新視野號飛越冥王星，你或許會想問的10個問題

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

到底怎樣才算是「乾淨」？這不是什麼靈魂拷問，而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中，「乾淨」的定義極其殘酷：一粒肉眼看不見的灰塵，就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞，甚至能成為台積電（TSMC）決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中，雖然不需要生產精密晶片，但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密，卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康，你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此，空氣議題早已超越單純的環保範疇，成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

很多人可能沒想到，無論是家用的空氣清淨機，還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠，它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩，而是同一件看起來平凡無奇的東西：一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信，就憑這層厚度不到幾公分的板子，能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎？

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

首先，我們必須打破一個直覺上的誤解：HEPA 濾網（High Efficiency Particulate Air filter）在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5，是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物，它們能穿過呼吸道直達肺泡，並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本，在工廠與汽車尾氣中，還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1，甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」（UFP，即 PM0.1）。 UFP 不僅能輕易進入血液，甚至能繞過血腦屏障（BBB），進入大腦與胎盤，其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣，單靠孔目大小來「過濾」粒子，那麼為了攔截奈米微粒，濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡，一般人認為的「乾淨」，在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米或 3 奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的晶片而言，空氣中一顆微小的塵埃，就是一顆足以毀滅世界的隕石。

因此，傳統的過濾思維並非治本之道，我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形，最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身，誕生於曼哈頓計畫！

1940 年代，製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而，若將排氣直接排向大氣，會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」（Absolute Filter），其內部並非有孔的篩網，而是石綿纖維。

有趣的來了，如果把過濾器放到顯微鏡下，你會發現纖維之間的空隙，其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢？這是因為在奈米尺度下，物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時，並非走直線，而是會受到空氣分子撞擊，而產生「布朗運動」（Brownian Motion），像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時，布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動，最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時，靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客，就這樣被永久禁錮迷宮中。

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間，它們在濾網內隨機交織，像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後，並非僅僅面對一層薄紙，而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層，微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外，HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵，那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀，中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐，目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒，而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺：過濾不是越快越好嗎？

其實，這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管，如果你捏住出口，水流會變得湍急；若將出口放開並擴大，雖然總出水量不變，但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言，當表面積越大，單位面積所需承載的空氣量就越少，空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久，增加被捕捉的機會。此外，越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」，延長了使用壽命，這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

然而，即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter)，但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ，其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物，去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念？塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子，大小約在 2 至 200 微米；細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米，細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」，大多數的病毒（如流感、新冠病毒）都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說，基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上，它更獲得英國過敏協會（Allergy UK）認證，能有效處理 19 大類、102 種過敏原，濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

然而，同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中，硼是常見的 P 型摻雜物，用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕，進而釋放出極微量的硼離子，就可能直接污染晶圓，改變其導電特性，導致晶片報廢。

此外，無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA（超低穿透率空氣濾網） 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中，任何多穿透的一顆微塵，都代表著一筆不小的經濟損失。

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率，材料學家搬出了塑膠界的王者，PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕，還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維，其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕，但它既昂貴且物理上也很脆弱，安裝時若不小心稍微觸碰，數萬元的濾網就可能報銷。因此，你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此，在空氣濾淨系統中，還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網，就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

好不容易將微塵擋在門外時，危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王：AMC（氣態分子污染物）。

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒，但面對氣態分子時，就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般，能輕易穿過物理濾網的縫隙，其中包括氮氧化物、二氧化硫，以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物（VOCs）。

為了對付這些幽靈，我們必須在物理防線之外，加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同，這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理（Impregnation）」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質，在活性碳上添加不同的化學藥劑：

• 酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
• 物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

空氣濾淨的終極邏輯：物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境，活性碳的運用並非「亂槍打鳥」，而是一場極其精密的對戰策略。

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告，像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝，打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區（Photolithography），晶圓最怕的是人體呼出的氨氣，此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和；而在蝕刻區（Etching），若偵測到酸性廢氣，則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯，是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中，雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析，但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯，正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網，更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳，科學界有個關鍵指標：「比表面積（Specific Surface Area）」。活性碳的孔隙越多、表面積越大，其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳，並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理，打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克，但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字，相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積，是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是，它還添加了雙重觸媒技術，能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線，能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體，或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來，成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說，無論是造價百億的半導體無塵室，還是守護家人的空氣清淨機，其背後的科學邏輯如出一轍：「物理濾網攔截微粒，化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作，空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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• 作者／語星葉，與一隻米克斯黑狗簡單地生活在新竹，正在努力成為天文學家。

在浩瀚的太陽系裡，冥王星一直是個迷人又「謎人」的存在。關於冥王星精彩的故事很多：1930年被鍥而不捨的天文台助理發現、2006年被從行星殿堂「降級」為矮行星、2014年新視野號成功飛掠並帶來無數珍貴的照片與科學資料……如今關於冥王星的新研究又帶來驚喜──或該說是驚嚇？

冥王星與海王星的「雙星共舞」

冥王星是第一顆被人類發現的「海王星外天體（Trans-Neptunian object, TNO）」。如今我們已知海王星軌道外有數百顆這類的天體，並且數量還在增加中。這類天體雖繞行著太陽，但其軌道週期之大，宛如被太陽遺忘在邊疆的散兵。有些 TNO 還長得奇形怪狀，例如妊神星（Haumea）雖然有 1/3 個冥王星的質量，但其外型不是球型，而是一顆橢球，且其長軸比短軸長了一倍！

上圖最左上角是冥王星系統，其中最大的衛星凱倫（Charon）甚至大到使這個雙體系統的重心在冥王星之外，因此也稱冥王星是個雙（矮行）星系統。而妊神星（Haumea）則硬生生長成恐龍蛋形狀，因其自轉一圈只花 4 小時，這樣的高自轉速度使它無法成球體。值得一提的是，已知的 TNO 體積都小於月球。

冥王星本身更是有許多有趣的現象。冥王星的軌道偏心率高，呈橢圓狀，而且軌道平面是傾斜的，跟太陽系盤面差了 17 度角（見下圖）。除此之外，冥王星跟海王星的關係可謂糾葛難分──冥王星的軌道跟海王星有些微交錯，即某些時候冥王星會轉到海王星軌道的內側，此時冥王星比海王星離太陽更近！這樣難道兩顆星不會因為太過靠近，而使彼此的軌道不穩定嗎？天文學家發現，冥王星與海王星的軌道呈和諧的共振關係，兩顆星就像在跳方塊舞，互相受彼此的重力牽連著、卻不會因距離太近而打破軌道的平衡。

這兩顆星的和諧軌道共振有兩個要素：首先，冥王星跟海王星的軌道週期呈現近乎 3：2 的比例，且當冥王星在近日點時，海王星大約在與其軌道長軸呈垂直的位置。更精確地說，冥王星的近日點位置是會浮動的，在天體力學中稱為冥王星近日點的天平動（Libration，指的是天體軌道角度的週期性震盪）。

若由上往下看太陽系盤面，冥王星的近日點天平動會與海王星軌道保持上述的關係，因而不會與海王星太過接近。另一個要素則是軌道傾角方向的天平動。由於先前提到的軌道傾斜，冥王星的近日點能保持在遠高於海王星軌道平面的位置，因此更加確保兩顆星不會相遇。

上圖為冥王星軌道與八大行星軌道對照圖。截圖自The Sky Map | 3D Solar System Simulator 。
有興趣的讀者可以上這個網站，搜尋 Pluto 並勾選 animate ，調整合適的時距，便可以隨心所欲從任意角度觀察冥王星與八大行星的軌道運動。只是 3D 模擬運算量大，網站頗容易當哈哈……

你以為天體運行繞一圈就結束了嗎？讓影片畫給你看

其實天體力學的軌道計算非常的複雜。連結是神人用 Python 寫的開源模擬所繪製的影片。前半段影片顯示的是冥王星與海王星的軌道共振狀態，冥王星以紅色標示，海王星以藍色標示，坐標系則隨著海王星一起公轉；後半段影片展示一個無軌道共振的系統作為對照，冥王星質量的天體以綠色表示。

影片中，左上圖是從上往下看太陽系盤面，可以看見海王星的位置其實有微小的變化，這是因為海王星的軌道並非正圓；而冥王星的軌跡則顯示出上下兩個對稱的弧線，這是近日點的位置，可以發現平均下來近日點跟太陽的連線，的確跟海王星位置跟太陽的連線是垂直的，還可以觀察到近日點天平動的幅度。

而下方兩張圖則是從側面看太陽系（平行於太陽系盤面看過去），可以看出兩側高凸的近日點位置的確遠高出黃道面（z=0）。這個模擬的時長為 2 萬年，冥王星約繞行太陽 80 圈，可以看見其軌跡是有跡可循的；相對的，影片後半沒有軌道共振的對照組，其近日點在這兩萬年內不斷地漂泊，繞行軌跡也相當混亂無序。

上述的模擬只考慮了太陽、海王星與冥王星的三體運動（雖然已經極為複雜了），那麼其他已知的氣體行星，會不會對冥王星軌道造成微小的擾動呢？欸嘿， N-body simulation 出場了！（筆者表示害怕）

天體力學下的平衡

美國亞利桑那大學的天文學家 Malhotra 與日本國立天文台的 Ito 研究員，在他們的模擬中考慮了太陽以及所有氣體巨行星──木星、土星、天王星與海王星──對冥王星的重力作用，並且把模擬時長拉長到50億年（上述 Python 模擬的 16 萬倍），也就是預期太陽剩餘的壽命。他們想嘗試回答，在太陽穩定照亮世間的漫漫時光裡，像冥王星這樣軌道如此精巧的天體，究竟是否能長久和海王星跳著方塊舞呢？

在模擬中，他們分別測試了不同的行星組合，以判斷各巨行星對冥王星軌道的影響。一如過去所知，模擬結果顯示了海王星的重力主導了冥王星近日點在平行太陽系盤面方向的天平動，也就是保持著 3/2 的和諧共振。然而，對於軌道傾角方向的天平動，海王星並未握有太大實權。拉長時間來看，冥王星近日點的天平動無論在平行盤面、軌道傾角兩個方向上，對巨行星們的一舉一動都頗為敏感。巨行星們的重力作用會使冥王星軌道產生微擾（Perturbation），使冥王星軌道產生天平動，只要天平動限縮在穩定的範圍內，就不用擔心冥王星會被耍得團團轉。

令人驚訝的是，根據模擬結果，他們發現在平行盤面的方向上，天王星竟在破壞冥王星的軌道穩定！不過別擔心，這個軌道穩定破壞者正被木星和土星給鎮壓著──在不含天王星的模型中，冥王星平行盤面的天平動和實際情況相去不遠，然而在移除木星和土星、只考慮天王星及海王星的模型裡，冥王星軌道只能在千萬年之內保持穩定。然而在軌道傾角方向上，天王星又有其貢獻，因為只有在考慮所有巨行星的模型裡，此方向的天平動才是與現實相符且長久穩定的。

因此，在維護冥王星精密的軌道平衡上，四大行星可謂缺一不可。更令人驚奇的是，在漫長的 50 億年模擬中，冥王星的天平動雖被限縮在一個安全穩定的範圍內，但這個穩定範圍其實非常的狹窄！若冥王星稍有不慎，掉到了安全範圍之外，其軌道將變得無序而渾沌，便不再跟海王星跳著和諧的方塊舞了。

太陽系就是個大舞池

看到這裡，你是否震撼於冥王星的軌道之精密，簡直像是被刻意調整過的呢？就如同生物演化的優勝劣汰，過去太陽系也曾盛大進行著重力之舞淘汰賽，只要一有天體踏出重力穩定帶，便可能被逐出舞池、或者惹上其他天體的麻煩。

今日現存的太陽系成員都是重力之舞的佼佼者，它們因緣際會來到為數不多的重力穩定帶，尋得屬於自己的舞步，悠然繞旋至今。然而在過去，它們可都曾有過波瀾壯闊的瞬間──或許是與其他天體擦身而過、或許是被逼到穩定帶的邊陲……透過精細演算太陽系天體的移動，天文學家得以窺探這場重力之舞淘汰賽的精彩回顧，甚至可能發現被淘汰天體所遺留的蛛絲馬跡。

如今在太陽系這浩瀚的舞台上，行星、衛星、彗星、 TNO 等天體組成舞團，相互配合著對方的舞步，漫遊於其中。它們已是訓練有素的舞者，所演出的每一支舞都令人為之震撼，值得反覆品味、研究，就連遠在五十億公里外的冥王星，都使天文學家為之神往。究竟從冥王星複雜而精美的舞步中，還能挖掘出什麼有趣的新發現呢？讓我們拭目以待！

註：關於冥王星的故事，非常推薦閱讀精采的《冥王星任務》（時報出版）一書，由新視野號主持人共同執筆寫下，高潮迭起、充滿笑與淚，會讓你一看就停不下來！

參考資料：

paper本體https://www.pnas.org/doi/epdf/10.1073/pnas.2118692119

科普新聞 https://www.space.com/pluto-orbit-influences-from-giant-planets

冥王星軌道開源模擬 https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2515-5172/ac3086, https://github.com/renumalhotra/2021-Pluto-Neptune-Resonant-Dynamics-Visualized-in-4D

2019 年抵達尾聲，每每科學技術的突破與新研究的產生，都讓我們更了解這個世界，也使我們的生活產生巨大的變化。在迎接 2020 之際，照慣例，讓我們一起看看《Science》為今年選出的科學年度大事有哪些？而究竟今年最重大的科學突破是什麼呢？

丹尼索瓦人的長相公開

丹尼索瓦人 (Denisovan) 為 5 萬年前一支滅絕的人屬，與著名的尼安德塔人 (Neanderthals) 以及現代人曾存在於同時期。過去從其他人種的 DNA 中，可以發現到丹尼索瓦人血緣的蹤跡，證實了這支族群曾廣佈亞洲大陸。但形態部分的資訊一直不足，科學家一直難以得知其長相。

今年 (2019) 九月，科學家透過西伯利亞所發現的丹尼索瓦小女孩遺骸，從小指中的 DNA 之表觀遺傳學資料，配合基因資料庫中對基因表現的認知，重建了丹尼索瓦人的面貌。而研究重建得出的長相，在後續的研究中與已證實屬於丹尼索瓦人的下顎化石進行比對後，發現預測模型與結果近乎完美的相符，顯示本次重建結果的可信度相當高。

延伸閱讀：沒有化石，也能用表觀遺傳學重建丹尼索瓦人的長相？

Google: 量子霸權已經達標！IBM: 這個嘛……

今年 (2019) 10月，Google 宣告他們研發的量子電腦已可解決一般電腦無法解開的難題，進入了新的里程碑「量子霸權」(Quantum supremacy)。傳統電腦以二位元運作，進行資料編譯、傳輸或儲存；然而量子電腦的量子位元 (qubit) 為「0」、「1」或「同時為 0 和 1」，能在面對問題時藉由量子波的晃動，使錯誤的解決方案因互相干擾而抵消，最終呈現正確的解決方法。這項設計使量子電腦面對龐大運算時會更快速得出正確的解答，擁有破解當前網路安全協議 (security protocols) 的計算能力。

Google 的研究人員表示，本次發表的量子電腦利用超導金屬製成了具微小路徑的 53 量子位元晶片，在 200 秒內就解決用以測試的抽象問題，相比於傳統電腦計算需耗費萬年成效驚人。對手 IBM 對 Google 的宣稱表示了懷疑，認為現行的超級電腦若以正確的演算法應能在兩天內解決該問題。

成熟的量子計算需使量子位元有自我校正的能力，但當前該技術仍尚未完成。再者，量子計算機設備的擴張更具挑戰。儘管 Google 的成就備受讚揚，應用量子計算時代要真正來臨，可能仍需數十年的研究與努力。

延伸閱讀：量子電腦為何比傳統電腦強大？量子運算的發展又有哪些挑戰呢？

以腸道細菌戰勝營養不良

依國際衛生組織 (WHO) 的統計，每年約有 35% 的兒童死於營養缺乏。這項資訊除了暗示人類世界中資源不均的問題外，實際上還存在著某種醫療處境：有些營養缺乏的兒童即使獲得救助並攝取到足夠的食物後，仍無法有效改善營養不良造成的病痛，甚至依舊發育遲緩。

經過十年的研究，研究人員發現此情況與腸胃道菌相不成熟有關。標準的援助食物主要以奶粉和大米補充營養，但缺乏使關鍵腸道菌生長的成分。今年一款低成本、主要材料為鷹嘴豆、香蕉、大豆和花生粉的營養補充品被研發推出，以促進腸道菌相的生長、並改善後續的營養吸收。

目前小規模的臨床試驗中，確認之前研究認定的 15 種重要菌種有良好的反應；且孩童的血檢也驗出出更高的血蛋白及體內代謝物數值，顯示這些孩童的身體狀況獲得改善。這些孩童後續將被長期追蹤，若結果理想，將相關的配方推廣至醫院之外，其影響範圍預計會十分深遠。

隕石撞地球，到底會怎樣？生物大滅絕之謎取得線索

宇宙力量何其大，世界末日的電影題材中「隕石撞地球」已成為一個常見的套路，然而事實是人類一直未能還原過去這種浩劫的情景與事件發生的經過。那些滅絕的生物何時死亡、如何死亡，以及後續生態復甦的情況又是如何？一切都在科學家從墨西哥尤卡坦半島（YucatánPeninsula）提取出沉積物岩芯 (sediment core)，配以美國挖出的豐富化石，才終能一窺六千六百萬年前的災難修羅場。

從現已沉於尤加坦海岸 (Yucatán coast)的希克蘇魯伯隕石坑 (Cráter de Chicxulub)，科學家鑽取了長 835 米的岩芯，重建隕石撞擊時的地表狀況：撞擊引起地震，地震引起海嘯並席捲地表生物。從岩芯中含硫物種的所剩無幾，可以推估遭撞擊的地表當時所有物質都被蒸發，並可能導致全球急速冷卻與黑暗。

但從美國科羅拉多州採集到的花粉、植物化石、動物骨骼等遺跡，可知生態復甦速度也頗快。該隕石撞擊事件標示了白堊紀的終結以及古近紀的開始，蕨類和小型哺乳動物倖存。該地棕梠樹在隕石撞擊後的 1000 年內就取代了蕨類的地位、在 30 萬年內則由核桃類植物成為強勢物種。哺乳動物的體型與多樣性於 10 萬年間增長兩倍，甚至部分體重可達 50 公斤。

海洋生態在 3 萬年內恢復運轉，但因撞擊造成的海洋酸化減少 50%海底有機質，而抑制了海洋生物的生長近百萬年。

延伸閱讀：恐龍輓歌—壓垮白堊紀末生物生存的最後一根稻草

新視野號成功拍到古伯帶天體 Arrokoth！

NASA 耗資 8 億美元的「新視野號」 (New Horizons) 探測太空船於成功探測了天體 2014 MU69 的資料，成為人類史上探測過最遠的星體。這個小行星位於海王星外的古柏帶 (Kuiper belt)，一個距離地球 66億公里遠，預估長達 36公里寬的物體。原本被暱稱為 Ultima Thule（中文可譯為「天涯海角」或「終極遠境」），因為用字上有爭議（與納粹有關），而後正式被命名為 “Arrokoth” ，源自美國原住民波瓦坦語 (Powhatan)與阿爾岡昆語 (Algonquian) 的字彙，意指「天空」。

Arrokoth 外觀猶如雪人，由兩個球狀天體接合形成。大球約為小球體積的三倍大。依科學家推論，這兩個球狀天體應是各自形成後，才又碰撞接合再一起。

延伸閱讀：終極之遠，新視野號在古柏帶探測星體

真核生物身世之謎被解開了？

真核生物的起源一直是科學家爭論不休的問題。而就在 2019 年，日本一支研究團隊歷經過 12 年的努力，對真核生物的起源取得了一個重大的線索。這支研究團隊從深海沉積物中培育出了微生物 Prometheoarchaeum syntrophicum strain MK-D1，這是種最近被認可為阿斯加德微生物群 (Asgard) 的古細菌。

其基因體定序的結果顯示，有部分基因片段是過去科學家以為只有真核生物中才會發現的。經 DNA 分析後，科學家推論，阿斯加德微生物群或其遠古親戚很可能與真核生物的起源有關，意味著生物分類學的三域說（古細菌、細菌、真核生物）有可能併作兩域，真核生物成為古細菌域底下的分支，古細菌域與細菌域唯二併立。這大膽的推論目前證據尚嫌不足，還有待更多證據出現。

能醫治多數囊狀纖維化患者的藥物終於出現！

今年 10 月，罕見遺傳性疾病：囊狀纖維化 (cystic fibrosis, CF) 的治療藥物 Trikafta 終於通過驗證進入臨床療程。囊狀纖維化是由於第7對染色體長臂上 CFRT (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator) 基因的缺陷造成的基因突變造成的遺傳性疾病，會造成呼吸道、胰臟、腸胃道、汗腺等外分泌腺體器官的功能異常，患者的平均壽命 40 歲。囊狀纖維化依種族而有不同程度的發病率，由於歐美種族帶因者較高，北歐裔白人發病率最高達 1/3,200，而亞裔帶因者比率較少，發病率僅有 1/31,000。

新藥 Trikafta 結合多種針對不同 CFTR 蛋白缺陷的藥品，適用於高達 90% 的患者，將囊狀纖維化轉為能受控制的慢性病。但現今 Trikafta 藥品成本所費不貲，一年標價超過 30 萬美元，且需要終身服用；批准使用的年齡段（需大於12 歲）也有所限制，另外尚有 10% 的病患不適用該療程，皆是需要持續研究的方向。

伊波拉病毒感染者的一線希望

從 1976 年起肆虐全球至今的伊波拉病毒，長久以來都缺乏有效的治療藥物，而今終於出現了一線曙光。今年 (2019) 確認 mAb114 和 REGN-EB3 兩種抗體藥物在早期治療的情況下，可大幅降低致死率。

這兩種藥物分別取自於 1996 年倖存者身上分離出來的抗體，以及由模擬人類免疫系統的小鼠所產生的三種抗體的其中一種。科學家於試驗中比較四種藥物，發現使用其他兩種藥物僅有約 50％的存活率，而接受該兩種藥物的患者有超過七成的存活率。

自與伊波拉相遇，人類終於出現了有效的療程。本次發現的藥物效果顯著，提高了患者的生存機會，但在疫情第一線抵抗伊波拉，還需鼓勵畏懼檢測的人們及早尋求治療，以有效抵抗伊波拉。

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人工智慧終於也征服了多人卡牌遊戲？

人工智慧（Artificial intelligence, AI）於目前最受歡迎的撲克遊戲：無限注德州撲克 (Texas hold’em)中首次擊敗了世界頂級玩家，意味著 AI 已能攻克玩家無法獲得完整資訊的多人遊戲。AI 在遊戲領域稱霸看來也只是時間問題，2007 年起已經有 AI 程式在西洋棋中攻無不克；而 2016 年 AlphaGo 更是打敗了圍棋的頂尖棋手。

德州撲克由於無法確知其他玩家擁有的手牌，被視為比棋盤遊戲更嚴峻複雜的遊戲。2019 年 8 月，來自賓夕法尼亞州匹茲堡卡內基梅隆大學 (Carnegie Mellon University in Pittsburgh) 的團隊宣告他們製造的 AI：Pluribus，成功在多人遊戲中擊敗了世界一流的玩家。

Pluribus 的玩法在雙人與多人對戰時略有不同，在雙人對戰時著重尋求「不輸」的途徑，即使用納什均衡 (Nash equilibrium) 的策略，保證了對手平均而言會變得更糟，除非他們也使用完全相同的策略。但在牌局中有數名玩家的情況下，則難以確保這樣的策略奏效，因此 Pluribus 只是尋求在已知情況下最有效的玩法。

延伸閱讀：AlphaGo成為「棋靈王」是有多厲害？人工智慧未來又要怎麼走？

最後揭示今年度今年科學年度突破大事，Science 票選的科學大事的第一名：就是於 2019 年 4 月 10 日晚間公布來自於 M87 星系的黑洞相片啦！

終於看到你！人類幫黑洞拍的第一張照片

巨大的黑洞無所不在、無處不有，然而過去人類僅能藉著黑洞的引力與周圍物體互動意識到它的存在，沒有辦法直接看見黑洞本身。直到今年四月，事件視界望遠鏡 (Event Horizon Telescope, EHT) 團隊發布了一張驚人的黑洞 「影像」圖：照片中，一個黑色的中心被光圈環繞。

目睹黑洞影像的當下，身作黑洞攝像團隊成員的海諾·法爾克 (Heino Falcke) 表示自己宛如「看著地獄的大門」。 EHT 為結合世界各地的研究團隊，於各地使用電波望眼鏡觀測共同目標：M87 星系黑洞的電波波段（其中特別鎖定毫米波），來增進其解析力。這張黑洞照相驗證了廣義相對論，與許多科學家數十年來的研究成果。

延伸閱讀：

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• 當你凝視深淵：人類首度直擊黑洞真面目！──科學超抖宅報

本文編譯自 〈2019 BREAKTHROUGH of the YEAR 〉