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科学动态
科学动态:2010年7月18日前转载各网站及杂志内容

《自然》:质子半径可能比以前认为的要小4%
如获证实,将把粒子物理理论 带入新领域

据美国物理学家组织网7月8日(北京时间)报道,科学家在最新出版的《自然》(Nature) 杂志指出,质子的半径比以前认为的要小4%。如果这个结论在未来进一步获得证实,那意味着,要么阐释光和物质相互作用的量子电动力学理论本身有问题,要么 许多基于现有质子大小计算所使用的里德伯常量(原子物理学中的基本物理常量之一,为一经验常数)是错误的。不管是何种情况,都意味着我们需要重写基础物理 理论。 一个由德国马克斯·普朗克研究所的伦道夫·波尔领导、有32名科学家参与的国际研究团队 表示,他们的最新实验将精确度提高了10多倍,结果表明,质子半径要比以前认为的小4%。或许,用来计算质子大小的里德伯常量将失去价值,如果出现这种情 况,其他基础的计算也都要重新修订。 质子是带正电荷的基本粒子,它同中子和电子一起,组成了宇宙的基本元件——原子。几十年 来,粒子物理学一直使用由一个质子和一个电子组成的氢原子作为基准来测量质子大小。

在实验中,科学家使用μ介子取代氢原子中的电子。μ介子是一种带负电、质量为电子207 倍的基本粒子,由于其质量比电子大许多,所带的负电可以屏蔽原子核的正电,所以,它能够同原子核更接近,发生的作用力更大,让科学家能够更精确地探测质子 的结构。 另外,μ介子以不同的能量状态存在,能量状态会影响其围绕质子旋转的方式,同时,质子的 大小也会影响这些能量状态,也会影响让μ介子从一种能量状态跃迁到另一种能量状态所需的能量。 为了测量质子的大小,研究人员精确地让一束激光束对准包含了μ介子的氢原子,刺激μ介子 从一种能量状态跃迁到另外一种能量状态,最终,研究人员精确地找到了他们正在寻找的跃迁,也测算出了质子的大小。英国国家物理实验所的杰夫·弗劳尔斯表示,如果该研究获得证实,其意义可能要远远大于耗 资100多亿美元的欧洲粒子物理研究所正在进行的测试所谓“标准模型”的对撞,将会把粒子物理理论带入新的领域。

法国巴黎第六大学卡斯特勒·布罗塞尔实验室主任保罗·印第里卡托指出,现在很多理论学家 准备重新进行演算,另外,还需要更多的实验来证实或者推翻新的结论。在接下来的两年内,该研究团队将使用同样的设备,使用含有μ介子的氦原子再进行一次实 验。不管结果如何,都说明物理学还蒙着很多神秘的“面纱”,需要人们逐一揭开。

12件可能改变未来大事:人造生命到致命病毒

一些自然或者人为的事件有可能突然发生,彻底改变我们这个社会。
●这些事件中有许多将不会如公众期待的那样“顺利”发展。

科学研究不仅扭转了我们对宇宙及我们在宇宙中所处地位的认识,还帮助我们理解并处理一些超出我们控制的变化。相对论、自然选择、微生物理论、日心说 (heliocentrism)以及对自然现象的其他解释,已经重塑了人类的智力与文化;互联网、形式逻辑(formal logic)、农业以及车轮等多种多样的发明,也会起到同样的效果。

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对人类而言,未来有哪些令人瞩目的事件将会发生呢?我们挑选出12个可能发生的重大事件,并评估了它们在2050年前发生的可能性。其中一 些无疑会 让我们恐慌,比如导致物种大灭绝的小行星撞击、发动战争的智能机器,还有弗兰肯斯坦的科学怪人(Frankenstein’s monster)。然而经验表明,许多事件的发展往往和人们事先的设想不同。实际上,对同一件事,一些人可能会觉得平淡或失望,而另一些人则可能觉得新鲜 或振奋。不过有一点是肯定的:它们都具备足够的“杀伤”力,可以永久改变我们对于自身的认识,并颠覆我们的生活方式。

1.克隆人

有可能

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克隆人

克隆人的过程困难重重,但它的诞生似乎已是必然。

撰文 蔡宙(Charles Q. Choi)

翻译 致桦

从1996年多利羊诞生之日起,克隆人的诞生似乎就已经不可避免了。但迄今为止,除了信奉UFO的邪教组织支持的一家公司曾号称实现了克隆人,还没 有社会认可的人类克隆记录——当然,自然诞生的同卵双胞胎除外。尽管其他哺乳动物的克隆研究已经捷报频传,但事实证明,克隆技术应用于人类时,要困难得多。

科学家用体细胞的细胞核取代卵子中的细胞核,就能克隆出一个细胞。目前他们已经能够克隆出人类胚胎,但这些胚胎最多只能顺利发育成所谓的“桑椹胚”(morulas),也就是一个由细胞组成的实心球。还没有克隆人类胚 胎能够活过这一早期阶段——这是因为转移细胞核的行为可能会破坏细胞分裂时染色体正确排列的能力。美国马萨诸塞州伍斯特市先进细胞科技公司 (Advanced Cell Technology)的罗伯特.兰扎(Robert Lanza)说:“无论什么时候,想克隆一个新物种,总要经历一个学习过程。对克隆人类而言,得到足够多的高质量卵子用于试验是一个大难题。”兰扎曾在 2001年首次成功克隆人类胚胎,因此大出风头。克隆的某些步骤格外棘手,需要反复尝试才能掌握——包括确定能让细胞恰当重编程的最佳时机及化学品混合配 方。

就算有了实践经验,克隆出的动物中仍有大约 25%存在明显生理缺陷。兰扎指出,重编程、细胞培养及胚胎处理过程中的“差之毫厘”,都会导致发育结果“谬以千里”。他认为,克隆人类的尝试风险极高, 这就“如同让婴儿乘坐有一半爆炸几率的火箭发射升空”。

即便技术上能够做到万无一失,伦理问题也依旧无法回避:在某人不知情或违背他意志的情况下,能否对他进行克隆?而在另一方面,克隆体的人生可能会更 加完美,因为他可以“吸取”母体的经验教训,美国哈佛医学院的分子技术专家乔治.M.丘奇(George M. Church)说:“如果我到 25岁才发觉自己有一双音乐家的耳朵,却没有接受过任何音乐训练,我就可以告诉自己的克隆体,5岁时就开始学习音乐。”

有可能被克隆的人类或许也并不仅限于智人(Homo sapiens)。科学家可能很快就会完成尼安德特人基因组全部序列的测序工作。丘奇表示,尽管在化石形成过程中 DNA会受损,但一块完好的化石仍能提供足够多的分子,用以获取一个可克隆的基因组。考虑到子宫环境与妊娠期等因素可能不匹配,与常规克隆相比,让已灭绝 物种的克隆体在现代物种体内孕育是更大的挑战。迄今为止,仅有的一次尝试是克隆一种西班牙野山羊(bucardo,于2000年灭绝),但克隆体在出生后 不久就因肺部缺陷死亡了。

在美国,并非所有的州都禁止人类的生殖性克隆。联合国对此颁布了一项无约束性禁令。兰扎推测,如果克隆人真的诞生了,它也将“出现在世界上管制措施 比较薄弱的地区——很可能是由某个富有且古怪的人完成的”。一旦克隆人成为现实,我们是在恐惧中畏首畏尾,还是像对待体外受精(in vitro fertilization)那样逐渐接受呢?可以肯定的是,对创造生命新方式的开发将促使我们思考,掌握了威力如此巨大的科学力量后,随之而来的责任是 什么。

2.隐藏的维度

50%的实现可能

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隐藏的维度

世界上最大的粒子对撞机或能揭示更多的空间维度。

撰文 乔治.马瑟(George Musser)翻译 庞玮

想不想把手伸进第四维空间?在那里你能挣脱三维几何的枷锁。乱如麻的各种线缆从此不再让你绝望;宠物狗咬坏了你的右手手套,你可以把左手的翻过来给 右手戴;牙医不需要在牙上钻孔,甚至不需要你张嘴,就可以完成根管治疗。

额外的维度看起来确实神奇,而且它们可能真的存在。从相对较弱的引力(引力是 4种基本相互作用力中最弱的一种),到看起来各不相同的粒子和作用力之间的深层联系,这个世界的众多谜团都让人觉得,我们所认识的宇宙只不过是一个更高维 实在的投影。果真如此的话,瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)将粒子撞碎而释放出的能量,或许就足以使粒子脱离三维空间的束缚,让我们一窥神奇的高维世界。

美国麻省理工学院的宇宙学家马克斯.泰格马克(Max Tegmark)说,若能证实额外维度的存在,“目前对‘实在’的所有认识将被颠覆”。他曾在 1990年编写过一个四维空间版的俄罗斯方块游戏,用来体验额外维度是个什么样子。(游戏中你要同时在四维空间的各个不同三维切片中控制下落的方块。)

在现代物理学理论中,额外维度的主要理论基石是超对称(supersymmetry)概念,它试图将各种不同类型的粒子统一在一个大家庭里。要实现 这种统一,超对称需要空间总共具有 10个维度。我们之所以觉察不到三维之外的其他维度,要么是因为这些维度非常细小,要么是因为我们本身被限制在一个三维的膜上,犹如趴在叶片上的一条毛 虫,只能在叶片上爬来爬去。

当然,不是所有的大统一候选理论(unified theory)都要求有额外维度。所以能否发现这些维度就将成为一个分水岭。“这能让我们集中在最有可能的理论上,”以研究三维膜理论而闻名的哈佛大学物 理学家莉萨.兰多尔(Lisa Randall)说。增大粒子加速器的能量是接触这些额外维度的方法之一。按照量子力学定律,一个粒子能量越高,它的尺度就越小,1 TeV(1012电子伏特)对应的尺度大约是 10-19米,如果某个额外维度有这么大,这个粒子就会落入这个维度,并开始振荡。

1998年,美国密歇根大学安阿伯分校的物理学家戈登.凯恩(Gordon Kane)猜想,两个质子在 LHC中对撞产生出电子和其他粒子,它们的能量既有可能是1TeV,也有可能是 1TeV的整数倍,例如 2TeV或 3TeV。如果观察到了这种能量倍增现象,这就说明撞击导致了粒子在额外维度中发生振荡。除此之外,不论是常规的粒子过程,还是暗物质粒子之类的奇异过 程,都无法作出解释。

额外维度还可能通过其他方式暴露踪迹。如果 LHC制造出了亚原子尺度的黑洞,就能直接证明额外维度存在,因为三维空间中的常规引力在如此之小的尺度上极度微弱,根本无法产生黑洞。由于几何上的原 因,额外维度可能增强引力的作用,也有可能改变电磁力等其他基本力在小尺度范围内的作用方式。额外维度还决定了超对称性如何发挥作用,从而有可能在粒子的 质量和其他性质中留下独特的印迹。除了LHC,测量引力强度、观测黑洞或爆炸恒星运行轨道等其他手段,或许也能帮助科学家找到额外维度的蛛丝马迹。

一旦发现额外维度,面临变革的不仅有物理学,还有与之相关的所有法则。额外维度或许可以解释宇宙加速膨胀之类的一些谜题,甚至可能成为重新定义整个 维度概念的序幕——因为它进一步强化了科学家日渐萌生的一个猜测:这个世界本质上既不存在空间也不存在时间,空间和时间都是从一些物理学原理中涌现而来 的。

“因此,尽管额外维度会是一个让人震惊的发现,”美国新泽西州普林斯顿高等研究院的物理学家尼马.阿尔坎尼-哈米德(Nima Arkani-Hamed)说,“但在更深的层次上,额外维度的概念并非特别基本。”

虽然额外维度对物理学家来说魅力无限,作为普通人的我们却永远无法造访。如果构成我们身体的粒子可以随意造访这些维度,额外的运动自由度会使包括生 命在内的复杂结构变得不再稳定。杯具啊,绞成一团的耳机线和疼痛难忍的牙钻孔,竟然是为了保证我们得以存在而必须付出的代价。

3.人造生命

极有可能

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人造生命

合成生物学(synthetic biology)能够改造有机体,但它能赋予无生命物质生命吗?

撰文 戴维.别洛(David Biello)翻译 致桦

一位科学家将少量无机化合物添加到冒着气泡的烧杯中,然后摇了一摇。瞧,微妙的反应发生了,新的生命形式自行组装而成,马上就能够繁殖生长。上述场 景就是对合成生物学或实验室中创造生命的通俗想象。

不过,该领域的研究者对给无生命物质赋予生命并无兴趣。事实上,无生命的化合物在没有指导的情况下如何自组装形成有生命且可自我复制的细胞,科学家 对这些基本过程仍知之甚少。在 1952年著名的米勒-尤列(Miller-Urey)实验中,二人以原始大气为原料制备得到了氨基酸,但这一实验难以重复。

如今的合成生物学,更侧重于修改现有的有机体。合成生物学可以被视作加强版的遗传工程:合成生物学家所做的,不仅仅是替换一个基因那么简单,而是修 改一大段基因,甚至整个基因组。DNA的改变可以迫使生物体大量合成化学物质、燃料,乃至药物。“他们的工作就是从零开始构建出生命指令,并将这些指令加 入到某些已经存活的生物体中,取代原有的指令, ”美国斯坦福大学的生物工程学家德鲁.恩迪(Drew Endy)解释说,“合成生物学为生命在世间的散播定义了又一条途径。从此,生命无须再直接从父母那里遗传了。”

就这一点来说,一些科学家认为,用人造细胞去复制现有细胞是没有任何道理的。美国哈佛医学院的遗传学家及相关技术研发者乔治.M.丘奇 (George M. Church)就主张:“与其造出一个与现有细胞非常相似的细胞,还不如直接利用现有细胞。”

合成生物学实际上就是把大规模工程学引入生物学领域。设想这样一个世界:无需机械或人工的手段编织椅子的外形,经过编程的竹子就可以长出椅子来;自 组装的太阳能面板(即经过改造的树叶)可为房屋供电;树木的根部可以分泌柴油燃料;经生物工程改造的生物系统在气候变化的条件下同样能茁壮成长,有些还能 用于清除污染;重编程后的细菌甚至能够潜

入人体内,在我们的机体内部汇集成一支治疗疾病的医生大军。

丘奇主张:“总体说来,任何能制造出来的东西都可以用生物学的方法来生产。”合成生物学在小规模水平上已经付诸实用:从耐高温微生物体内提取的、常 用作洗衣粉添加剂的酶,经过改造已经能够在冷水中发挥效用,因此可以节约能源。

合成生物学“将彻底改变未来 100年内我们制造任何东西的方式”,美国华盛顿特区伍德罗.威尔逊国际研究中心(Woodrow Wilson International Center for Scholars)科学、技术与创新计划主管戴维.雷赫斯基(David Rejeski)预言:“我们能够在生物学相关尺度上设计物质,如此巨大的变革可以与 19世纪的工业革命相媲美。”

宏伟的前景也会带来巨大的风险——实验室中经改造的有机体可能逃逸。目前绝大多数的人造有机体还比较脆弱,尚无法在野外环境中生存。针对未来更加成 熟的人造有机体,合成生物学家期望能够制定出多种形式的安全保护措施,诸如严格监管、在新的遗传密码中嵌入某种自毁序列等。由于科学家能够在基因水平上完 全重塑有机体,他们有办法让人造有机体与自然系统隔离开——恩迪说:“我们能让它们快速失去活性。”

虽然如此,一些科学家仍在尝试真正的再造生命。美国 J.克雷格.文特尔研究所的卡罗尔.拉蒂格(Carole Lartigue)、汉密尔顿.史密斯(Hamilton Smith)与同事已经从零开始合成出了一个细菌的基因组,甚至将一种微生物转变成了另外一种(参加第 34页《“人造生命”背后》一文)。其他地方的科学家已经构建出了人造细胞器(organelle),甚至还成功制造出一种全新的细胞器——合成体 (synthosome),用于制造合成生物学所需的酶类。从零开始制造生命或许即将实现。

这样的科学壮举并不意味着科学家已经理解了生命最初诞生的方式,却激起了一些人士的担忧,他们认为人不应当拥有神一般的能力。不过,创造生命还可能 让我们变得更加谦逊,因为它会改变我们对于与我们相伴的生命形式的理解。“好处将是,与分子水平上的生命合作重建我们的文明,可持续地生产我们需要的物 质、能量及原料,”恩迪说,“我们将与地球上的其他生命形成一个合作的平衡,实现的方式与目前人类和自然的相互作用方式截然不同。”

4.室温超导体

50%实现可能

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超导现象(新浪科技配图)

如果它们存在,电网将会彻底改变。

撰文 迈克尔.莫耶(Michael Moyer)翻译 庞玮

火力发电厂可以建造在任何地方,但利用可再生能源的绿色电厂就要谨慎选址了,因为高原上才有强劲的风,沙漠中方能长沐日光,因此要向绿色能源转变, 我们面临的最大挑战之一,就是如何跨越数百千米的距离,将这些来自偏远之地的电力输送至城市。

最先进的超导电缆可将电能输送几千千米而仅有百分之几的损耗。但麻烦的是,电缆必须一直浸在77K(约 -196℃)的液氮之中。因此,如果要架设这样的电缆,每隔一千米左右就必须安装泵机和冷却设备,大大增加了超导电缆方案的成本和复杂程度。

能在常温常压下工作的超导体,将使全球化电力供应梦想成真。通过横穿地中海底的超导电缆,非洲撒哈拉沙漠的太阳也可以给西欧供电。然而,制作室温超 导体的秘诀至今依然成谜,与 1986年时没有什么两样——研究人员就是在那一年,首次制备出了可在相对“高温”的液氮中实现超导的物质(此前的超导体需要冷却至 23K以下)。

2008年,一大类以铁元素为基质的全新超导体(铁基超导体)被人发现。理论学家能够找到高温超导体工作机制的希望也因此而大增(参见《环球科学》 2009年第 8期《高温超导“铁”的飞跃》)。如果掌握了这一机制,室温超导体也许就不再遥不可及。遗憾的是,目前进展仍很缓慢。

5.机器的自我意识

有可能

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电影《机械公敌》海报(新浪科技配图)

机器人掌管世界会怎样?

撰文 拉里.格林迈耶(Larry Greenemeier)

翻译 崔琳琳

能够自我复制、自我学习、适应不同环境的高智能计算机和机器人,一旦出现必将改变世界,对于这一点,人工智能研究者深信不疑。引起争议的原因是这样 一些问题:这一切会在何时发生,影响会有多深远,人类应该如何应对。

今天的智能机器大都是设计用来在已知条件下完成特定任务的。不过,未来的智能机器将拥有更多自主性。美国康奈尔大学机械电脑工程师霍德.利普森 (HodLipson)说:“我们想让机器去完成的任务越复杂,就越是需要它们能够自己照顾自己。”利普森指出,我们越是无法预见问题,就越需要机器能够 自己适应环境变化并自行作出决定。利普森说,随着机器越来越懂得如何学习,“我觉得它们终将走上意识和自我觉醒之路”。

虽然神经科学家对意识的生物学基础一直争论不休,但系统复杂度似乎是关键因素之一,这就暗示,拥有高级软硬件配置的自适应计算机有朝一日或许会自我 觉醒。如果《终结者》之类的电影预言正确的话,有一种方法会让我们意识到机器已经获得了意识,那就是它们突然向人类发动战争。专家认为,我们很有可能会看 到这一幕的发生。

电影中的这一构想,来源于对人类自身的观察。美国伦塞勒理工学院(Rensselaer Polytechnic Institute)的逻辑学家和哲学家塞尔默.布林斯约尔德(Selmer Bringsjord)说,只有我们人类达到了这样一种智力水平,让我们能够一次又一次跳出条条框框,达到越来越高的水平。用他的话来说,人类有能力把他 们从自身的认知局限中解放出来,而动物似乎被锁进了一个“一成不变的认知囚笼”。一旦机器意识到自己的存在,并了解到自身的结构,它们就能设计一个自我改 进方案。“这将带来一系列很棘手的连锁变化,”威尔.赖特(Will Wright)说。他是《模拟人生》(Sims)游戏的开创者,也是美国加利福尼亚大学伯克利分校机器人工作室蠢趣俱乐部(Stupid Fun Club)的联合创始人。机器在自我意识首次觉醒之后就会进行自我完善,用赖特的话来说,这是“使事情变得有趣的关键一步”。这样的自我完善可能会连续发 生好几“代”,对机器来说,更新一代只需要短短几个小时。

换句话说,赖特指出,自我意识导致自我复制,导致更好的机器可以在无人类参与的情况下制造出来。就人类命运而言,“我个人总是觉得,这个场景要比许 多其他情景可怕得多,”他说,“或许我们在有生之年就会看到这一幕。一旦出现了某种形式的超级智慧要同我们分享地球,一切就都完了。”

并不是所有人都如此悲观。毕竟,机器是依照它们程序的逻辑工作的,布林斯约尔德说,如果正确地给机器编写程序,“机器是不会获得某种超自然能力 的”。他指出,值得担心的应该是先进的机器智能在武器或战斗机器中的秘密应用,这些领域没有人能够密切监控。除此之外,布林斯约尔德说,只要负责任地使用 人工智能,“我敢说我们能够控制未来”。

未来派杰出作家雷.库日韦尔(RayKurzweil)也认为,更高智慧的人工智能不会以“取代人类的机器异形侵略者”的形象登场。他说,机器的发 展将会遵循一条与人类进化相似的道路。不过他也认为,最终,拥有自我意识、能够自我改良的机器将进化到超出人类控制能力、甚至理解能力的地步。

不受人类控制的机器会带来何种法律问题,现在尚不明了,所以“花些心思来考虑这一问题,或许是个好主意”,利普森说。已故的艾萨克.阿西莫夫 (isaacasimov)提出过“机器人三定律”,本质上是要求机器人不能伤害人类或者坐视人类受到伤害。利普森指出,阿西莫夫的三定律有一个前提,那 就是“假设给机器人编程的是人类”。一旦机器人开始给自己编程,

甚至删除人类指令,此类伦理法则就会变成一纸空文,很难得到遵守。

不过,还有一些人认为,人类或许压根就不应该去控制新一代的人工智能。赖特问道:“谁敢说这不是进化的必经之路?难道当初恐龙就应该规定,哺乳动物 不能长得更大,不能更多地主宰这个星球吗?”如果最终证明我们不可能控制这些硅基伙伴,我们最好还是祈祷能够和它们和平共享这个星球吧。

6.两极消融

有可能

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挪威北极地区冰川呈现哭脸(新浪科技配图)

上升的海平面将会改变世界。

撰文 戴维.别洛(David Biello)翻译 王栋

严格说来,美国的版图正在缩小。在20世纪,美国东海岸的海岸线后退了近20米。由于热胀冷缩(温度更高的水占有更大的体积)和持续的极地冰盖消 融,海平面自 1900年以来已经升高了大约 17厘米。

然而,比起海平面将要上升的高度,这 17厘米根本不算啥。“做好本世纪末升高一米的准备吧,”美国航空航天局退休科学家、冰川学家罗伯特.宾德谢德勒(Robert Bindschadler)说,“海洋里的热量正在使冰盖消融。”

一些著名的预言,例如美国佛罗里达州淹没在海平面 5米以下,孟加拉国变成海湾,可能还要再过几个世纪才会实现。但是到 2100年,北极无冰和海岸线变样都会发生。根据英国伦敦经济学院经济学家尼古拉斯.斯特恩(Nicholas Stern)估算,全球约有 2亿人居住在高出目前海平面不到一米的地区,其中包括全球十座最大城市中的 8座。“他们将不得不迁移,”宾德谢德勒说。

事实上,除非对温室气体排放进行控制,否则覆盖在高山地区(约占地球上总冰量的 1%)、格陵兰岛( 9%)和南极州(90%)的冰盖终会消融殆尽。如果它们完

全融化,最终将会使海平面上升 65米。

冰盖全部消融需要几个世纪,然而,冰盖的消融速度比科学家在仅仅几年以前所作的预计还要迅速。哪怕海平面平缓上升,发生灾难性风暴的风险也会逐渐增 大。另外,最近人们才惊讶地意识到,冰盖对周围海水还有万有引力效应:大体来说,如果格陵兰冰盖融化,“海平面的上升主要会发生在南半球”,反过来,如果 南极冰盖融化,北半球海平面将上升更多。加拿大多伦多大学物理学家 W.理查德.佩尔蒂埃(W. Richard Peltier)解释说:“我们认为,南极洲西部是最容易受目前全球变暖影响而消融的地区。”

即使减少温室气体的排放,极地冰盖的融化也难以避免,因为冰盖对气候的响应是滞后的,而且一旦消融,再重新形成冰盖将十分困难。人类将如何适应这个 “未来水世界”依然未知,但根据目前的趋势,宾德谢德勒指出,“我们无法逃避这个现实”。

7.太平洋地震

极有可能

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2010年1月海地地震(新浪科技配图)

大地震会不会把加利福尼亚州撕成碎片?

撰文 凯瑟琳.哈蒙(Katherine Harmon)

翻译 王栋

这场预料之中的大地震袭来时,洛杉矶可能还不至于被震离大陆,变成一座孤岛。但是圣安德烈亚斯断层(San Andreas faul)发生的每一次地震,都会把洛杉矶向旧金山推进几米。很长时间以来,科学家们和公众都预期一场大地震会降临在美国西海岸。美国地质调查局估计,加 利福尼亚州在 2038年之前将遭遇一场至少里氏 6.7级地震(与 1994年加利福尼亚州北岭地震震级相同)的概率高达99%。

但是,这场地震很可能更大,甚至大得多。位于南加利福尼亚州的美国地质勘探局综合性多灾害演示项目(Multi-Hazards Demonstration Project)首席科学家露西.琼斯(Lucy Jones)说,如果大部分圣安德烈亚斯断层同时断裂,地震会达到里氏 8.2级。

圣安德烈亚斯断层自南加利福尼亚起,直到穿越旧金山湾区,绵延约 1 300千米。它是向东南移动的北美板块和向西北移动的太平洋板块的分界。根据地质记录,科学家认为,该断层通常每隔大约150年就会断裂一次。而现在距上 一次大规模断裂已经差不多 300年了。

如果发生一场里氏 7.8级的地震(在2008年的美国地质勘探局和加利福尼亚州地质协会的报告中,这被称为“看似合理的情况”),差不多 1 000万南加利福尼亚州居民会遭到波及,造成约 1 800人死亡,5万人受伤。根据美国地质勘探局“假想中的大地震”模拟预测项目估计,这一规模的地震意味着断层将会移动 13米。如此程度的错位会摧毁跨越断层的道路、管道、铁路及通信线缆,并引发滑坡。接下来数周,这一地区还将遭受一系列强度可达里氏 7.2级的余震。琼斯指出,这场地震预计会直接造成约 2 000亿美元的破坏,基础设施和商业秩序被长期破坏,还将导致数十亿美元的其他损失。

然而,圣安德列亚斯断层并不是唯一一个可能断裂的断层。而且即使相隔数千千米,沿一个断层发生的地震也会引发其他断层中积蓄已久的地震。今年 1月,加利福尼亚州北部近海岸发生的一场里氏 6.5级地震位于卡斯卡迪亚地层潜没带(Cascadia subduction zone,位于美国西北太平洋沿岸)南端。这个板块边界有能力引发一场强度至少达到里氏 9.0级的地震——与引发 2004年那场可怕大海啸的苏门答腊大地震震级相同。地质记录表明,公元 1700年这里曾发生过一次大地震,引发的海啸穿越了太平洋,一直抵达日本。在未来数十年内发生类似规模地震的概率约为1/10。

美国俄勒冈州立大学地球物理学家罗伯特.耶茨(Robert Yeats)说,预测地震有点类似于根据气候记录去猜测未来一周的天气。他补充说,知道一场地震可能在不久的将来发生,“不一定会影响你的度假安排,但一 定会影响建筑规范”。大型建筑是最安全的,加利福尼亚州的一些摩天大楼都是按抗里氏 7.8级地震的标准建造。正是因为一场大地震似乎迟迟没有发生,下一场地震或许不会如预期中最坏的情况那么严重。科学家仍在深入研究地质记录中大地震(超 过里氏 6.0级)发生的频率,一些新证据暗示,圣安德列亚斯断层会越来越多地发生小型地震,而不是大地震。

得益于现代防震建筑和公共预防运动,当预期中的大地震真的袭来时,或许人们会发现它造成的损害并不如一直想象的那么巨大。而在世界上比较贫穷、没有 做好充分准备的地区,即使地震规模较小,也会造成大得多的灾难。今年 1月发生在海地的地震就是一个典型的例证。这场地震造成近 25万人死亡——用血的教训提醒我们,在断层的突然滑动面前,没有进行过详细防震规划的城市是多么的脆弱。

8.核聚变能源

极不可能

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美国国家点火装置(新浪科技配图)

虽然它能缓解环境危机,但实现起来仍有难度。

撰文 迈克尔.莫耶(Michael Moyer)翻译 庞玮

曾有人这样揶揄核聚变能源:无论何时,问实现的时间,永远需要20年。今天看来,这还是太过乐观了。世界上最大的等离子聚变项目,位于法国南部的国 际热核聚变实验堆 (ITER,参见《环球科学》2010第 4期《核聚变悬疑》一文),最早也要等到 2026年才能开始核聚变实验研究。工程人员至少需要十年时间对 ITER进行测试,然后才能开展下一步工作。在这个项目中,他们计划将把等离子体束缚在“磁瓶”里,最终建成一个可输出净能量的核聚变反应堆实验原型。要 看到能直接向电网输送能源的反应堆开始运行,那是下一代人的事了。与此同时,人类社会对能源的胃口却永无止境。“全世界对能源的需求都如此巨大,增长都如 此迅速,迫使我们必须另辟蹊径,”美国国家点火装置(National ignition Facility,NIF)主管爱德华.摩西(Edward Moses)说。(NIF位于美国加利福尼亚州的利弗莫尔国家实验室,是美国主要的核聚变实验装置,它将多束激光聚焦于很小的靶丸上引发核聚变反应。)理 论上,聚变电站可以提供这样的一条“蹊径”。这种电站以存在于普通海水中的重氢为原料,不产生任何有害排放──没有烟尘、没有核废料、不排放温室效应气 体。它们将驾驭使太阳发光发热的内部能源,为我们这颗行星提供电力。

然而实际上,核聚变大概不会如物理学家期望的那样改变世界。事实证明,触发和控制核聚变进行自持反应(self-sustaining,指聚变产生 中子数等于消耗中子数,使得反应平稳持续)所需的技术极为复杂。除此之外,第一代聚变反应堆肯定会价格不菲,本世纪内无法广泛应用。

摩西等人认为,能最快接近核聚变的途径莫过于“杂交技术”,即用聚变反应来加速核废料中的裂变反应。在这种被称为“激光惯性聚变引擎”(laser inertial fusion engine,LIFE)的方法中,大功率激光束将能量聚焦在很小的靶丸上,能量冲击将点燃初级核聚变反应,聚变产生的中子向外传播,击中外面包裹的裂变 物质壳层,壳层可以是来自核电站的乏燃料(spentfuel,使用过的燃料),也可以是军事上常用的贫铀(depleted uranium)。放射性废料在中子的轰击下会触发更多衰变,释放出可用于发电的热,同时加速废料本身向稳定物质的转变(从而解决了核废料的处理问题)。 摩西称,他能在 2020年之前制造出一台基于 LIFE的工程原型,并在2030年之前实现并网发电。

换句话说,可以利用核聚变的实用反应堆距离现在,真的只有 20年了。

9.地外文明

不太可能

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搜寻地外文明的艾伦望远镜阵(新浪科技配图)

我们该如何回应来自外太空的信号?

撰文 约翰.马特森(John Matson)

翻译 谢懿

50年前,一个沉溺于“星际窃听”的天文学家把一台无线电天线对准了我们

的近邻,想看看究竟能听到些什么。1960年 4月,在美国西弗吉尼亚格林班克的国

家射电天文台,时年 29岁的弗兰克.德雷克(Frank Drake)将一架直径 26米的射电望远镜瞄准了两颗近距恒星,来寻找那里可能存在的文明发出的信号。虽然搜寻工作无果而终,但德雷克的“奥兹玛”计划开启了目前仍在进行中的地 外文明搜寻,又称SETI。

今年 5月就已年满 80岁的德雷克依然工作在这一领域,主管着非营利性的 SETI研究所下属的卡尔.萨根宇宙生命研究中心,该中心位于加利福尼亚州的芒廷维尤(又称山景城)。与常常需要租用其他天文观测设备的研究者不同,这一 领域的科学家已经有了专门为此建造的设备,例如刚投入使用的艾伦望远镜阵(Allen Telescope Array,ATA)。但由于缺乏资金,原定 350面天线的 ATA目前只建了 42面。天文学家现在收集到的数据,还不足以为“宇宙中智慧生命的存在与否”给出明确的答复。

“虽然我们 50年来‘一直在干这个’,但占用的望远镜观测时间并不是非常多,”SETI研究所 SETI研究中心主任吉尔.塔尔特(Jill Tarter)说,“我们只能这样讲,不是银河系里所有的恒星系统都拥有能发出无线电波的文明。”美国卡内基科学研究所的理论天体物理学家艾伦.P.博斯 (Alan P. Boss)对此表示认同。“迄今仍未发现 SETI信号,这只能说明,想向我们发送广播的地外文明的数量,还没有多到能够让规模有限的 SETI搜索找到一个信号的地步,”博斯说,“不过银河系中还有很多地方未被搜寻过。”凤凰计划(Project Phoenix)是迄今搜寻范围最广的项目之一,它使用了世界上最大的一些射电望远镜,在较宽的波段内搜索了近距恒星。在 9年中,凤凰计划观测了大约 800颗恒星,还不足银河

系恒星数的一亿分之一。

即便对于那些已经被扫描过的恒星,搜寻文明信号所涉及的参数也多得令人崩溃。就像地球上的无线电广播一样,这些参数包括频率(发送广播的是哪个电 台)、时间(全年无休还是午夜关机)、调制类型(调幅还是调频)等等。“SETI搜寻至少要考虑 9个独立参数,”塔尔特说,“即使我们能够猜对所要寻找的信号是什么,建造的观测设备在其中 8个参数的设置上也蒙对了,我们仍会因为搞错了第 9个参数而与信号失之交臂。”

证实其他恒星周围普遍存在行星系统,已经为 SETI和宇宙中普遍存在生命的观点提供了支持。在已知的 400多颗系外行星中,大多数都是滚烫的巨行星,不适宜我们所知的生命生存。美国航空航天局的开普勒空间望远镜正在监视超过 10万颗恒星,寻找它们周围的行星。未来几年之内,它会明确告诉我们,类地行星(Earth-like planet)究竟有多么普遍。

然而,即便是在类地行星上,掌握了无线电广播技术的生命也不一定常见。许多科学家认为,寻找较为简单的生命形式更有希望,例如微生物或者黏菌 (slime mold)。博斯说,这类生命应该很普遍,但我们至少 20年之内还开发不出能够探测到它们的技术。

但是,如果有人真的接收到了来自地外文明的信号,那会怎么样呢? SETI领域对此已经有了预案,例如请世界各地的天文台确认信号,但世界各国政府还没有做好准备。目前还没有一个联合国框架来指导有可能引发争议的后续步 骤——如果我们收到了一个来自具有潜在敌意的邻居的呼叫,我们敢回应吗?

对德雷克而言,这并不是前所未有的全新体验,他在研究生时就一度认为自己探测到了一个信号。他说,“如果你认为这件事已经发生了,你会感觉到一种非 常特殊的情绪,因为你意识到所有的事情都将发生改变。”他指出,人类可能很快就会对其他行星、物种和文化获得新的认识。“这种情感你必须理解了才能体会, 而我已经感觉到了”。

10.核战争

不太可能

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核武器爆炸场景(新浪科技配图)

一场地区战争可能会给全球带来噩梦。

撰文 任文驹(Philip Yam)

翻译 王栋

冷战的结束以及美国和俄罗斯之间正在进行的军备控制措施,已经极大地降低了全球核毁灭的威胁。然而,局部地区持续的紧张局势,使得地区性核战争仍有 可能一触即发。

仅仅一次核爆炸,就能以多种方式导致可怕的伤亡。广岛原子弹(1.5万吨TNT当量)爆炸产生的冲击波造成了超音速狂风,吹垮了爆炸点下方的混凝土 建筑;爆炸产生的热量将方圆 1千米内的所有人烧焦。数千米外,暂时幸存的人们最终也逐渐死于严重的辐射损伤和癌症。

不过,这样的核爆炸不会带来全球影响,除非数十枚核武器接连爆炸(巴基斯坦和印度之间如果发生核战争,就可能出现这种情况)。在模拟核爆炸效果时, 科学家假设印巴动用了它们的全部核武库,这就相当于爆炸了大约 100颗广岛原子弹(参见《环球科学》2010年第 2期《核冬天一触即发》一文)。

模拟结果显示,除了 2 000万人会直接死于核战争外,许多战区外的人也会逐渐死去。这是因为核爆冲击波会将多达500万吨烟尘抛入到上层大气。在大气运动的驱动下,这些烟尘微 粒会在大约一个星期之内绕地球一周,两个月内覆盖整个地球。暗淡的天空会阻挡植物光合作用所需的阳光,并扰乱食物链长达 10年之久。由此造成的饥荒会使现在就已经食不果腹的 10亿人死亡。

虽然结果很悲惨,但前景并非一片黑暗——人类有能力,也有责任,让能够改变世界的这一幕永远不会发生。

11.小行星撞击

不太可能

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威胁地球的小行星(新浪科技配图)

生物灭绝级的事件不太可能发生,但“空中爆炸”可以夷平一座城市。

撰文 罗宾.劳埃德(Robin Lloyd)翻译 谢懿

今年6月13日,一颗被命名为2007 XB10的小行星与地球“擦肩而过”。这个小行星直径1.1千米,足以造成全球规模的大灾难。幸运的是,跟其他近地小天体一样,它到地球的距离相当远,有 1 060万千米,相当于地月距离(约 38.4万千米)的 27.6倍。事实上,还没有巨型小行星似乎会在短期内改写地球的历史。但坏消息是,在未来 200年里,或许会有一颗小型太空岩石在大气中爆炸,威力足够摧毁一座小型城市。

近地小天体(near-Earth object,NEO)是到地球的最短距离小于 1.95亿千米的小行星或者彗星。2009年,NASA观测到 90个闯入 5倍地月距离以内的天体,其中 21个进入 1倍地月距离。近地小天体“猎手”通常会寻找它们在照片留下的“斑点”,如此短暂的观测很难计算出它们的轨道。因此科学家只能先估算出它们可能撞击地球的 概率,然后等待更多观测数据。NASA已经发现了 940个直径不小于 1千米的近地小天体(约占这一大小近地小天体估计总数的 85%),所幸它们都不会和地球相撞。(造成恐龙灭绝的近地小天体直径约 10千米。)

根据美国国家研究委员会(NRC)今年公布的报告,一些较小的岩石反而能带来更大的威胁。直径不小于 140米的小行星和彗星数量有 10万左右,它们不会带来世界末日,但即便是其中最小的一个撞上地球,撞击能量也可达 3亿吨 TNT当量。平均而言,这种规模的撞击事件发生的频率(直径 140米的天体每 3万年撞一次地球),要比千米级小行星撞击(每70万年一次)大得多。

考虑到潜在的危险,美国国会于2005年下令,要 NASA在 2020年前发现这些近地小天体中的90%。但是 NRC发现,预算短缺使得科学家无法在截止日期前完成这个目标。无论如何,从风险的角度来看,科学家还要考虑更小的天体,因为最有可能撞击地球的是直径 30~ 50米的“城市杀手”,也就是那些会在大气中爆炸的火流星。最著名的一次毁灭性“空中爆炸”发生在 1908年西伯利亚通古斯上空,它将超过 2 000平方千米的区域夷为平地。美国亚利桑那州著名的巴林格陨石坑也是这种大小的一颗陨星造成的。

现在,有关空爆的最详尽信息掌握在美国国防部、能源部以及《全面禁止核试验条约》监测站手中。NRC已经提出要求进一步共享这些保密数据。据他们估 计,25米级火流星的空爆每 200年会发生一次。大部分爆炸会发生在海洋上空,对生命的直接威胁较小,但有可能引发海啸。NRC专门小组成员、美国桑迪亚国家实验室的马克.博斯劳 (Mark Boslough)介绍说,平均每年都会发生一次 4米级天体的爆炸事件。

如果发现了会危及人类生命的近地小天体,该怎么办? NRC专门小组成员、美国马里兰大学的迈克尔.F.埃亨(Michael F. A’Hearn)说,切实可行的解决方案还不成熟。对于还有数年或者数十年时间才会威胁地球的中等大小天体,运动撞击最为有效。办法之一就是,让一个或者 多个航天器去撞击天体来改变它的轨道。如果预警时间只有几个月到几年,对于直径超过 500米的天体,核爆炸是解决问题的唯一办法。

阿赫恩认为,对于预警时间较短的“城市杀手”级近地小天体,唯一选择或许就只有疏散了。幸运的是,做到这点很容易。更加值得庆幸的是,似乎没有什么 东西会撞上我们——至少目前看来是这样。

12.致命病毒大流行

50%的实现可能

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H1N1亚型猪流感病毒的电子显微图片

虽然H1N1不属于高致死性流感病毒,但流感病毒仍有可能吞噬上百万生命,严重破坏世界经济。

撰文 凯瑟琳.哈蒙(Katherine Harmon)

翻译 陈晓蕾

2009年的 H1N1病毒流行并没有人们最初想象的那样恐怖,但它将一个严酷事实摆在我们面前:在对付致命病原体时,我们依旧措手不及。自 1918年流感大暴发之后,尽管医学已经取得了长足进步,但新的高传染性疾病依然能夺取无数生命,颠覆全球社会、经济、政治和法制结构。

美国乔治敦大学国际卫生法(global health law)教授劳伦斯.O.戈斯坦(Lawrence O. Gostin)说,流感病毒也好,其他病毒也罢,新出现的毒性菌株有可能令上百万人死于非命,哪怕他们正值壮年。此外,很多国家可能会因此关闭边境,这一 举措可能会导致针对个人的歧视和政府之间的彼此抱怨。戈斯坦说,国际贸易和商业可能会一蹶不振,这会带来“巨大的金融后果”。他预计,全球 GDP将下降 3%~5%(总共损失 1.8万亿 ~3万亿美元)。戈斯坦指出,随着一种疾病在季节更替时一波接一波暴发,社会动荡和传染病的这种循环可以持续“好多年”。在某一致命威胁刚刚开始浮出水面的情况下,政策制定者和有关部门可能不得不根据不够准确或不够完善的信息作出艰难的抉择。在政府试图消除这一威胁的 过程中,一些基本人权可能都会面临挑战。

如果这种传染病灾祸是人为的,社会骚乱很可能会更加严重。戈斯坦评论说:“患病和致死率带来的负担可能都算是轻的。一旦传染病因人为因素而起,人们的恐慌才是最糟糕的。它会给社会和经济带来非常沉重的破坏性打击——远甚 于自然灾害。”来源:《环球科学》



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