慢,不過「Juno」仍持續收集木星的大氣及磁層的數據。另一方面,歐洲太空總署在今年 10 月時,作為 ExoMars 任務的其中一項環節──Schiaparelli著陸器出現問題,原因在於測量上的失誤,導致降落傘在不對的時間點開啟。

以上各種失敗雖讓人有些氣餒,但對太空學界而言,2016 年還是有一些令人振奮的成果。中國在今年 8 月時,發射了第一顆量子衛星(quantum satellite),目標在於進行太空中相關安全量子通訊的測試。而在 9 月時,中國也在貴州完成了世界最大的單口徑電波望遠鏡。到了 11 月,中國發射了長征五號,並且在 10 月及 11 月期間送了兩名太空人在天宮二號太空實驗室生活了一個月,這些都創下了過去的紀錄。

CRISPR的爭議

基因編輯技術在 2016 年獲得唐獎,也有更多的研究者開始針對人類胚胎使用CRISPR-Cas9技術。圖/NIH Image Gallery@flickr
基因編輯技術在 2016 年獲得唐獎,也有更多的研究者開始針對人類胚胎使用 CRISPR-Cas9技術。圖/NIH Image Gallery@flickr

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CRISPR-Cas9 是一個至今仍持續發展的新基因編輯工具。在今年 10 月 28 日,一名在中國成都華西醫院的肺癌患者,成為了史上第一位進行CRISPR-Cas9技術的人。在臨床試驗中,研究者會試圖讓一些原控制免疫系統的細胞失去作用,並讓已編輯的基因增加免疫效果,用以對抗癌症。然而關於這種技術的商業前景仍有不確定性。美國專利與商標局宣稱將「干預」兩個研究團隊的訴訟時,關於基因編輯技術的專利權爭論可說達到了最高峰。

另一方面自今年起,有更多的研究者開始針對人類胚胎使用 CRISPR-Cas9 技術。當然,這樣的方式引起不少關於該研究領域的爭議,理由在於設計嬰兒的可能性。話雖如此,目前仍有國家允許這樣的研究,其中包含了中國、英國以及瑞典。他們認為透過這樣的技術,將可幫助人類未來的發展。

氣候危機的到來

綠色的艾菲爾鐵塔,象徵巴黎協議的通過。圖/usa.gov@flickr
綠色的艾菲爾鐵塔,象徵巴黎協議的通過。圖/usa.gov@flickr

來自 174 個國家及歐盟的代表們,在 4 月 22 日地球日這天共同簽署了巴黎氣候協定。不過事實上若要讓協定生效,需要超過 55 個國家、並且其加總的溫室氣體排放量要超過全球 55% 才能成功。而最大的進步莫過於在今年 9 月,佔據全球共 38% 溫室氣體的兩個國家—美國和中國,正式加入巴黎協定。在一週後,巴西及其他 30 多個國家也陸續加入,最後由歐盟在 10 月 5 日正式底定這場協議,並在 11 月 4 日生效。

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不過,以上這些並非是唯一為氣候變遷所做的努力。在今年 10 月 6 日,聯合國的國際民用航空組織(International Civil Aviation Organization)決定將針對國際航班減少碳排放量。而在 10 月 15 日,共有 197 個國家同意修改蒙特婁議定書(Montreal Protocol),藉由逐步淘汰氫氟碳化物等溫室氣體來達到保護臭氧層的目標。在 10 月 28 日,相關國家也打破長達 4 年的僵局,在南極洲旁的 Ross 海成立了世界最大的海洋保護區。

茲卡病毒的肆虐

巴西因茲卡病毒爆發而導致的相關先天缺陷例如小頭症案例,已成為全球公共衛生的重大議題。圖/Centers for Disease Control and Prevention - http://www.cdc.gov/ncbddd/birthdefects/images/microcephaly-comparison-500px.jpg, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=46674502
巴西因茲卡病毒爆發而導致的相關先天缺陷例如小頭症案例,已成為全球公共衛生的重大議題。圖/Centers for Disease Control and Prevention, Public Domain, wikimedia commons.

今年 2 月,世界衛生組織(World Health Organization, WHO)聲明,巴西那些因茲卡病毒爆發而導致的相關先天缺陷案例,已成為全球公共衛生的重大議題。這些先天缺陷包含小頭症(microcephaly),意為新生兒擁有比一般正常嬰兒更小尺寸的頭腦。然而縱使茲卡病毒在美洲肆虐,事實上並沒有造成想像中大規模的小頭症及其他茲卡所導致的先天缺陷案例。即使在巴西,高比例的小頭症患者也只存在於東北部,因此研究人員開始猜想,這種疾病的背後,可能同時存在多種因素的影響。

到了 11 月 18 日,世界衛生組織宣佈茲卡病毒與先天缺陷之間的相關案例不再是公共衛生的重大事件,但會持續研究茲卡病毒傳染造成的影響,並發展疫苗。許多國際研究單位也將繼續為相關問題提出解答,例如受感染的孕婦,會有多少比例生出具有先天缺陷的嬰兒。

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鬥智遊戲的頂尖對決!

圖/Prachatai@flickr
圖/Prachatai@flickr

今年 3 月,來自 Google 旗下公司「DeepMind」所研發的人工智慧 AlphaGo,在圍棋比賽上擊敗了世界知名棋手李世石。而在 10 月時,研究者揭示了另一項人工智慧產品,它能在不需預先擁有相關知識的條件下,了解倫敦地鐵複雜的路線分佈。這些複雜的程序結合記憶與從經驗學習的能力,將人工智慧又更進一步的朝人類邁進。

除了讓人工智慧做以上這些事外,透過大量的深度學習(deep learning),它同時也能降低 60% 由機器進行語言翻譯所造成的失誤,並幫助物理學家尋找新的材料。

來自三人的DNA

藉由替換缺陷的DNA,避免母親的下一代遺傳到相關疾病。圖/ZEISS Microscopy@flickr
藉由替換缺陷的DNA,避免母親的下一代遺傳到相關疾病。圖/ZEISS Microscopy@flickr

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經過十多年的研究,透過輔助生殖技術(Assisted-Reproductive Technology),進而達到結合三個人的 DNA 研究已取得突破。這些研究的目的之一,在於避免孩子從上一代的粒線體中遺傳到疾病。今年 9 月,研究人員在墨西哥診所宣佈第一個利用此技術的嬰兒誕生了。

另外,就在今年 12 月 15 日,根據科學家們建議,英國的人類生殖及胚胎學管理局(Human Fertilisation and Embryology Authority)允許了該項技術在臨床上的使用,並將在 2017 年開始上路。

以上,為本年度《自然》(Nature)期刊精選的八大科學新聞,其中醫學相關領域就佔了三項,包含茲卡病毒、基因編輯以輔助生殖技術,可謂豐收的一年;另外,雖然本次人工智慧領域只佔一項,但筆者相信,假以時日,一旦 AI 領域有更大突破,當「科學研究」本身都能藉更臻於完美的人工智慧之手操刀時,在往後的年度科學新聞中,它將會是顆耀眼的巨星。

原始來源:

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陳柏成 (Po Cheng Chen)
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熱愛自然科學,曾擔任PanSci實習編輯,現於美國夏威夷大學就讀博士班。如有任何問題,歡迎來信:consciencecpc@gmail.com
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