PopSci 第四届年度十大杰出人物

人们通常不会期望成为科学家而出名、获得荣耀，或者拥有以自己名字命名的运动鞋系列。但《大众科学》杂志认为，科学家才是我们这个时代真正的名人。他们的贡献丰富了我们的生活，拓展了我们的想象力。连续第四年，我们进行了严格的搜索，以找出北美各地机构中最具活力、最有前途的年轻研究人员。

我们寻求大学系主任、科学成就奖颁发机构和著名期刊编辑的提名。我们寻找的是那些刚刚开始受到关注、推动其领域向新方向发展的人才。今年的 Brilliant 10 获奖者正在研究黑洞的性质、使人类细胞感知周围环境的机制、栖息在深海火山中的生物（哦，对了，还有毒蜘蛛的奇异交配仪式）等问题。我们根据他们出色的资历选择了他们。当我们见到他们时，我们并没有失望。你也不会失望。

艾米·巴格

威斯康星大学麦迪逊分校

她探索黑洞以了解宇宙的早期。

如果你能用肉眼看到一颗星星，艾米·巴格尔可能对它不感兴趣。让她兴奋的是那些只有最强大的仪器才能看到的遥远物体。我只是对边缘发生的事情非常着迷，”她说。越远越好。”

到 20 世纪 90 年代中期，研究人员认为他们已经掌握了宇宙的大部分历史。早期宇宙中散布着一些非常明亮的物体，称为类星体，据信类星体的核心包含质量是太阳数十亿倍的黑洞。这些“超大质量”黑洞吞噬周围的尘埃和气体，加热它们并使其以各种频率发出光。测量结果表明，黑洞活动在大约 110 亿年前达到顶峰，即大爆炸 30 亿年后。

但这些结论主要基于可见光。巴格尔是第一批通过结合多台望远镜的数据来监测多种波长的科学家之一。作为
在夏威夷大学获得博士学位后，她获得了 SCUBA（一种远红外相机）的使用时间，并发现了一个以前未知的类星体群。接下来，34 岁的 Barger 领导一个团队，利用美国宇航局的轨道钱德拉 X 射线天文台勘测了一小片天空。只有 X 射线才能揭示某些被尘埃笼罩的黑洞。

研究小组将这些物体与可见星系进行匹配，煞费苦心地提取每个星系的红移，即距离的测量值。红移越低，黑洞活动越近。我突然意识到平均红移低得惊人。“哇，这是怎么回事？”巴格回忆道。她的结论是：活跃的黑洞在相对较近的星系中比比皆是，这意味着它们比之前认为的要活跃得多。尽管新发现的黑洞比类星体弱，但它们发出的光芒实际上比老黑洞要亮得多。

这一发现引发了新的不确定性。为什么附近的黑洞如此之多？它们的活动与恒星形成有何关系？这些正是巴格喜欢的问题。我想看看宇宙中的事物是如何演变的，”她说。最终，它会引导我们走向我们。”

—JR明克尔

塞巴斯蒂安·特龙

斯坦福大学

他正在制造一辆非常智能的汽车，可以自动驾驶。未来有一天，我们所有人都可以这样出行。

当塞巴斯蒂安·特伦驾驶的无人驾驶大众 SUV 偏离车道，冲向 50 英尺高的悬崖时，他并没有看路。他坐在后座上，看着一台笔记本电脑，它正在跟踪汽车的大脑，该大脑由七个奔腾处理器组成。当他感觉到汽车突然向左急转时，特伦抬起头，推开挡住视线的一捆电缆，意识到他的车即将撞上一部《末路狂花》。

38 岁的 Thrun 是斯坦福人工智能实验室的主任，他正在实地测试他希望成为世界上第一辆完全自动驾驶汽车。这辆车配备了激光、雷达、摄像头、GPS，最重要的是，还配备了 Thrun 的突破性道路探测和障碍物识别软件，它将参加 10 月 8 日在西南沙漠举行的第二届 DARPA 机器人汽车大赛。但 Thrun 的动机并不是 200 万美元的奖金。作为一个坚定不移的乐观主义者，他设想机器人汽车将在我们国家的高速公路上行驶，这些汽车比人类驾驶得更好，造成的致命事故更少。

乐观主义会派上用场。去年比赛中最成功的参赛者只完成了 175 英里赛程中的 7.4 英里。尽管计算能力得到了巨大提升，但机器人仍然无法实现智能。基于模型的机器人无法模拟现实世界的复杂性，而反应式机器人则缺乏提前规划的能力。1998 年，在编写一个导游机器人来引导拥挤的博物馆时，Thrun 获得了一个类似禅宗的启示：“真正的智能的一个关键先决条件是了解自己的无知，”他想。鉴于世界固有的不可预测性，机器人和人类一样，总是会犯错。

因此，Thrun 开创了所谓的概率机器人技术。他根据数据正确的概率调整机器对输入数据的响应。在去年的 DARPA 竞赛中，许多脱轨事故都是由于机器人的传感器提供了错误信息而发生的，例如，机器人会把风滚草误认为是石头，然后停在原地。Thrun 的汽车没有掉下上面提到的悬崖，因为它的软件忽略了错误的 GPS 数据（它认为这些数据有很大的出错概率），而是对更准确的激光读数做出反应。（如果汽车没有做出正确的选择，Thrun 或同事就会按下方向盘旁边的两个巨大红色按钮来禁用人工智能。）

到 7 月初，Thrun 的汽车已经行驶了 88 英里，相当于去年的路线。它本来可以行驶更多，但由于（人类）驾驶员未能避开路面颠簸，导致领跑车爆胎。

-雷娜·玛丽·帕塞拉

道格·詹姆斯

卡内基梅隆大学

他的编程能力让他能够模拟出有史以来最快、最准确的碰撞。

塑料草坪椅组成的瀑布、马和大象在棋子间奔跑、鱼群撞击桥梁。这些动画仅用数小时而非数月时间制作完成，是道格·詹姆斯的超现实手艺。“我所做的一切都需要大量廉价的碰撞，”他说。33 岁的詹姆斯创建了比以往更逼真、更快速地模拟碰撞的工具。詹姆斯希望让程序员能够在处理一两个对象所花的时间内处理 1,000 个对象。这种流畅性可能会带来以前不切实际的新应用，例如实时虚拟手术；它还可以使电影和电脑游戏中的特效更加逼真，例如看起来和听起来都很自然的动画战斗。

2002 年，詹姆斯开始研究碰撞，当时模拟柔性物体的算法非常复杂。软件将每个物体的表面分成许多小三角形。当两个物体接触时，程序通过确定所有三角形的新位置来计算碰撞的影响。但詹姆斯发现碰撞的物理原理相对简单。弯曲一把草坪椅，只有一小部分会移动。他推断，没有必要对整个物体进行建模来创建逼真的动画：“应该有更简单的方法。”

他利用了这种直觉，用巧妙的数学来描述碰撞的柔性物体，这样只有接触的部分才需要详细计算。按照旧方法，制作 3,600 把逼真的草坪椅需要两个月的时间。詹姆斯只用了 10 个小时就完成了。动画电影《玩具总动员》和《超人总动员》的制作方皮克斯为詹姆斯提供了一些研究资金。

詹姆斯的动作速度几乎和他的动画一样快，他正在开展许多新项目。他想模拟更剧烈的碰撞以及动物等复杂物体之间的碰撞。所有这些都必须快、快、快。“加快这些基本事物的速度，”他说，“天空才是极限。”

—JR明克尔

内森·沃尔夫

约翰霍普金斯大学

他深入热带非洲寻找最新的疾病，以防它们入侵我们。

大多数研究新兴病毒的科学家都在实验室里辛勤工作。内森·沃尔夫与喀麦隆农村的猎人交朋友，说服他们将猎物的血液样本涂抹在滤纸上，并提供自己的血液样本。为了了解猎人如何感染疾病，他有时会陪他们进行长达数天的徒步旅行，涉过溪流，跟随他们在丛林中追捕野生动物。“跟上它们可能很难。它们行动迅速，”他说。

沃尔夫在乌干达读研究生时，观察了黑猩猩追赶猴子寻找食物的过程，他意识到猎人可以帮助他追踪病毒的起源。黑猩猩通过受伤和进食接触了猎物的血液，这可以解释为什么黑猩猩 SIV（大流行 HIV 的始祖）是两种猴病毒的混合体：黑猩猩从两种不同的猴子身上感染了这种病毒。由于 HIV 和埃博拉等人类病毒源自人与动物的接触，沃尔夫想知道非洲猎人是否会在无意中引发新的疫情，他们每次动刀都会暴露自己的风险。

为了进行调查，他和团队开着吉普车或徒步穿越喀麦隆的乡间小路，收集猎人及其猎物的血液。实验室对从猎人血液样本中提取的病毒 DNA 进行分析，证实了他的假设：存在多种非人类病毒，包括许多以前未被发现的与 HIV 属于同一家族的病毒。其中一种 HTLV-3 在非人类灵长类动物中有一个已知对应物，而 Wolfe 的团队认为另一种 HTLV-4 可能也有猿类类似物。并非所有病毒都具有流行潜力。但突变率高的病毒可能会迅速传播，首先感染猎人的家庭成员，然后感染附近城镇及其他地方的人们。“Nathan 的工作对于预测新发疾病可能发生在哪里具有重要意义，”Wolfe 的约翰霍普金斯大学同事 Don Burke 说。

35 岁的沃尔夫计划分析更多当地人的体液，比较猎人和非猎人的感染率，以更好地评估灵长类动物狩猎带来的传播风险。他还在喀麦隆建立诊所进行艾滋病疫苗测试。但他的最终目标是从一开始就消除新疾病。“卫生组织花费了这么多钱来应对流行病，”他说。“最好从一开始就防止它们发生。”

-伊丽莎白·斯沃博达

亚历克西斯坦普尔顿

科罗拉多大学博尔德分校

她探索炽热的海底火山，研究奇怪的金属咀嚼细菌

亚历克西斯·坦普尔顿关上冰箱门，把自己关在 50 度的茧中，然后从泡沫塑料冷却器中取出一根试管。“仔细看看，”她说。当她把试管举到灯光下时，几颗生锈的钉子颜色的固体颗粒滑入视野。“这些细菌的神奇之处在于它们能够仅通过氧化铁而存活，”她说。

尽管体型微小，但坦普尔顿实验室里的生物却非常顽强。它们在一度被认为不适合生命生存的环境中茁壮成长，比如海底火山的灼热喷口。这些不知疲倦的机会主义者从铁和玄武岩而不是碳中提取能量。34 岁的坦普尔顿在调查夏威夷附近的海底火山时首次了解到这些细菌在海洋中扮演的角色。当她看到火山矿物样本产生的不同寻常的化学特征时，她怀疑这是生物造成的。受此启发，她决定研究细菌如何影响周围环境的地质和化学性质，并评估它们的活动是否有助于维持关键的海底食物链。“我想知道它们如何获取生存所需的物质，以及这个过程如何影响海洋动力学，”她说。

邓普顿的探索通常需要她潜入海平面以下近一英里的地方，与其他几名研究人员挤在一艘五英尺宽的潜水器中。“你们都蜷缩在这些小长凳上，”她说。“外面是一个覆盖着橙色铁锈的世界。”海底大部分生命都以凝固的熔岩为生，熔岩是一种富含铁和锰的化合物，被称为火山玻璃。通过将 X 射线照射玻璃样本并读取返回的能量分布，邓普顿可以确定存在哪些细菌以及它们的新陈代谢如何改变玻璃。她发现了 40 多种新的金属和矿物质依赖性细菌；去年，她获得了首届罗莎琳德·富兰克林青年研究员奖。

坦普尔顿希望拓宽生命可能存在的地方的概念。例如，火星的红色是由富含铁的岩石造成的，这些岩石可能曾是依赖金属的生物的栖息地。“很长一段时间以来，我都想成为一名宇航员，”她说，“但我永远不想离开家人和朋友那么久。”她目前的工作让她在研究与火星接壤的生命形式时能够脚踏实地。
外星人。

-伊丽莎白·斯沃博达

霍普·贾伦

约翰霍普金斯大学

她从古树中提取秘密，揭示全球变暖现象

Hope Jahren 从 Ziploc 塑料袋中取出一块易碎的烟草色木块。“看起来像是海滩上的浮木，”她说。但她那纤细的手却告诉人们事实并非如此——它实际上是 4500 万年前的珍贵红杉化石。这块标本和 Jahren 实验室中冷藏的其他标本为一个重大谜题提供了线索：一片茂密的森林是如何在北极雪球的冲击下蓬勃发展的？

36 岁的 Jahren 已经被认为是一位大师，她通过仔细研究植物内部的碳、氧和氢，窥探地球气候历史的秘密。她所掌握的这项技术（称为稳定同位素分析）为人们提供了对始新世的深刻见解，始新世是 5700 万年至 3600 万年前的一个具有潜在教育意义的时期，当时全球热浪融化了地球上大部分的冰盖。这也为她赢得了赞誉。12 月，Jahren 将获得美国地球物理联合会久负盛名的 Macelwane 奖章，使她成为仅有的四位研究人员之一，也是唯一一位同时获得该奖章和另一项针对年轻地球科学家的令人垂涎的多纳斯奖章的女性。

为了工作，贾伦从波多黎各的雨林来到了距北极 700 英里的阿克塞尔海伯格岛。如今，阿克塞尔岛是一片冰川覆盖的地貌。然而，在始新世，这座岛屿是一座名副其实的伊甸园，到处都是鳄鱼般的野兽，长满了水杉和落叶针叶树。令人难以置信的是，岛上还留存着木乃伊树枝、球果和花粉。2003 年，贾伦对这些化石的分析表明，始新世阿克塞尔岛的状况是空气湿度增加的结果。

这一发现在今天尤其重要，因为水蒸气在全球变暖中的作用引起了激烈的争论。密歇根大学地球化学家菲利普·迈耶斯指出：“这是整个温室效应中难以预测的因素。”随着全球温度升高，更多的水会蒸发。一些模型预测增加的湿度将抵消温室气体的加热效应；其他模型则预测增加的湿度可能会放大温室气体的变暖效应。

贾伦更愿意把全球变暖的争论留给别人。她正忙于解决另一个阿克塞尔之谜：这样的森林是如何在一年三个​​月没有阳光的情况下生存下来的？“这相当于发现了可以在水下生活的古人类，”她说。

-迈克尔·斯特劳

玛丽亚姆·米尔扎哈尼

普林斯顿大学

她找到了描述神秘几何物体的新方法。

玛丽亚姆·米尔扎哈尼最喜欢的电影之一是《狗镇》 ，这部电影直面大萧条时期的美国。“这部电影没有墙壁，也没有布景。你必须自己填充很多东西，”她说道。米尔扎哈尼的电影品味反映了她研究的开放性，包括确定不寻常几何形状的特征。“有时我觉得自己身处一片大森林，不知道自己要去哪里，”她说道。“但不知何故，我来到了山顶，可以更清楚地看到一切。当这种情况发生时，真的很令人兴奋。”

28 岁的米尔扎哈尼在伊朗长大。高中时曾两次赢得国际数学奥林匹克竞赛，之后她进入德黑兰的沙里夫理工大学学习。1999 年，在哈佛大学，她攻克了一个让许多数学家都束手无策的难题：计算曲线模空间的体积——曲线是几何物体，每个点代表不同的双曲面。有些双曲面形状奇特，像甜甜圈或变形虫。数学家们一直在尝试计算这些形状的所有可能变体的体积。米尔扎哈尼找到了一种新方法，采用的策略是在形状的表面上绘制一系列环并计算它们的长度。

目前米尔扎哈尼的研究几乎没有实际应用，但如果宇宙被证实受双曲几何控制，她的工作将有助于确定其精确的形状和体积。克莱数学研究所所长詹姆斯·卡尔森说：“玛丽亚姆非常善于发现新的联系。她可以迅速从一个简单的例子转向一个深奥而全面的理论的完整证明。”

-伊丽莎白·斯沃博达

梅迪安·安德拉德

** 多伦多大学士嘉堡分校**

她仔细观察同类相食的蜘蛛，以了解性选择的扭曲网络。

如果你是一只雄性澳大利亚红背蜘蛛，生活就糟透了。哈氏红背蜘蛛不是唯一一种在交配后同类相食的动物（雌性在交配后立即吃掉雄性），但它可能是唯一一种雄性自愿将自己作为零食的物种。这种所谓的“牺牲式翻筋斗”发生在雄性将其一个精子转移器官插入雌性体内，然后向前“倒立”旋转，使身体悬在雌性的下巴上方。在雄性转移精子时，雌性（顺便说一下，雌性比雄性大 200 倍）会咬住它的臀部。如果幸运的话，它会活下来进行第二次交配。如果运气不好，那么它就无所谓了。

这些 S&M 节肢动物的科学倡导者是 35 岁的生物学家 Maydianne Andrade。Andrade 第一次遇到赤背蜘蛛时，她的研究生导师让她去珀斯研究它们。赤背蜘蛛的致命咬伤使它在澳大利亚的名声与黑寡妇在北美的名声一样臭名昭著。由于赤背蜘蛛是夜行动物，她大部分时间都在凌晨 2 点骑自行车前往研究地点，坐在蜘蛛网下几个小时，一只有毒的蜘蛛离她的脸只有几英寸。（她的父母非常担心她的安全，她不忍心告诉他们，她经常在酒吧关门后躲避在清晨街道上游荡的醉汉。）在大多数生物学家梦寐以求的科学成就中，Andrade 在还是一名研究生时就发现了一项非常不寻常的发现，以至于著名杂志《科学》发表了这项研究。她的研究结果是：尽管自杀似乎并不是传播基因的最好方式，但被伴侣吃掉的红背蜘蛛雄性实际上比未被吃掉的同类交配时间更长，因此生育的幼蛛也更多。

安德拉德的进一步研究证明，蜘蛛的交配仪式比表面上看起来还要复杂。雌性蜘蛛有时会在交配完成之前先吃掉吵闹的雄性蜘蛛。雄性蜘蛛在求偶期间，腹部会形成收缩，使它们能够在第一次交配中存活足够长的时间，以尝试第二次交配。安德拉德现在正试图开发赤背蜘蛛的 DNA 库。目前，不可能通过 DNA 测试蜘蛛幼崽的亲子关系，因此安德拉德最新的配偶选择和基因控制理论也无法通过 DNA 测试。

与她的测试对象不同，安德拉德和她的伴侣安德鲁·梅森合作得很好（他们有相邻的实验室；梅森研究寄生蝇和狼蛛的生物声学）。观察赤背蜘蛛似乎是一个不起眼的职业选择，但蜘蛛的生命周期具有更广泛的意义，因为几乎每种动物都会发生配偶选择和精子竞争。通过分析自杀、同类相食和其他反常行为，安德拉德说，“你可以测试极端行为的极限。”

-玛莎·哈比森

凯文·艾根

哈佛大学

凭借卓越的小鼠克隆技术，他现在正在研究人类疾病。

当凯文·艾根从小鼠克隆转向人类胚胎干细胞研究时，他的工作条件急转直下。不公开的电话号码、不确定的资金来源，以及遭到流氓抗议者伤害的微小可能性，都成为了他现在的工作条件，他的实验室隐藏在一扇没有标记的门后面。但 31 岁的艾根并没有被他选择的领域的政治漩涡所吓倒。事实上，残酷的高风险吸引着他。他解决棘手的克隆问题的诀窍可以帮助治疗帕金森氏症、阿尔茨海默氏症和糖尿病等疾病，这个想法太诱人了，让人无法忽视。“它只是逐渐演变成一种明显的感觉，这个曾经是智力追求的东西真的有机会帮助人们，”他说。

1998 年，第一只克隆哺乳动物多莉诞生数月后，艾根开始在麻省理工学院读研究生。在克隆技术尚未完全被理解之前，他立即着手掌握这项精细的克隆艺术。“凯文不会浪费时间去做琐碎的事情，”多莉的创造者之一、新加坡 ES Cell International 首席执行官艾伦·科尔曼 (Alan Colman) 说。将成体细胞的 DNA 植入已去除自身遗传物质的卵子中，然后诱导其发育成生物，这需要钟表匠在操作头发丝般粗细的钟表时所付出的疯狂努力。“我把自己锁在没有窗户的房间里，用显微镜工作了一年，每天都在做这件事，”艾根说。

去年，埃根利用人体中最为专业的细胞类型之一——嗅觉传感神经元，完成了一项极端的克隆。在用荧光蛋白标记神经元后，他培育出了活体小鼠，小鼠体内的每个细胞都是亮绿色，这证明即使是最为专业的细胞也可以被重新编程，作为新克隆动物的基础。

现在，埃根计划利用帕金森患者捐赠的细胞制造人类胚胎。从这些胚胎中收集的干细胞将帮助他揭示这种疾病的细胞机制。一些宗教团体反对这项研究，因为提取干细胞会杀死一个五天大的胚胎，他们认为这等同于夺走生命。但埃根相信，随着人们更好地了解其益处，对他的工作的政治反对将会消退。他观察到，对于生命何时开始并没有道德共识，“但全世界在帮助病人方面存在道德、宗教和哲学共识。”

-劳里·戈德曼

約翰·克羅克

宾夕法尼亚大学

他在显微镜下刺激细胞以确定是什么促使它们运转。

约翰·克罗克职业生涯的大部分时间都在研究他喜欢说的“黏糊糊的、黏糊糊的东西”——业内称之为软凝聚态物质。这听起来可能很恶心，直到你意识到克罗克研究的并不是任何黏糊糊的东西。他研究的是最重要的黏糊糊的东西：活细胞。

具体来说，克罗克正在尝试了解这些柔软的团块感知和响应周围环境的能力。“我们倾向于将细胞视为化学物质的袋子，”他说。“但它们的传感器官比我们认为的要复杂得多。” 2000 年，克罗克发明了一种测量技术，帮助他和其他人探究这一谜团。哈佛大学物理学家戴维·韦茨说，这一进步“彻底改变了整个领域。”

科学家们最近才开始意识到细胞对外力的反应。子宫里的肌肉细胞在胎儿成长时被拉伸，从而引发分娩。骨骼中对重力敏感的成骨细胞会在体重增加时产生骨骼。但细胞如何将身体感觉转化为化学信号呢？专家们怀疑秘密就在于支撑细胞内部的复杂蛋白质支架——细胞骨架。

这就是克罗克的方案发挥作用的地方。他将活细胞放在装有高速摄像机的显微镜下，跟踪数百个微米大小的脂肪颗粒在细胞内飞来飞去。这是一项棘手的工作；沉重的脚步声可能会影响读数。但追踪细胞内的颗粒被认为是观察细胞骨架在压力下如何变形的最准确的非侵入性方法。

37 岁的克罗克表示，他的研究“提供了一些非常重要的线索”，表明细胞骨架中的某些支柱在受到外力时会弹开，从而起到信号传递的作用。他的发现可能会影响组织工程和癌症检测等截然不同的领域。克罗克的职业生涯始于研究晦涩难懂的亚原子粒子，他说解决与现实世界相关的问题令人耳目一新：“不一定是你能在保险杠贴纸上解释清楚的东西。但我不想陷入迷茫。”

-迈克尔·斯特劳