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這年頭,人人都想上外太空!歡迎來到太空旅行的新黃金年代——《離開太陽系》

時報出版_96
・2019/04/15 ・4892字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 531 ・七年級

編按:本文摘自《離開太陽系》第二章:太空旅行的新黃金年代。美國的太空計畫經歷數十年的冷落忽視後捲土重來,在得到企業贊助、太空旅行成本降低和民眾對 NASA 的重新關注下, NASA 決定宣布長程目標——重返月球,並「登上火星」。

圖/wikipedia

妳是燃燒我靈魂的光。
妳是我的太陽,我的月亮,我的滿天星辰。
──美國詩人 E.E.康明斯(E. E. Commings)

NASA 的重返月球計畫

支持 NASA 重返月球的重要推手有二:重型運載火箭「太空發射系統」(SLS)和「獵戶座太空船」(Orion)。兩者都是歐巴馬總統於二○一○年初、大砍「星座計畫」預算所留下的孤兒。不過 NASA 仍設法保全星座計畫中的獵戶座太空船,以及尚處於計畫階段的重型運載火箭 SLS 。這兩項要件源自截然不同的任務計畫, NASA 東拼西湊,另創一套基礎發射系統。

目前進度顯示, SLS 與獵戶座太空船預計於二○二○年中,執行載人近月飛行任務。各位應該會先看出來,「 SLS 與獵戶座太空船」這組合跟直屬前輩「太空梭」截然不同,卻和「神農五號」有些神似。過去四十多年來,神農五號一直都只是博物館展覽品,卻在某種意義上起死回生、以 SLS 之姿歸隊。這是一套令人似曾相識的新組合。

圖/pixabay

SLS 可載運酬載達一百三十噸,高度則和神農五號差不多,約九十八公尺。升空時,太空人的座位設置跟太空梭不同:他們並非坐在火箭側面的太空船裡、而是在火箭尖頂上的太空艙內,就跟銜接在神農五號上方的阿波羅號一樣。而「 SLS 獵戶座」的用途也不同於太空梭,主要是設計用來載人、而非載物。此外,「 SLS 獵戶座」的目標不僅止於進入近地軌道,它跟神農五號一樣,旨在達到脫離速度,擺脫地球束縛。

神農五號火箭和阿波羅號只能送三名太空人上太空,但獵戶座太空船可載運四至六名機組員。而獵戶座也跟阿波羅號一樣,艙內空間十分狹窄,直徑不到五公尺、高三點三公尺,重兩萬五千八百公斤。(由於空間珍貴,歷史上太空人的個子都不高。以俄國加加林為例,他的身高只有一五八公分。)

神農五號(唯一載人上月球的火箭)、太空梭及其他處於測試階段的運載火箭的尺寸比例圖。圖/時報出版

此外, SLS 和神農五號不同的是,後者專為登月設計,但 SLS 可以載你到任何地方──月球、小行星甚至火星都行。
然而,有幾位億萬富翁早已受不了 NASA 的官僚與牛步,他們也想把太空人送上月球、甚至比 NASA 早一步登上火星。這群年輕企業家受到前總統歐巴馬的提議所誘,支持讓私人企業接手載人太空計畫。

捍衛 NASA 立場者宣稱, NASA 步調謹慎乃是基於安全考量。在發生兩次太空梭爆炸意外後,國會聽證會在輿論的強力反對之下,幾乎全面中止太空計畫。如果再發生一次類似事件,太空計畫極可能就此畫下句點。此外他們也指出, NASA 於一九九○年代也曾盡力配合「更快、更好、更便宜」的宗旨,然而當「火星觀察者號」(Mars Observer)於一九九三年即將進入火星軌道之際、卻因為燃料槽爆炸而導致失聯,許多人就批評 NASA 操之過急,故這道「更快、更好、更便宜」的標語也因此默默撤下。

所以我們必須在「一頭熱地只想加快腳步」和「陷於安全及成本陰影的官僚作風之間」,設法巧妙平衡。

貝佐斯和馬斯克都想把人類搬進外太空。圖/nasa

儘管如此,依然有兩位億萬富翁率先搶進太空計畫,企圖找出捷徑。他們是傑夫.貝佐斯和伊隆.馬斯克。前者為亞馬遜創始人和《華盛頓郵報》老闆,後者則是 PayPal 、特斯拉汽車聯合創辦人,並創辦「太空探索技術公司」(SpaceX)。

報章媒體已先一步為此冠上「億萬富翁之戰」的稱號。貝佐斯和馬斯克都想把人類搬進外太空。不過馬斯克把眼光放得比較遠,鎖定火星為目標,至於貝佐斯則決定先登上月球再說。

來趟月球之旅吧!真實的登月旅程長什麼樣?

來自全國各地的朝聖者湧入佛羅里達州,爭相目睹即將載送太空人上月球的第一座太空艙。這座登月艙將載著三名太空人進行一趟史無前例的旅程,首度實際接觸另一顆天體。這趟奔月之旅預計歷時三天,太空人也將經歷前所未有的體驗──譬如失重狀態。完成這段英勇之旅後,太空艙會安全墜落於太平洋,而艙內乘客將受到英雄式歡迎,開啟人類歷史的新篇章。

這趟旅程的每一道計算皆遵循牛頓運動定律,確保旅途精準無誤。但是有個問題:上述一切其實全是杜撰的,節錄自凡爾納(Jules Verne)在冷戰結束後不久、於一八六五年出版的小說《從地球到月球》(From the Earth to the Moon)。而且故事中籌畫登月任務的並非 NASA ,而是「巴爾的摩槍枝俱樂部」。

然而真正不可思議的是,凡爾納在人類首次登月的百餘年前寫下這則故事,卻能精準預測實際登上月球時的諸多特點。不論是登月艙大小、發射地點和返回地球的方法,凡爾納一一正確描述。

凡爾納(Jules Verne)的小說《從地球到月球》(From the Earth to the Moon)。圖/wikipedia

這本書唯一的明顯錯誤是利用「大砲」送太空人上月球。砲彈擊發後會猛然產生兩萬倍於重力的加速度,這個速度肯定害死太空船上的每一個人。不過,在液態燃料火箭出現以前,凡爾納無從設想另一種太空旅行方式。

凡爾納也假設太空人將體驗失重狀態,但只會發生在「地球與月球的中點」這個位置上。凡爾納並不知道,其實太空人整段旅程都會處於失重狀態。(時至今日,依然有許多評論家對「失重」有所誤解,有時甚至表示失重是因為太空無重力所致。事實上,太空可謂「重力滿載」,至少足以鞭策巨如木星的超大行星繞著太陽轉。太空人之所以感覺失重,是因為太空人和他身邊的所有物體皆以等速墜落。也就是說,太空船內的太空人和太空船一起往下掉,因而產生重力「被關掉」的錯覺。)

新薛帕德:第一座固定提供太空觀光的載人火箭

今天,點燃這把「新太空競賽」之火的並非巴爾的摩槍枝俱樂部成員的私人募款,而是貝佐斯此等商業巨頭的支票簿。他才不想等 NASA 批准他製作火箭、用納稅人的錢建造發射台。他自己成立公司「藍色起源」(Blue Origin),用自己的零用錢造火箭、蓋發射台。

目前藍色起源的進度已超越計畫階段:自製火箭系統「新薛帕德」(New Shepard)──紀念首位乘坐次軌道火箭(suborbital rocket)進入太空的美國人亞倫.薛帕德(Alan Shepard)──已建置完成。事實上,新薛帕德火箭是全球第一架成功降落回原發射台的次軌道火箭,這點打敗了馬斯克的獵鷹火箭(獵鷹是全球第一架可重複使用、真正運送物品進入近地軌道的火箭)。

貝佐斯的新薛帕德火箭還只是「次軌道」火箭,意即無法達到每小時一萬兩千八百公里的速度、故無法進入近地軌道。雖然這款火箭無法帶我們上月球,卻有可能成為美國首座固定提供「太空觀光服務」的載人火箭。前陣子,藍色起源釋出一段新薛帕德假想旅行的短片,看起來就像坐在豪華郵輪頭等艙一樣:踏進太空艙,各位立刻感受到寬敞舒適的內部空間,和科幻電影常見那種狹小、擁擠的艙房截然不同。你和另外五位乘客在這寬廣的大房間裡繫好安全帶,斜躺沉入舒適的黑皮革座椅,隔著七十幾公分寬、一公尺高的大窗戶向外看,而「每一個座位都『靠窗』──太空中最大的一扇窗。」貝佐斯如是說。太空旅行未曾如此奢華怡人。

由於你即將進入外太空,請務必配合幾項預防措施:啟程兩天前,請先到美國德州的范霍恩(Van Horn)──藍色起源發射設施所在地──報到。你會見到同行團員,且聽取簡報。由於此行全程自動化,所以不會有任何機組員陪同飛行。

講師表示,整趟飛行歷時十一分鐘:你會直直衝上近一百公里高空,來到大氣層與外太空的交界。窗外的天空會先變成深紫色、然後墨黑。待太空艙來到外太空,你就可以解開安全帶,體驗四分鐘的失重狀態。屆時你會像雜耍演員一樣在空中翻滾飄浮,不受地球重力限制。

圖/picryl

體驗失重時,有些人會噁心想吐,但是沒關係,講師說,因為旅程太短,影響不大。(NASA 會用「嘔吐彗星」(vomit comet)來訓練太空人。「嘔吐彗星」是一架可模擬失重狀態的 KC–135 空中加油機。「嘔吐彗星」先筆直往上衝,然後關掉引擎、任其落下。這時,太空人有如空中墜落的石子,成為「自由落體」。三十秒後,引擎重新啟動,太空人這才落在機艙地板上。如此過程會一再重複好幾個鐘頭。)

這趟新薛帕德之旅結束之際,太空艙會釋放降落傘,最後利用自身火箭裝置穩穩降落地面。回程不再掉進大海,而且也跟太空梭不一樣──新薛帕德備有安全系統,會在發射失敗時將乘客彈出去(「挑戰者號」太空梭沒有這種彈射系統,導致七名太空人不幸喪生)。

搶食太空觀光這塊大餅:提供付費服務,開啟太空旅行新紀元

藍色起源還未公布「次軌道太空之旅」一趟要價多少,不過分析家認為,初始價格大概在每人二十萬美元之譜。這個數字其實是他們的次軌道火箭研發對手布蘭森──另一位在太空探索史上占有一席之地的億萬富翁──訂出來的。布蘭森是「維珍航空」(Virgin Atlantic Airways)、「維珍銀河」(Virgin Galactic)創辦人,另外也贊助航太工程師伯特.魯坦(Burt Ruten)做研究。二○○四年,魯坦研發的「太空船一號」(SpaceShipOne)贏得「 X 獎基金會」一千萬美元的「安薩里大獎」(Ansari XPRIZE),令他一時聲名大噪。太空船一號能飛上一百多公里高空,抵達大氣邊緣。雖然太空船一號在二○一四年飛越加州莫哈維沙漠(Mojave Desert)時發生嚴重意外,布蘭森仍打算繼續火箭測試,讓「太空觀光」成真。最後哪家的火箭系統能成功商業化,時間會給出答案。不過,顯然社會大眾已普遍接受「太空觀光」的構想了。

貝佐斯同時也製造另一種火箭,準備把人送進地球軌道。這款火箭名為「新格蘭」(New Glenn),紀念首位進入地球軌道的美國太空人約翰.格蘭(John Glenn)。新格蘭火箭分三節,總高約九十五公尺,可產生一千七百多噸的推進力。儘管這款火箭還在設計階段,貝佐斯卻暗示他已著手設計另一更先進的「新阿姆斯壯」火箭(New Armstrong),計畫飛越地球軌道、直奔月球。

企業號(Enterprise)上的史巴克(Spock)和寇克艦長(Captain Kirk)。圖/wikipedia

貝佐斯從小就夢想上太空,而且常常幻想跟《銀河飛龍》的「企業號」(Enterprise)組員一起飛行。他會參加電視劇改編的話劇表演,扮演史巴克(Spock)、寇克艦長(Captain Kirk)或甚至電腦的角色。高中快畢業的時候──這年紀的小伙子大多在幻想人生第一部車或高中畢業舞會──貝佐斯就已經為下個世紀規畫極具前瞻意義的藍圖。他說,「我想蓋太空旅館、主題公園、豪華遊艇以及可容納兩、三百萬人的太空社區,全部在軌道上繞著地球轉。」
「整個概念都是為了保存地球……目的是疏散人類,讓地球變成公園。」他寫道。在貝佐斯眼中,所有會汙染地球的工業活動,最後應該都可以搬進太空。

貝佐斯可不是空口說大話。成年以後,他拿出實際行動,成立藍色起源公司、打造未來火箭。他的「藍色起源」意指地球(從外太空看地球,地球是個藍色球體)。該公司理念是「開啟太空旅行新紀元,提供付費服務。藍色起源的理想很簡單,」他說,「我們希望將來有數百萬人在太空生活、工作。雖然這得花上許多時間,但我認為這是個值得努力的目標。」

二○一七年,貝佐斯宣布,藍色起源的近程計畫是建置「地月輸送系統」。他設想的是一套龐大的運作體系,就像「亞馬遜」(Amazon)一樣,只消按個按鈕,就能將各式各樣的貨品──機器、建材、商品及服務──迅速送往月球。一向被視為孤寂太空荒漠的月球則搖身一變,成為熙來攘往的工商業樞紐,不僅有製造業、還有可永久居住的基地。
這類有關「月球城市」的言論常被批為空談、自我中心的狂言妄語,但若出自全球最有錢有勢的少數幾人之口、且此人意見可直達總統、國會和《華盛頓郵報》編輯室,無人不認真看待。

 

 

 

本文摘自《離開太陽系:移民火星、超人類誕生到星際旅行,探索物理學家眼中的未來世界》,2018 年 12 月,時報出版

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出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。

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平民登月計劃?核融合真的來了?——2023 最值得關注十大科學事件(下)
PanSci_96
・2023/01/31 ・3219字 ・閱讀時間約 6 分鐘

在上一篇中,我們介紹了將在 2023 年發生的五個醫藥健康大事件。

延伸閱讀:
用迷幻藥治憂鬱?基因編輯療法將通過批准?——2023 最值得關注十大科學事件(上)

這次我們轉向能源、宇宙與科技領域,從首趟平民月球之旅、物理學的標準模型新發現,再到第一個核廢料永久儲存設施正式營運!

No. 5 氣候與能源衝擊

世界各國能否聽從科學家的警告,採取實際行動,朝淨零之路前進嗎?看起來不行。由於疫情與俄烏戰爭,去年 11 月在埃及舉辦的「聯合國氣候變化會議 COP27」幾乎是原地踏步。

不過還是有一個重要的決議,那就是建立氣候損失和損害基金。根據協議,排放量較高的富裕國家將在經濟上補償受氣候變化影響最大的貧窮國家。「過渡委員會」將於 2023 年 3 月底前舉行會議,提出資金運用的建議,並在 11 月的 COP28 會議上提交給世界各地的代表。

至於核能的部分,新型核分裂發電與核融合發電,都會在 2023 年有所進展。

另外,世界上第一個核廢料儲存設施,今年將在芬蘭西南海岸外的奧爾基洛托島正式啟用。這個由芬蘭政府於 2015 年批准建造的地下處置庫,將負責封存超過 6500 噸有放射性的鈾;這些鈾會被裝在銅罐中,再用厚厚的粘土覆蓋,最後埋在地下 400 公尺深的花崗岩隧道內,預期將被密封數十萬年,直到輻射水平達到完全無害的程度。

另一個好消息是,今年 1 月 1 日就任的巴西總統——魯拉(Luiz Inácio Lula da Silva),將推翻前任總統開放的雨林開發,保護生態與文化。

然而深海則有新危機。若 2023 年 7 月前,聯合國的國際海床管理局(ISA)沒能讓各國對深海採礦管理準則達成共識,那海底的礦產資源可能會被某些政府和企業盯上,不受限制地開挖,海洋生態將迎來浩劫……。

許多關於能源的抉擇包含了科學和政治,能源短缺也激勵了綠能跟潔淨能源的投資力道及採用意願;至於今年還會不會發生更棘手的麻煩?使能源轉型更加舉步維艱。

巴西新任總統推翻雨林開發,保護生態與文化。圖/Envato Elements

No. 4 超越標準模型

2022 年 4 月,美國費米國家加速器實驗室的物理學家,公佈了渺子 g-2 實驗的首批結果;這項實驗研究了被稱為「渺子的短命粒子在磁場中的行為」。

過去 50 年來,標準模型(Standard Model)[註]的理論預測通過了所有測試,但其實物理學家普遍認為標準模型肯定還不完備,並且認為可以從渺子身上找到破綻;如果今年再次公佈更精確的數據,顯示渺子的磁矩比理論預測來得大,那就代表還有新粒子等待被發現,而標準模型就得修正。

位於中國廣東的江門地下的微中子實驗觀測站,也將在今年展開尋找超越標準模型的物理學之旅;利用位於地下七百公尺的探測器,來準確測量微中子的振盪。

註:標準模型為能描述強核力、弱核力、電磁力這三種基本力,以及所有物質基本粒子的理論。

另外,物理學家們在今年會有升級的新設備。第一個是 LCLS-II 直線加速器相干光源 2 代(Linac Coherent Light Source-II),它將創造終極 X 射線機器,看到分子內原子的運動!另一個則是新的重力波獵人—— Matter-Wave Laser Interferometric Gravitation Antenna(物質波雷射干涉重力天線);這個設施把銣原子冷卻成「物質波」,能夠梳理黑洞和其他超大質量天體碰撞產生的時空漣漪,揪出現有重力波設施錯放的事件,甚至可以幫我們尋找暗物質!

而在瑞典隆德附近、由歐洲 17 國攜手成立的歐洲散裂中子源(ESS),將使用史上最強大的線性質子加速器產生強中子束,來研究材料的結構;雖然預計 2025 年才會完工,但於今年迎來第一批研究人員,開始實驗。

No.3 就是要抬頭看天空

許多人心中 2022 年科學事件第一名,正是韋伯太空望遠鏡傳回的驚人照片;沒有意外的話,韋伯在 2023 年會繼續大顯身手,揭露星系演變的真相,與遙遠系外行星的生命印記,找尋地球之外的生命。

今年還會有更多驚喜!來自於新的太空望遠鏡,如:由歐洲太空總署開發的歐幾里得太空望遠鏡,今年發射後將繞行太陽六年,拍攝宇宙的 3D 圖;日本宇宙航空研究開發機構 JAXA 的 X 射線成像、光譜任務 XRISM,則是繞地球軌道運行的太空望遠鏡,將探測來自遙遠恆星和星系的 X 射線,預計在今年 4 月升空。

在地球上,位於智利的薇拉魯賓天文台(Vera C. Rubin Observatory)將於今年 7 月啟用;其望遠鏡採用特殊的三鏡面設計,相機包含超過 30 億像素的固態探測器,每三個夜晚就能掃描整個南天,也是監測可能危害地球小行星的守護者之一。而世界上最大的可動望遠鏡——新疆奇台射電望遠鏡(QTT)也將在今年完工;其口徑達 110 公尺,能夠觀測天空中 75% 的星星。

詹姆斯.韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope,JWST)去年發布的圖片——史蒂芬五重星系。圖/維基百科

No. 2 好多月球任務,還有一個鐵小行星

2022/12/11 這天,包括阿拉伯聯合大公國的拉希德漫遊者月球車、NASA 的月球手電筒立方衛星、以及日本的白兔 HAKUTO-R M1 登陸器,共同搭乘 SpaceX 的獵鷹九號發射升空;HAKUTO-R 如今正緩緩帶著拉希德前往月球,預計在今年 4 月著陸。

而印度太空研究組織 ISRO 的第三次探月任務月球飛船 Chandrayaan-3,預計今年年中發射,並於月球的南極著陸。

還有首次民間人士的月球之旅 dearMoon。SpaceX 的 Starship 將載著 11 位平民上太空,包含創業家、明星跟 YouTuber;如果 Starship 成功發射,將會成為史上最大的火箭。Blue Origin 的 New Glenn 也預計在今年首度發射。若兩者都成功,將推動太空科學與商業進入新時代,讓進入太空的成本大幅下降。

歐洲太空總署的木星冰月探測器 JUICE 也將在今年 4 月升空,並於 2031 年抵達木星系統;目標是研究木星以及三顆衛星:木衛二三四的環境,了解他們有沒有可能支持生命存在。

NASA 將於今年 10 月後發射延遲了一年的 Psyche 靈神星小行星軌道飛行器,其研究對象為 16 Psyche 靈神星小行星;科學家認為它可能不是一般的小行星,而是一顆年輕行星裸露的鐵核心。如果今年順利發射,將在 2029 年到達。 

看來對太空迷來說,2023 又將是幸福熱鬧的一年。

由超大型望遠鏡(Very Large Telescope,VLT)拍攝的靈神星。圖/維基百科

No.1 GPT-4 跟 AlphaFold 的衝擊波襲來

借過借過,AI 已預約登上 2023 年最大科學事件!

如果 GPT-3.5 開發的 ChatGPT 還沒有嚇到你,那 GPT-4 就要來了!

而在科學領域,DeepMind 的 AlphaFold 帶來的衝擊不亞於 ChatGPT;它能夠根據蛋白質的一維氨基酸序列,準確預測折疊後的三維形狀,對生物與醫療研究影響非常大。 AlphaFold 2 於 2021 年發布了另外 2 億多種蛋白質的結構,幾個月來,來自 190 個國家/地區、超過 50 萬名研究人員,使用 AlphaFold 研究了 200 萬種不同的蛋白質結構。另外,Meta 的 ESMFold 的速度甚至又比 AlphaFold 快 60 倍,預測的蛋白質超過 6 億種!

基於 AlphaFold 跟 ESMFold 的研究量將大大增加,這些龐大新知識也將開始應用於各學科,包括新疫苗和塑膠開發。

法規管制總是比科技進步緩慢,隨著 AI 越來越強大、滲透到社會的方方面面,各國政府必須回應。歐盟在今年將通過人工智慧法案,為使用人工智慧制定標準,其他國家和科技巨頭將密切關注,跟進與調適。

圖/GIPHY

以上就是「2023 最值得關注十大科學事件」,你最期待的是哪一個?哪個是你心中的 No.1?又有哪些我們漏掉了,但你覺得該列入的呢?歡迎留言討論!

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 鎖定 2023 年的每一個科學大事件!

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2022 年《Science》年度十大科學突破(下):EBV 病毒與發燒的地球
PanSci_96
・2022/12/30 ・2786字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

接續上篇:2022 年《Science》年度十大科學突破(上):持續進化的 AI 與韋伯太空望遠鏡

看過 2022 年十大科學突破的前五項後,你是否迫不及待想知道另外五項呢?讓我們繼續看下去吧!

多發性硬化症的元兇:EBV 病毒

多發性硬化症(Multiple sclerosis)是一種中樞神經系統疾病,初期症狀只有視力模糊、手腳麻木、走路不穩等,到了後期便逐漸讓病患喪失視力、無法說話和行走。

長久以來,科學家懷疑多發性硬化症的元兇是「人類疱疹病毒第四型病毒」(EBV)。這種病毒主要透過唾液傳播,幾乎每個人一生中都會感染到,然後病毒會潛伏在白血球中。雖然患者大多都有 EBV 抗體,但 95% 的健康成年人也有,難以作為判定依據。

然而,今年 1 月刊載在《Science》的研究指出,感染 EBV 將導致罹患多發性硬化症的風險增加 32 倍。另一篇《Science》研究也發現潛伏在白血球中的病毒可能會「甦醒」,而病毒的其中一種蛋白質,會誘使免疫系統攻擊中樞神經細胞。

這些新發現給了科學家開發疫苗的方向。目前,有一種 EBV 疫苗正在進行臨床試驗,要是數據顯示疫苗有效,那麼在未來,多發性硬化症或許就能像小兒麻痺一樣,從此絕跡。

新研究確定了 EBV 病毒(藍色)與多發性硬化症的關聯。圖/Science

美國簽署《降低通膨法案》,搶救發燒的地球

今年 2 月,聯合國 IPCC 第六次評估報告指出,若是全球平均升溫超過 1.5°C,各地都將出現多種極端氣候災害,部分地區也將不再適合人類居住。

8 月,美國總統拜登(Joe Biden)簽署了《降低通膨法案》(Inflation Reduction Act),試圖從綠能、醫療、稅收等三大面向解決通貨膨脹的問題,同時減少溫室氣體排放,堪稱美國史上最重要的氣候法案。

身為全球第二的溫室氣體排放國,美國將在未來 10 年撥出 3690 億美元,投入綠能、電動車、核能發電等產業,目標是在 10 年後(2032 年)將溫室氣體排放量降低到 2005 年的 40%。

目前,全球平均升溫(相較於工業革命前)來到 1.2°C,而且今年的溫室氣體排放量仍持續上升,沒有下降趨勢。許多氣候科學家都認為升溫幅度必然超過《巴黎協定》規範的 1.5°C 上限,因此我們都需要盡快採取更多行動保護地球。

《降低通膨法案》將補貼太陽能在內的綠能產業。圖/Science

逃過黑死病的方法,竟然是遺傳?

700 年前,橫行歐洲的黑死病殺死了 1/3 到 1/2 的人口。關於那些倖存者,科學家好奇了很久,想知道他們當初是如何逃過一劫,以及黑死病究竟帶來了什麼影響。

今年 10 月, ㄧ篇《Science》的研究顯示倖存者體內可能有基因變異,提升他們對鼠疫桿菌(Yersinia pestis)的免疫反應。團隊分析了 500 多具遺骨中的古代 DNA,發現在英國倫敦爆發黑死病後,倖存者體內有 245 處的基因都有出現變異。

在這些 DNA 裡,內質網胺肽酶 2(ERAP2)引起了科學家的注意。這種蛋白酶有兩種變體:一種是完整尺寸,另一種較短,但都可以幫助免疫細胞識別、對抗病毒。科學家發現,遺傳完整尺寸 ERAP2 的人類存活機率是 2 倍,因為他們能夠生成更多細胞激素,協助免疫系統對抗鼠疫桿菌。

如今,約有 45% 的英國人體內還存有完整尺寸的 ERAP2 變體,但代價就是 ERAP2 也會增加罹患克羅恩病(Crohn’s disease)和類風濕性關節炎等自體免疫性疾病的風險。

從 14 世紀英國倫敦的遺骨中採集 DNA 並紀錄變化。圖/Science

碰!NASA 撞歪小行星!

多年來,NASA 持續監測直徑超過 0.5 公里的近地小行星,並且透過「雙小行星重定向測試計劃」(DART)研究多種讓小行星偏離軌道的方法。

今年 9 月,NASA 讓 DART 飛行器以 22,530 公里的時速撞擊小行星 Dimorphos,讓 Dimorphos 更靠近它繞行的另一顆小行星 Didymos,縮短了 32 分鐘的公轉週期,比 NASA 原先設定的目標還要高出 26 倍。

目前為止,天文學家估計軌道與地球軌道相交的近地小行星有 25,000 顆,大小都足以摧毀一座大城市。雖然行星防禦系統(Planetary Defense)尚未建構出完整情報,但針對人類首次改變天體運行的壯舉,NASA 署長表示「這是行星防禦任務的分水嶺,也是人類文明的分水嶺」,有助於降低小行星或隕石撞到地球的機率。

寬達 160 公尺的小行星 Dimorphos。圖/Science

從永凍土提取環境 DNA,重建古代生態系統

以往普遍認為 DNA 的保質期約為 100 萬年,但在今年 12 月,科學家從北極寒漠的永凍土中,提取了 200 萬年前殘留至今的環境 DNA 片段。透過分析這些片段,科學家還原了格陵蘭東北部皮里地(Peary Land)約 200 萬年前生態系統的樣貌。

英國劍橋大學研究顯示,在 200 萬至 300 萬年前,皮里地的平均氣溫比現在高 11℃ 至 19℃。從 5 處沉積層中提取的 41 個 DNA 片段,證實了當時有楊樹、樺樹、崖柏和各種針葉樹,也有野兔旅鼠、馴鹿、囓齒動物,以及 1 萬年前滅絕的大象近親——乳齒象。過去從來沒有科學家料到乳齒象的活動範圍竟然延伸到那麼遠的北方。

可惜的是,因為缺少脊椎動物的化石,目前還不清楚確切的生物群落組成,但這項研究證明了利用環境 DNA 追溯 200 萬年前的古生物是可行的,而這也有助於科學家進一步探討生物和環境的演化。

環境 DNA 揭示了 200 萬年前格陵蘭的生態。圖/Science
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2022 年《Science》年度十大科學突破(上):持續進化的 AI 與韋伯太空望遠鏡
PanSci_96
・2022/12/30 ・3733字 ・閱讀時間約 7 分鐘

回顧 2022 年,有沒有讓你印象特別深刻的科學新聞呢?約莫兩星期前,《Science》雜誌公布了今年的十大科學突破,從農業到藝術、從細菌到宇宙、從百萬年前的生態到人類的未來,每一項突破都和我們的日常生活息息相關。

好啦,廢話不多說,現在就來揭曉答案吧!

十大突破之首——遙望宇宙的韋伯太空望遠鏡

今年,韋伯太空望遠鏡(JWST)帶來的震撼,相信你我都印象深刻。

韋伯發布的第一批照片拍到了 SMACS 0723 星系團。圖/Science

早在 1990 年,哈伯太空望遠鏡發射升空後,科學家就開始規劃下一步。他們不只想看見更遙遠的宇宙,也想透過不同的波長,分析地外生命存在的可能性。

哈伯望遠鏡的觀測波段以可見光為主。確實,紫外線和可見光波長最有利於觀測誕生不久的新星,但隨著數十億年過去,這些新星發出的光,穿過不斷膨脹的宇宙,來到地球,被拉伸到更長的紅外線波長後,哈伯就沒輒了⋯⋯

韋伯望遠鏡可以清楚看見狼蛛星雲的塵埃、氣體雲和碳氫化合物。圖/Science

那麼,要怎麼看見更遙遠的宇宙呢?去年底,歷時 20 年建造、造價 100 億美元的「韋伯太空望遠鏡」順利升空,開啟 150 萬公里的長征。韋伯搭載的科學儀器可以觀測紅外線波段,包括來自宇宙第一批恆星和星系發出的光。

韋伯利用四種不同的紅外線波段觀測系外行星 HIP 65426 b。圖/Science

今年 6 月底,韋伯開始收集數據,三星期後就傳回了第一批深空照片,讓科學家看見了更遙遠、更古老的新星系,徹底改寫我們對宇宙的認識。對於天文學界來說,這是一個充滿奇蹟的時代,韋伯望遠鏡也因此榮登 2022 年最重要的科學突破。

2022 年十大科學突破之首:韋伯太空望遠鏡。影/Science

研發多年生水稻 PR23,減輕農民耕作負擔

盤點世界上最主要的糧食作物,水稻肯定有一席之地!現今,大部分水稻都是一年二至三穫,每年收穫後都得重新種植,對農民來說是非常耗時、費力的工作。

今年 11 月,中國雲南大學農學院的研究團隊在《Nature Sustainability》發表他們十餘年來嘔心瀝血的研究成果——多年生水稻「PR23」。這是長雄野生稻和 RD23 栽培稻的雜交種,不但可以達到和傳統水稻相仿的產量,還可以省下農民的大把時間、精力與成本。

PR23 第一年的稻作成本與傳統水稻差不多,但從第二年開始,農民就可以跳過育秧、犁田、移栽幼苗的步驟,降低約 50% 的人力成本,到了第五年才需要重新種植。

在中國,PR23 的種植面積超過了 15,000 公頃,平均產量則是每公頃 6.8 噸,略高於傳統水稻。根據非洲和東南亞的試驗數據,PR23 還可以改善土壤結構、增加有機質含量、減少梯田和高地的水土流失。

與此同時,科學家也正在觀察兩個潛在問題:一、雜草和病原體是否會積累在田地中,導致 PR23 需要更多除草劑,二、是否會排放更多的一氧化二氮,加劇溫室效應。但目前不可否認的是,多年生水稻有助於降低成本、提高收益,確實是一項重要的突破。

有了多年生水稻,農民每年都能省下好幾週的工作量。圖/Science

誰說 AI 沒創意?AI 的創造力可是超乎想像呢!

說到 AI,有沒有讓你想起去年的十大科學突破呢?沒錯,去年的十大突破之首就是預測蛋白質 3D 結構的 DeepMind 團隊,而在今年,他們著手設計全新的蛋白質,用來開發疫苗、建築材料和奈米機器。

與此同時,DeepMind 發布了 AlphaTensor,用來找出更有效率的矩陣乘法演算法。高中就學過的矩陣是代數中最簡單的運算之一,可以用來壓縮網路資料、辨識語音指令、模擬與預測天氣、生成電腦遊戲圖形等。

另外,DeepMind 還發布了可以自主編寫程式、解決問題的 AlphaCode。在程式解題競賽網站 Codeforces 定期舉辦的比賽中,AlphaCode 甚至打敗了過半的參賽者,取得排名前 54% 的成績,跌破創辦人的眼鏡。

除了科學、數學、程式設計之外,AI 在藝術領域更是大放異彩。

繼 OpenAI 去年發布繪圖軟體 DALL-E 後,今年 4 月發布了進化版的 DALL-E 2,只要輸入幾個字詞,AI 模型就能自動生成圖像。在 9 月,有一位藝術家利用類似的 AI 繪圖工具 Midjourney 奪下美國科羅拉多州博覽會首獎。

此舉在藝術界掀起一股旋風,卻也引來了哲學辯論和道德抨擊,但毫無疑問的是,人類可以借助逐年進化的 AI 拓展創造力,開發出更多、更好的工具。

使用 Midjourney 創作的科羅拉多州博覽會首獎作品。圖/Science

超級華麗的大~大~大細菌!

在你的印象中,細菌是不是都很小、不用顯微鏡就看不見呢?今年 2 月,科學家在法屬西印度群島發現一種肉眼可見的巨無霸細菌——華麗硫珠菌(Thiomargarita magnifica),震驚了生物學界。

一般來說,細菌沒有細胞核和膜狀胞器,遺傳物質都在細胞中自由漂浮,但華麗硫珠菌真的很華麗,不只可以長到 2 公分,比多數細菌大上 5000 倍,而且還有隔間可以容納 1200 萬個基因組——這大概是多數細菌基因總量的 3 倍。

身為一種不應該有膜的原核生物,華麗硫珠菌的結構或許即將改寫原核生物和真核生物的定義,甚至有機會成為一塊拼圖,補足細胞進化過程中缺失的環節。

華麗硫珠菌挑戰了「細菌」的傳統定義。圖/Science

開發新疫苗,呼吸道合胞病毒治療現曙光

在這 COVID-19 肆虐之年,美國感染呼吸道合胞病毒(RSV)的病例數也急遽上升。呼吸道合胞病毒傳染性極強,通常只會引起類似感冒的輕微症狀,但在嬰幼兒身上,這種病毒會使肺部發炎,而在老年人身上,會使既有的心肺疾病惡化。

早在 50 多年前,就有科學家試圖開發呼吸道合胞病毒的疫苗,但在臨床試驗導致 80% 的接種者住院、2 名兒童死亡後,開發就此中斷。後來,科學家發現敗筆在於這種殺死病毒後製成的「滅活疫苗」所引發的抗體較弱,不只殺不掉活生生的病毒,還能反過來幫助病毒破壞氣管。

如今,莫爾豪斯醫學院(Morehouse School of Medicine)開發了能夠引發強效抗體的新疫苗。在輝瑞(Pfizer)和葛蘭素史克藥廠(GSK)進行臨床試驗後,證實這兩種新疫苗可以保護嬰兒和老年人,不會引起嚴重副作用,而在孕婦注射後,也能將抗體傳給胎兒。

雖然過往的失敗讓開發團隊心存疑慮,但目前沒有任何數據顯示疫苗不安全,其中幾種候選疫苗也可能將在明年獲得監管機構批准上市。

RSV 疫苗證實能有效保護易受感染的嬰幼兒和老年人。圖/Science

好啦~這篇到這裡,先介紹前五項突破就好!因為《Science》今年提供的內容實在是太精彩了,為了避免讀者一次閱讀太多字很累,只好拆成上下兩篇⋯⋯看完這篇後,如果你好奇另外五項突破是何方神聖,就來看第二篇吧!

接續下篇:2022 年《Science》年度十大科學突破(下):EBV 病毒與發燒的地球

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