2014：科学年

激光释放大量太空数据

2013 年 1 月，月球勘测轨道飞行器收到了具有历史意义的传输：一幅蒙娜丽莎的图像。这是科学家首次使用激光向月球发送数据，这一壮举有望成倍增加往返太空的信息流。

过去 50 年来，航天器一直依靠无线电波与地球通信。但无线电有局限性。无线电波非常拥挤。信号会随着距离的增加而衰减，因此传输需要耗电的发电机和大型天线。聚焦激光的波长比无线电短 10,000 倍，每秒可以发出更多的波，也就是更多的信息。激光可以在很远的距离内保持信号强度，因此发射器需要更少的功率。而携带较小接收器的航天器的发射成本会更低。

10 月，月球大气和尘埃环境探测器（Ladee）进行了另一次成功测试，它在三个不同的地球接收器之间发射了包含高清视频的激光脉冲。欧洲航天局于 7 月发射的 Alphasat 将使用激光中继其他地球观测卫星的数据。NASA 工程师已开始构建下一代系统——激光通信中继演示系统，该系统将于 2017 年发射。

如果太空激光通信能够成功（而且几乎没有理由相信它不会成功），那么它可能会改变人类探索太阳系的方式。探测器可以携带额外的工具并传回更复杂的数据。高清视频流可以让科学家像在地球上一样追踪土星上的风暴。宇航员可以通过 Skype 回家。戈达德太空飞行中心激光中继团队首席研究员戴夫·伊斯雷尔 (Dave Israel) 这样说道：“这种飞跃相当于从拨号互联网到高速进入您家中的飞跃。”——丽贝卡·博伊尔

2014 年 1 月 20 日

在这一天，罗塞塔号太空飞船将从超过 42 个月的深空休眠中苏醒，开始对彗星进行最详细的研究。8 月，它将抵达 67P 彗星，11 月，它将部署一个探测器降落在彗星核心上。

计算机解码我们的大脑

2013 年 10 月 7 日，在瑞士洛桑联邦理工学院，历史上最雄心勃勃的大脑研究项目之一正式启动。这项由 12 亿欧元和 250 多名研究人员资助的人脑计划旨在创建第一个完整的人脑计算机模拟。在十年的时间里，我们对大脑生物学的所有了解都将被建模。最终，虚拟神经元甚至会接受虚拟药物的治疗。

人类大脑计划是大脑研究领域中规模更大、跨学科研究浪潮中的一个组成部分，它吸引了工程师、数据理论家和其他非神经科学家参与各种研究。在美国，政府主导的大脑计划计划推出自己的“第一”成果：绘制所有大脑活动的详细地图。未来，这项计划的潜力从近乎诗意的领域（观察活动在多个神经元回路中流动时记忆的形成过程）到临床应用，例如一种可以直接改变这些回路的设备，可能用于诊断和治疗疾病。2014 年启动的其他项目包括宾夕法尼亚州立大学牵头的一项为期五年、由八个机构参与的计划，该计划旨在用硅片模拟视觉皮层。

洛克菲勒大学的神经学家 Cori Bargmann 解释了为什么这些项目突然受到关注。她说：“我们现在拥有计算和统计工具，可以理解数十亿个神经元，每个神经元在复杂的时间尺度上处于活跃和不活跃状态。”因此，虽然 2014 年不会是大脑被完全映射、模拟或劫持的一年，但它将是实现所有这些目标（以及更多目标）真正开始的一年。– Erik Sofge

止痛药打击行动

今年，对维柯丁和洛赛克等麻醉性止痛药的严格管制将开始生效。这些规定旨在减少滥用和过量用药导致的死亡人数，自 1999 年以来，美国此类死亡人数增加了三倍。

急救机器人对决

2014 年 12 月，来自大约十几个队伍的自主机器人将参加 DARPA 机器人挑战赛的最后一场赛事，在模拟灾难中执行救援行动。

如何拆除化学武器

今年，美国陆军将建造移动式净化实验室，称为“现场部署水解系统”（FDHS），可以快速中和沙林等大量化学武器。这项技术对于叙利亚这样的国家尤其有用，因为叙利亚没有适当的设施来销毁其化学武器库存。

第一步：在实验室的钛罐中用水稀释一定量的化学武器战剂，然后添加漂白剂（次氯酸钠）和碱液（氢氧化钠）。

第二步：将混合物加热至沸腾状态，持续三个小时。在此期间，漂白剂、水和碱液将水解 99.9% 的化学药剂。

第三步：将副产品转移到油罐车中，运送到常规危险废物处理设施，在那里进行进一步处理。

无人机获得绿灯

家用无人机时代将于今年年底正式开始。届时，美国联邦航空管理局 (FAA) 将发布一项草案，规范在美国领空使用重量低于 55 磅的无人机，这一类别包括大多数商用机型。但这些设备将在此之前上空飞行。计划于 2014 年进行的飞行测试将决定未来数年甚至数十年的无人机未来。

截至发稿时，来自 24 个州的团队正在竞相争夺六个经批准的测试场地，无人机模型和飞行协议将在这些场地接受评估。尽管联邦航空管理局的初步指导方针预计将有严格限制——可能要求飞行员和无人机系统 (UAS) 之间保持视线一致，飞行高度不得超过 400 英尺——但这些场地的测试将探索更雄心勃勃的功能，包括自主感知和避让系统，该系统将允许无人机在更高的高度飞行，与载人飞机共享空中空间。

与此同时，美国联邦航空管理局已经批准了数百个警察局、公立大学和其他申请者以非营利身份进行无人机飞行。北卡罗来纳州立大学下一代航空运输中心主任凯尔·斯奈德表示，随着像他这样的中心继续为无人机研究人员和美国联邦航空管理局收集测试数据，无人机活动将在 2014 年达到前所未有的水平。这对农民、房地产经纪人和其他任何希望获得廉价航拍镜头的人来说都是个好消息。对于那些仍然害怕机器人飞越的人来说，入侵已经发生了。——埃里克·索夫格

气候优先

“今天，我们应该把减少碳排放作为增加就业和增强经济的一种方式。让我们把它当作一生难得的机会。因为如果不这样做，许多人的一生都将面临危险。”

— 吉娜·麦卡锡，环境保护署署长（2013 年 7 月任命）

名人前往太空

维珍银河计划于 2014 年开始商业运营，将付费乘客（包括流行歌星凯蒂·佩里）送往太空边缘。

好奇号探索火星盖尔陨坑夏普山

如何建造冰墙

日本福岛

去年 8 月，东京电力公司承认，地震中受损的福岛核电站的一个储罐向地下泄漏了 300 多吨污染水。为了防止地下水将污染水带入海洋，东京电力公司于 2014 年宣布计划建造一道地下冰墙。

第一步：在发电厂周围的地面上安装相距三到五英尺的管道。

第二步：将冷冻冷却剂（氯化钙盐水）泵入管道，并通过冷冻站不断循环。

第三步：每根管道接头周围的地面都会结冻，形成一堵冰墙，阻挡水流。

癌症诊断变得更微创

癌症带来了许多令人困扰的问题，首先就是诊断。组织活检是大多数癌症的唯一可靠检测方法，具有侵袭性且疼痛，并且可能导致感染。而且，活检往往在症状出现后进行，这通常为时已晚。一种新的诊断工具可能会使某些疾病的识别变得容易得多。

在体内，被称为外泌体的微小囊体会通过血液、尿液和唾液等体液传播。它们在细胞之间运送遗传物质和蛋白质，在细胞通讯中发挥重要作用。“我们喜欢把它想象成人体的联邦快递系统，”Exosome Diagnostics 首席执行官 James McCullough 说道。

McCullough 的公司开发了一种测试来捕获这些信使并分析它们所含的 RNA，标记出表明存在恶性细胞的突变。另一家公司 Caris Life Sciences 则在外泌体表面寻找与某些肿瘤相关的蛋白质。这两家公司都在竞相于 2014 年推出首个商业外泌体测试——外泌体诊断用于前列腺癌，它通过分离尿液中的外泌体来识别前列腺癌；Caris Life Sciences 用于前列腺癌和乳腺癌，它通过血液测试来检测前列腺癌和乳腺癌。

重要的临床研究也正在进行中。Exosome Diagnostics 的技术已显示出检测血液中指示脑癌的突变的前景。今年，18 家医疗中心正在进一步评估该方法。Exosome Sciences 的研究人员将开始早期临床研究，使用从尿液中分离出的外泌体检测 HIV 和乙型肝炎和丙型肝炎。

该技术的潜力巨大。淋巴瘤、肺结核和帕金森病都是潜在的诊断目标。外泌体测试还可用于追踪疾病进展并监测治疗效果。– Cassandra Willyard

Sally Jewell，@SecretaryJewell，2013 年 10 月 29 日

科学预算仍然较少

美国

2013 年联邦政府用于基础研究和开发的资金比上一年下降了 8%，比 2010 年的峰值下降了 16%。国会 2014 年的预算并没有恢复多少，而预算封顶可能会使未来十年的资金紧张。美国科学促进会预算项目主任马特·胡里汉 (Matt Hourihan) 表示，由于研究经费越来越难获得，美国的科学——以及由此产生的创新和增长——可能会放缓。

*科学预算数据由美国科学促进会提供。所有金额均根据通货膨胀进行了调整。2013 年的数据为估计值，2014 年的数据为拟议预算。不包括众议院 2014 年拨给国立卫生研究院的资金，该资金在本期发稿时尚未公布。

四项新研究探讨了新生儿基因组测序带来的医疗益处和实际困境

“这些拨款将使我们能够在广泛应用之前收集有关该测试的伦理、法律和社会影响的信息。目前尚不清楚患者或提供者将如何处理这些信息。”

— 辛辛那提儿童医院医疗中心伦理中心主任阿曼德·安托马里亚

风能向海上转移

多个项目正在竞相成为美国首个海上风电场，其中包括 Cape Wind（位于马萨诸塞州楠塔基特湾）和 Deepwater Wind（靠近罗德岛州布洛克岛），它们计划于 2014 年开始建设。

专为比特币创建的几只新基金使机构投资者能够购买和交易数字货币的股份

“我们正在接近一个转折点。比特币成功的催化剂可能是监管的明确性、重大风险投资、中国等大国的支持，或投资者可及性的提高。”

—运营比特币投资信托的 SecondMarket 创始人兼首席执行官 Barry Silbert

物理学家创建防间谍代码

今年对于隐私保护来说并不是一个辉煌的一年。美国国家安全局大规模监视行动的曝光凸显了对更好数据安全性的迫切需求。量子密码学的最新突破可以提供这样的安全性：不再局限于实验室或工业级价格的防间谍加密。

量子密钥分发 (QKD) 是一种本质上牢不可破的加密协议，它利用了量子物理学最令人头晕目眩的原理之一——只需观察信息就能改变信息。在基于 QKD 的系统中，随机生成的密钥被编码在光粒子上，并通过光纤电缆共享，然后用于加密敏感数据。任何在途中检测密钥的尝试都会改变其光子，表明传输已被拦截，需要新的密钥。

到目前为止，QKD 仍受制于光纤网络。它还需要大型发射器和探测器，但现在研究人员正在努力使它们小型化：诺基亚和英国布里斯托尔大学正在合作开发一种小到可以装进手机的量子源，而安大略省滑铁卢量子计算研究所的物理学家正在开发可以将编码光子发射到全球各地的微型卫星。

QKD 发展势头最强劲的可能是 GridCOM Technologies，该公司计划于 9 月在圣地亚哥推出首个商用量子加密数据网络。尽管该公司最初的重点是保护基础设施——该网络将保护该市部分电网免受网络攻击——但 GridCOM 联合创始人、前橡树岭国家实验室物理学家 Duncan Earl 希望将网络扩展到适合手机和个人电脑的更大带宽。Earl 说：“五年后，这项技术将无处不在。我们即将进入加密时代。我们必须拥有它，以支持我们创造的世界。”—— Erik Sofge

传染病再度出现

1900 年，美国传染病死亡率是今天的 40 倍。尽管上个世纪取得了进步，但一些疾病已经开始卷土重来。疾病控制中心主任汤姆·弗里登 (Tom Frieden) 表示：“我们正面临一场完美的脆弱风暴。”他指出，旅行和食品贸易的增加、未能接种可预防疾病的疫苗以及抗生素管理不善是导致这一现象的原因。

百日咳在美国的发病率不断上升，原因有几个。首先，20 世纪 90 年代采用的疫苗比之前的疫苗效果更差。美国诊断检测的改进也可能是导致百日咳发病率上升的原因之一。

2000 年，美国已消灭麻疹，但未接种疫苗的人在国外感染这种传染性极强的疾病时，麻疹病例仍时有发生。当受感染的旅行者返回未接种疫苗人数相对较多的地区时，疫情最为严重。

随着淋病对更多抗生素产生耐药性，可用于治疗淋病的药物越来越少——尽管美国目前还没有一例治疗失败的病例。尤其令人担忧的是这种细菌的长期记忆性：即使不再开出某种药物，它仍然会保留耐药性。

环境保护基金组织的 16 项研究将确定天然气生产和分配对气候的影响

“如果我们想减少温室气体排放，我们需要了解其来源，包括天然气供应链中的甲烷，以及减少泄漏的选项。如果没有数据，你就无法实现这两个目标。”

— 史蒂文·汉堡 (Steven Hamburg)，环境保护基金首席科学家

本文最初刊登于《大众科学》2014 年 1 月刊。