一、前言

在奔流不息的時代浪潮中，科技成就始終扮演著“萬花筒”的角色——數學、物理、化學、天文、地理、生物……不變的多彩紙片，稍加晃動，就能轉出五光十色的奇妙世界。2014年，細胞遺傳學、大腦科學以及電腦科學仍然是熱門領域，航空航太作為大國實力較量的焦點從未停歇，科學倫理和危機應對是科技新聞永遠需要直面的話題。2014年國際十大科技新聞中，有三件是有關太空科技，中國大陸探月返回試驗器成功返回地球為其中一項。有關生物疾病者二項，電腦一項，能源一項。

 

二、國際十大科技新聞

(一)日本論文造假

今年第一期，《自然》刊登了兩篇日本理化學研究所科學家的論文，文章稱成功培育出能分化為多種細胞的新型“萬能細胞”。其培養過程簡單安全，將從老鼠脾臟取出的細胞放在與紅茶酸鹼度近似的弱酸性溶液裏浸泡25分鐘，培養數日後就出現了新細胞。此前科學界一直認為，一旦細胞的功能固定下來，在這種程度的刺激下是不可能變成“萬能細胞”的。因此，這一成果被認為是顛覆生命科學常識的劃時代重大成果。研究小組負責人小保方晴子説，這項創新技術的亮點是，僅僅通過改變外部環境給予細胞刺激，就能使細胞發生變化。這篇有望給再生醫療帶來新思路的論文備受關注，但很快有眾多研究人員在網上宣佈該論文存在諸多疑點——論文圖像不自然，疑似被加工過；國外同行用該方法重復實驗，卻無法再現結果，等等。日本理化學研究所隨即對研究過程展開調查，確認論文中有篡改、捏造的不正當行為，最關鍵的是，數個重復試驗均以失敗告終，證明這一實驗方法和結論都存在致命錯誤。7月2日，《自然》正式撤回了這兩篇曾引發巨大反響的細胞論文。

(二)美國國家點火裝置（NIF）釋出能量首次超過燃料吸收能量

核物理學研究的一項新進展使核聚變能源正在“升溫”。美國國家點火裝置（NIF）的科學家通過實驗證明，核聚變反應釋出的能量比引發核聚變反應的燃料所吸收的能量多。這項發現標誌著核聚變能源將步入新時代。NIF屬於“無爆炸核子試驗”不可或缺的部分，設計初衷是用來模擬核爆，但自落成起，讓世人廣泛注意到的是它更具魅力的一點——實現核聚變能發電。獲得“取之不盡用之不竭”的核聚變能源，是人類夢寐以求的能源之夢。但是，要想讓核聚變燃料在超高溫高壓下形成核聚變，還要具備可控性，這可絕非易事。地球上沒有什麼材料能承受太陽那樣的溫度和壓力，因此，到目前為止，只能靠磁場約束和慣性約束兩種方式令燃料處於被激發的狀態。著名的國際熱核聚變實驗堆（ITER）是磁約束核聚變的代表，但目前雖已舉全球之力，仍難獲得可控的“人造太陽”。世界最大鐳射器NIF則是慣性約束核聚變的典型，其操作原理是把燃料芯塊的溫度提高，從而引發內爆和燃料壓縮，其賣點在於或將成為“第一個突破平衡點”的設施。所謂突破平衡點，指産生的能量大於啟動它所需要的能量，也是所謂“能量增益”。

　　美國科學家用192支鐳射，對一顆燃料芯塊進行加熱直至核聚變反應發生。實驗結果表明，聚變産生的能量大約是以前紀錄的10倍，實現了“燃料增益”。需要指出的是，燃料增益是指核聚變能量高於燃料中能量，而不是用於壓縮燃料芯塊的總能量。研究的下一目標將會是實現“總增益”，即系統産生的能量必須超過進入系統的能量，這是半個多世紀以來核聚變工作者夢寐以求的目標。在可控核聚變的征途上，每一次“增益”都為未來的“人造太陽”注入一縷光芒。

圖1   美國國家點火裝置（NIF）

 

(三)埃博拉肆虐西非，全球預防

今年2月，埃博拉疫情在幾內亞境內暴發，隨後迅速蔓延至西非賴比瑞亞和獅子山等國。疫情引起了國際社會的高度關注，多個國家均採取了緊急措施，嚴防病毒入境。埃博拉病毒是迄今發現的致死率最高的病毒之一，死亡率超過50%，除了將已經感染的病人完全隔離，尚無有效的預防和治療辦法。不過，科學家們正在加緊研製疫苗，美國國家衛生機構與英國葛蘭素史克公司聯合開發的疫苗已于11月底初步通過人體測試；加拿大研發的一種疫苗也正在開展一期臨床試驗。此外，一種名為ZMapp的試驗性藥物被緊急用於救治埃博拉病人，病人病情出現好轉，很有希望成為治療埃博拉病毒感染的一個關鍵選項。從禽流感到瘋牛病，從SARS到埃博拉，每次區域性公共衛生事件引發的社會震蕩都會拉響全球紅色警報，儘管懸挂不同國旗的國際救援隊穿梭其中，儘管各種疫苗緊鑼密鼓地研製和投放，但鮮血和赤字給疫區帶來的最大威脅，仍然是揮之不去又無處躲藏的恐懼，因為在這種與死神賽跑的大災難面前，最具安全感的科學技術也顯得力有不逮。

圖2  埃博拉肆虐西非

(四)郵票大小類腦晶片“叫板”超級電腦

在智力競賽中擊敗兩位人類選手，在主題辯論中與人“頂嘴”，IBM的超級電腦“沃森（Watson）”近兩年的表現著實令人印象深刻。在超級電腦上實現對人工智慧和大腦的模擬，似乎不是什麼難事了？且慢。擂臺上的雙方並非同一重量級——“沃森”的智力完全依賴它儲存海量數據的龐大“大腦”——90台伺服器加上360塊計算晶片的“體格”抵得上10台普通冰箱，能耗超高可想而知；人類大腦重不過千余克，卻擁有100多億個神經細胞，把大腦活動的能耗轉換成電能，只相當於一隻20瓦的燈泡。論精巧與複雜，人類大腦仍然力挫所有現代機器。人腦計算方式不受現代電腦“馮諾依曼瓶頸”限制。現代電腦的記憶體和處理器是分開的，以總線作為數據交換的通道；在人腦中，神經元（處理器）之間通過突觸（記憶體）互相接觸，這種處理器與記憶體緊密相連的結構，讓人腦資訊傳遞的效率非常高；人腦還有一個特點，部分神經元不使用時可以關閉，因而整體能耗很低。

研發類腦電路已是必然趨勢。2011年，IBM推出了SyNAPSE（“自適應塑膠可伸縮電子神經形態系統”的縮寫，恰好也是“突觸”的意思）晶片原型，這枚單核晶片包含256個“神經元”和256256個“突觸”。時隔3年，郵票大小的升級版多核晶片“真北（Truenorth）”問世，尺寸不及原型的1/15，內核卻增加到4096個，方寸之間竟然整合了100萬個“神經元”、2.56億個“突觸”，能耗不到70毫瓦，其運算能力可折合為每瓦每秒460億次，而最節能的超級電腦每瓦每秒只能進行45億次“浮點”運算。如果説第一代單核類腦晶片還只是“蟲腦”水準，那麼進階版“真北”已經相當於“蜜蜂大腦”了。但顯然，IBM的終極目標是人類的“灰腦”——大腦皮層灰質是數百億神經元的聚集地，有朝一日若真實現這種規模的人工智慧，人類的生存前景恐怕更加黯淡。

圖3  郵票大小類腦晶片“叫板”超級電腦

(五)科學家找到“光變物質”的簡單方法

科學家佈雷特和惠勒1934年提出，如果讓兩個光子通過撞擊結合在一起，有可能變成物質，形成電子和正電子——這是最簡單的“光變物質”方法。但他們也認為這只是理論，從未想過有人能實際證明這一預測。目前能把光變成物質的實驗都伴有大量高能粒子，而純光變物質的佈雷特-惠勒正負電子對從未在實驗室裏被觀察到過。為什麼這個實驗如此重要？因為它既能再現宇宙形成的最初100秒內的重要過程，還能表現伽馬射線爆發，這是宇宙中最大的爆發和物理學中最大的未解之謎。雖然這一理論聽起來簡單，要想實驗證明卻非常困難。對撞的方法容易想出來，但利用現有技術實現的實驗設計並不容易。

 

圖4  光變物質

(六)美成功剪除感染細胞中的艾滋病病毒

艾滋病病毒就像一個魔咒，兜兜轉轉始終與人類“不離不棄”，將患者的身體和心靈生生侵蝕成無邊的荒漠。15年來，被稱為“雞尾酒療法”的高活性抗逆轉錄病毒治療（HAART）在發達國家成功控制了感染者的HIV-1病毒發作，但HIV-1仍然可能再次發怒打斷治療進程，揮之不去的HIV-1始終讓感染者存在生命隱患。由於HIV-1病毒永遠不會被免疫系統消滅，只有徹底剪除病毒才能治愈疾病。近一年來，CRISPR／Cas9基因剪輯技術成為生物生理學領域最為熱門的方法，因其簡便、價廉、多功能和高效率，被譽為“基因組編輯的魔術手術刀”。美國科學家操起這把刀，試圖朝著永久治愈艾滋病的方向邁出重要一步。他們用HIV-1編輯器在能感染HIV-1病毒的幾種細胞上成功地根除了潛在的艾滋病病毒。這是一項令人興奮的發現，不過現在還沒做好準備進行臨床試驗。但無論未來發展如何，剪除病毒DNA的成功實驗證明了這樣一個事實——科學家正朝著正確的方向前進。

圖5  美成功剪除感染細胞中的艾滋病病毒

(七)人際腦電波通訊首獲成功

科學幻想是許多未來科技的靈光乍現。在最新上映的科幻電影《超體》中，就有意外獲得超能力的女主角可以通過觸摸他人前額，讀取對方的意識和記憶的情節。而在現實世界裏，人際腦電波通訊時代的大幕也已緩緩拉開。我們想説的話、想做的動作、想表達的情感，一念既起，大腦神經元之間就會産生相應的化學反應，發出微弱但清晰的電信號。一位身在印度的志願者，就將“你好（hola）”和“再見（ciao）”這兩個單詞在自己大腦中形成的波動，發給了遠在8000公里以外的法國實驗人員。這是從一個大腦到另一個大腦之間的一次簡單的資訊單向流，當然方式不會像電影中那麼直接。這個“讀心”實驗需要先將代表兩句問候語的腦電波轉換為二進位，由法國方面的電腦接收後解碼，再用電刺激將其輸入實驗人員的意識當中。接受者感受到的是眼前似乎有一道道閃光劃過，從中便可以解讀出對方傳遞的資訊。人機交互技術的發展已經可以讓殘障人士用意識來控制輪椅、機械臂了，未來我們或許還能夠用自己的思想控制智慧手機、電腦以及其他設備，享受腦電波“智控”帶來的便利。而通過網際網路，人腦和人腦之間也取得了連接，不過，那種可以入侵他人大腦、探查他人內心的想法確實有點“腦洞大開”了，因為目前還無法確定腦電波傳達相同資訊時在不同大腦間的相似度是多少，這項初步實驗得出的數據是：錯誤率為15%。以實驗傳遞資訊的簡單程度來看，“誤解”的幾率並不算低。

圖6  人際腦電波通訊首獲成功

(八)中國探月返回試驗器成功返回地球

繼蘇聯和美國之後，中國成為成功回收繞月飛行器的第三個國家。可喜可賀！11月1日晨，中國探月工程三期再入返回飛行試驗返回器在中國內蒙古中部預定區域降落。這是中國航太器第一次在繞月飛行後再入返回地球，它標誌著中國已全面突破和掌握航太器以接近第二宇宙速度的高速再入返回關鍵技術，為確保嫦娥五號任務順利實施和探月工程持續推進奠定了堅實基礎。此次試驗是中國探月工程三期任務中最關鍵也最困難的一次試驗，目的是通過飛行器高速再入返回地球的真實飛行，獲取相關軌道設計、氣動、熱防護、制導導航與控制等關鍵技術數據。結果表明，所有數據全面有效。需要特別關注的是被比喻為“太空打水漂”的“半彈道跳躍式飛行返回”設計，這種特殊設計巧妙地利用地月引力，讓探測器飛抵月球附近後繞半圈自動向地球飛來。由於月球引力場分佈不均勻，因此利用月球引力規劃探測器的軌道並不容易，整個過程需要經過多次調整；最重要的是在其返回大氣層時，要借助不連續的分子氣層和飛行控制，讓返回器在大氣層中一齣一入，打出漂亮的“太空水漂”，進而避免在大氣層中的超高速飛行燒蝕返回器。自上世紀中期以來，一些國家向月球和更遙遠的天體發射了大量探測器和飛船，但按設計要求返回地球的航太器為數寥寥。除了項目內容本不包括“回家”任務以外，再入返回技術複雜和風險高等因素都讓設計專家不得不慎之又慎。雖然不是歷史上第一次使用這種方案，但其操控高難度和落點高精度決定了成功收回返回器的重大意義。雄關漫道，務實嚴謹的中國航太人正一步一個腳印地邁向太空。

(九)人類探測器首次登陸彗星

彗星一直被認為是太陽系形成初期留下的産物，其彗核由凝結成冰的水、二氧化碳、氨和塵埃顆粒混合組成，因此彗星也常被喚作“臟雪球”。11月12日，在太空中“追星”長達10年的著陸器“菲萊”與好夥伴“羅塞塔”號探測器分離，奔赴自己的“新家”——距地球5億公里的“67P／丘留莫夫－格拉西緬科”彗星。但一波三折，獨自飛行7小時的“菲萊”在踏足彗星時，竟然出現了頭頂的冷氣推進器未能啟動、兩個錨定“魚叉”失靈的意外狀況，經過兩次彈跳，“菲萊”總算在彗星表面站住了腳，完成了人造探測器的首次彗星登陸。

　　隨後傳回的全景照片顯示，三條腿的“菲萊”一腳朝天、側臥在地，落在了一處峭壁的陰影中。這意味著“菲萊”在主電池電量耗盡後，無法從備用的太陽能電池獲取足夠能量。儘管處境艱難，好樣的“菲萊”在清醒的64個小時中，啟動全部科學設備，全力以赴抓緊實驗，對彗星的土壤、磁場等情況展開測量分析。這些資訊有助於科學家了解形成于太陽系形成初期的彗星，進一步探究太陽系甚至人類的起源。15日8時36分，“菲萊”傳回所有實驗數據後，發推文表示“有點累，得打個盹了”，便不再“説話”。

眼下彗星正逼近太陽，“菲萊”的隔熱設計只能讓它的工作期堅持到2015年3月底。在此期間，我們只能期待太陽能電池板獲取足夠光照並轉化成足夠電力，讓“菲萊”從休眠中甦醒。不管“菲萊”能否醒來，歐洲空間局的這一壯舉都填補了人類太空探測歷史上的空白。

圖7 人類探測器首次登陸彗星

(十)美新一代載人飛船“獵戶座”首次試飛成功

新年降至，蔚藍地球上騰空而起的一枚火箭意義非凡——人類開啟了探測火星或其他行星的大門。美國國家航空航太局（NASA）新一代載人飛船“獵戶座”12月5日完成首次試飛，並濺落在太平洋預定海域，其成功發射被視作“美國航太的新起點”。此次測試的目的是在距離地球5800公里的高度，即大約15倍于國際空間站運作軌道高度的太空中，檢驗飛船的基本設計性能。這是自1972年“阿波羅計劃”結束42年以來，人類首次將載人級別太空飛船發射到遠超近地軌道的深空之中。美國太空梭2011年退役後，宇航員要進入國際空間站作業，不得不依賴俄羅斯的聯盟號，而每張船票高達幾千萬美元，這種寄人籬下的情況促使“從美國本土運送宇航員進入太空”成為NASA的重要任務。然而，來往地球軌道國際空間站的載人飛船和貨運飛船，統統被NASA轉移給“太空商用計劃項目”，私人公司成為設計、製造、發射和運營的主力。志大“財”疏的NASA學會了“集中力量辦大事”的做事原則，戰略上幾乎把全部精力都放在了深空探測上。“獵戶座”新一代載人飛船作為已經擱置的“星座計劃”的重要組成部分，再次燃起了美國載人深空探測的激情——按計劃，“獵戶座”最終將搭載在名為“太空發射系統”（SLS）的新型最強勁火箭上升空，將人類送往火星。“理解並保護地球家園，探索宇宙尋找地外生命以及啟發下一代探索者”，NASA撐起的這面旗幟鼓舞了無數航太人。憑藉科學技術的支撐，人類總是夢想在無邊星際找到另一席廣闊天地。雖然很難很艱巨，但夢想還是要有的，萬一有一天實現了呢？

 

圖8   美新一代載人飛船“獵戶座”