科技英語閱讀教程翻譯-陳勇

Unit1textA福島的燕子我們對低劑量輻射對生物體和生態(tài)系統(tǒng)的影響知之甚少。福島核災難四年后，科學家們開始得到一些答案。ByStevenFeatherstone直到1986年4月26日切洛貝利核電站的一個反應堆發(fā)生爆炸，在整個北半球擴散了相當于400枚廣島核彈的輻射塵，對于輻射對植被和野生動物的影響科學家?guī)缀跻粺o所知。這場災難創(chuàng)造了一個活生生的實驗室，特別是在爆炸地點周圍1100平方英里的地方，被稱為禁區(qū)。1994年，德克薩斯理工大學生物學教授羅納德·切斯爾（RonaldChesser）和羅伯特·貝克（RobertBaker）都是首批獲準進入該區(qū)域的美國科學家。我們抓到了一群田鼠，它們看起來像雜草一樣健康。貝克回憶說：“我們開始對它著迷。當貝克和切斯對田鼠的DNA進行測序時，他們沒有發(fā)現(xiàn)異常突變率。他們還注意到，狼、猞猁和其他曾經(jīng)稀有的物種在該區(qū)域游蕩，仿佛它是一個原子野生動物保護區(qū)。切洛貝利論壇由聯(lián)合國一些機構(gòu)于2003年成立，發(fā)表了一份關(guān)于切洛貝利利災難20周年的報告，證實了這一觀點，聲稱“環(huán)境改變對該地區(qū)的生物群產(chǎn)生了積極影響”，將其轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙粋€獨特的生物多樣性保護區(qū)”。在Baker和Chesser對該地區(qū)進行田鼠研究的五年后，TimothyA.Mousseau前往切洛貝利對鳥類進行了計數(shù)，發(fā)現(xiàn)了相互矛盾的證據(jù)。南卡羅來納大學生物學教授穆索和他的合作者現(xiàn)任巴黎南部大學生態(tài)，系統(tǒng)學與進化實驗室的研究主任--AndersPapeMoller，特別的研究了常見的鄉(xiāng)村谷倉燕（HirundoRustica）。他們發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的燕子少得多，幸存下來的燕子壽命較短，生育力降低（男性），大腦較小，腫瘤，部分白化?。ㄒ环N基因突變）和白內(nèi)障發(fā)生率較高。Mousseau和Moller在過去13年發(fā)表的60多篇論文中表明，暴露于低水平輻射對該區(qū)域的整個生物圈（從微生物到哺乳動物，從蟲子到鳥類）都有負面影響。Mousseau和Moller有他們的批評者，包括貝克，貝克在2006年《美國科學家》雜志與Chesser合著的文章中指出，該地區(qū)“實際上已成為保護區(qū)”，Mousseau和Moller的“令人難以置信的結(jié)論僅得到間接證據(jù)的支持”。關(guān)于電離輻射對健康的影響，我們所知道的所有信息幾乎都來自正在進行的原子彈幸存者研究，即“壽命跨度研究”（LSS）。輻射暴露的安全標準基于LSS。然而，LSS仍未解決有關(guān)低劑量輻射暴露影響的大問題。大多數(shù)科學家都同意，無論輻射量多么小，都沒有所謂的“安全”劑量。小劑量是我們最不了解的劑量。LSS并沒有告訴我們有關(guān)100毫西弗（mSv）以下劑量的信息。例如，引起基因突變需要多少輻射，這些突變是可遺傳的嗎？輻射誘發(fā)的疾?。ɡ绨┌Y）的機制和遺傳生物標志物是什么？2001年3月，福島第一核電站的三重熔毀創(chuàng)造了另一個活著的實驗室，Mousseau和Moller可以在這里研究低劑量的輻射，復制切洛貝利的研究成果，讓他們“更加相信我們看到的影響與輻射有關(guān)，而不是其他因素，”Mousseau說。福島的310平方英里的禁區(qū)比切洛貝利的禁區(qū)小，但在其他方面相同。兩個區(qū)域都包含短距離的廢棄區(qū)域。而且，幾乎可以肯定的是，與科學家進入蘇聯(lián)控制的切洛貝利相比，他們將更快地進入福島。簡而言之，福島提供了解決辯論的機會。在福島的幾個月內(nèi)，Mousseau和Moller在燃燒的核電廠以西的受污染的高山森林中對鳥類進行了盤點，但他們無法進入該區(qū)域本身以了解燕子的具體情況。最終，2013年6月，Mousseau成為首批獲準完全進入福島禁區(qū)的科學家之一。在生物和同一物種的個體中，對輻射的敏感性差異很大，這是重要的一個原因，不要從蝴蝶推斷到燕子，從田鼠推斷出人類。Mousseau說，蝴蝶對輻射特別敏感。2012年8月，在線雜志《科學報告》發(fā)表了一篇論文，研究了福島的塵埃對淺藍色蝴蝶的影響。沖繩縣琉球大學的生物學教授JojiOtaki透露，災難發(fā)生兩個月后，在福島附近收集的蝴蝶的翅膀，腿和眼睛都出現(xiàn)了畸形。Mousseau和Moller對切洛貝利和福島的昆蟲的調(diào)查顯示，蝴蝶的數(shù)量下降了。但是Otaki的論文增加了重要的新轉(zhuǎn)折。當他用健康的實驗室標本培育出突變的福島蝴蝶時，遺傳異常的發(fā)生率隨著新生代的增加而增加。Mousseau認為，這種現(xiàn)象，即遺傳突變的積累，是一種隱藏的暗流，侵蝕著放射性生態(tài)系統(tǒng)的健康，偶爾在帶有部分白化病的突變蝴蝶或燕子的后代中暴露出來。甚至貝克也同意Mousseau關(guān)于Otaki的結(jié)論：“顯然，蝴蝶是由輻射引起的。多代接觸確實導致基因組改變。”我在機場遇見了Mousseau和他的博士后研究員，意大利人叫AndreaBonisoliAlquati，然后我們開車去了福島發(fā)電廠以北的南相馬市的旅館。我們經(jīng)過了一個空無一人的城鎮(zhèn)，然后又穿過了一個荒蕪的城鎮(zhèn)，向北蜿蜒走向核電站。Mousseau開車時，他掃描了百葉窗的店面和空蕩蕩的房子，發(fā)現(xiàn)谷倉燕窩。家燕是理想的科學學科，因為它們是成蟲的，這意味著這些鳥類在一生中傾向于在相同的位置繁殖。在正常條件下，關(guān)于它們的知識已為人們所知，它們與其他溫血脊椎動物具有相似的遺傳，發(fā)育和生理特征。燕子是煤礦中眾所周知的金絲雀，除了所討論的煤礦是放射性的。Mousseau數(shù)了大約十二個舊巢“疤痕”，它們在屋檐下抹上了月牙形的污點，但沒有一個新巢?！暗谝荒昃惋@示出了這樣的負面影響，”他說?！拔蚁虢衲旰茈y找到它們（谷倉燕子）?！薄拔液喼辈桓蚁嘈胚@里沒有任何活動跡象的燕窩。我沒有看到蝴蝶飛舞。也沒有看到蜻蜓。這里真是一個死區(qū)?！彼f。福島核泄露事故讓人們得以一窺生態(tài)系統(tǒng)對放射性污染的早期反應，這種機會少之又少。我們對切洛貝利的幾代田鼠和家燕了解知之甚少，更不用說其他動物了。坊間的報道指出，有大量動植物死亡，但沒有關(guān)于它們恢復的跡象。一些物種進化出了修復被輻射損壞的DNA的能力嗎?目前，研究福島的生態(tài)系統(tǒng)對于開發(fā)預測模型至關(guān)重要，這種模型可以解釋如何適應低水平的輻射暴露，以及隨著時間的推移，基因損傷的積累。Mousseau對他在事故發(fā)生后未能立即進入禁區(qū)感到遺憾?！痹谖覀兊竭_酒店后，他說:“我們會有更精確的數(shù)據(jù)來確定到底有多少燕子消失了?！蹦切┗貋淼墓葌}燕子是具有抵抗能力的基因型，還是他們只是在某種程度上很幸運?”第二天，在Mousseau的許可得到驗證后，一隊警察向我們的車揮手穿過路障，進入隔離區(qū)。Mousseau計劃沿著海岸平原工作，清點每只燕子的數(shù)量，標出每一個鳥巢的位置，并盡可能多地捕捉鳥兒?！蔽覀兊玫降拿恳粋€數(shù)據(jù)點都是絕對無價的。他對BonisoliAlquati說在離核電站一英里的地方，BonisoliAlquati看到一只家燕棲息在一所房子附近的電線上。一個用新泥做的巢放在車庫里的窗臺上。輻射水平最高達到每小時330毫西弗，是正常背景輻射的3000多倍，是該地區(qū)Mousseau記錄以來最高的水平。BonisoliAlquati說:“10個小時后，你就會得到你每年的輻射量?！彼傅氖敲绹艘徽晁艿降妮椛淞?。Futaba是一座鬼城，除了以前的居民外，所有人都不得進入，他們每月只能回來幾個小時，看看家里和企業(yè)的情況。小鎮(zhèn)商業(yè)中心上方的標牌上寫著:“核能:能源的光明未來”。主要街道的輻射水平并不比區(qū)外許多受污染地區(qū)更嚴重。通過雙筒望遠鏡，Kitamura看到六只燕子在一個被砸壞的體育用品商店附近盤旋。“把網(wǎng)子和桿子立起來!”他喊道Kitamura和BonisoliAlquati蹲在店外，他們之間松散地綁著一張霧網(wǎng)。燕子在頭上飛來飛去，嘰嘰喳喳地叫個不停。一只接一只，花了兩個小時才把六只燕子全部捉到并取樣。在釋放這些鳥之前，Mousseau給它們安裝了微型熱發(fā)光劑量計(TLDs)來跟蹤它們的輻射劑量。在輻射水平高出10倍的Futaba火車站附近，他們又捕獲了兩只燕子。日本政府最初承諾要在2014年3月之前清理福島縣11個污染最嚴重的城市。根據(jù)國際輻射防護委員會的建議，他們的目標是將年劑量降低到1毫西弗，即普通群眾能承受的極限。但到目前為止，大部分清理工作都集中在核電站穩(wěn)定的受損核反應堆上，而核電站繼續(xù)向太平洋泄漏輻射。日本當局不再有具體的去污時間表。相反，他們設定了每年1毫西弗的長期目標，現(xiàn)在正鼓勵8.3萬撤離者中的一些人回到年劑量高達20毫西弗的地方，這相當于委員會對核工作人員的劑量限制。日本執(zhí)政黨最近發(fā)布了一份報告，承認許多污染地區(qū)短時間都無法居住至少一代人。這一目標的轉(zhuǎn)移強調(diào)了我們對低劑量輻射影響的認識與公共政策治理之間的差距——還有其他方面——核清理協(xié)議。盡管科學家們還沒有確定“安全”輻射劑量，但日本政府需要一個目標劑量來制定去污和安置政策，因此他們依賴國際輻射防護委員會(InternationalCommissiononRadiologicalProtection)等咨詢機構(gòu)和LSS等不完善的研究。Brenner的研究表明，癌癥發(fā)病率的增加與年劑量低至5毫西弗有關(guān)。雖然Mousseau和Moller在植物和動物種群中觀察到負面影響，但在這個任意的閾值之下，沒有確鑿的證據(jù)支持或反對低劑量輻射會對人類有健康風險。”一旦你接觸到這些劑量，你就必須依靠對機理的最佳理解，”Brenner說，“這是非常有限的，”在Namie市郊的一個居民區(qū)，BonisoliAlquati發(fā)現(xiàn)了一個谷倉燕子窩，它卡在兩幢房子之間的一條狹窄小巷里。這是他經(jīng)歷了令人失望的一天，在Futaba、和Namie附近的荒無人煙的地區(qū)巡游之后，看到的第一個活躍的鳥窩，還有幾十個空巢和疤痕。在被雨水沖走之前對燕窩進行計數(shù)對于建立事故發(fā)生前燕窩數(shù)量的基線至關(guān)重要，但Mousseau還需要從活鳥身上提取樣本進行實驗室工作。巷子里的鳥窩里有三只小鳥，他在里面找到了第一只，還有三只還沒孵出來的蛋。”這是一個重要的巢穴，Mousseau說。BonisoliAlquati坐在汽車的前座。他從塑料容器里舀出一只小鳥，用各種工具量了量。他在小鳥翅膀的絨毛下面吹氣，露出一小塊皮膚，用針刺破了它。一些血液進入毛細管;有些被玻璃幻燈片弄臟了。然后他把小鳥塞進帆布袋里，把它放進“烤箱”里。“烤箱”是用管道捆起來的一堆鉛磚磁帶。磚塊形成了一個屏蔽室，使Mousseau能夠在不受背景輻射干擾的情況下測量單個鳥類的全身重量。他說:“我們的目標是能夠觀察每只鳥一年到第二年的情況，確定它們存活的可能性是否與它們接受的劑量有關(guān)?！薄叭绻覀冋娴南肓私膺z傳變異和輻射敏感性的機制，以及它們?nèi)绾斡绊憘€體，那么有必要進行更精細的劑量測量?！钡沁@個地方的輻射水平太高，無法精確測量。Mousseau把車開到街上，重新設置了伽馬能譜儀。幾分鐘后，它顯示出銫137污染的明顯信號，銫137是福島放射性塵埃中的主要同位素。那是一只一周大，帶有放射性的小鳥。燕子在日本是好運的預兆。許多人把小木平臺釘在房子的門上以吸引鳥兒。在這個區(qū)域，平臺和房屋一樣，都是空的。隔海區(qū)關(guān)閉后的每一天，Mousseau和BonisoliAlquati都工作到深夜，在福島北部潔凈地區(qū)捕捉谷倉里的燕子，建立一個對照組。清潔是一個相對的術(shù)語。Minamisoma的背景輻射在災難中被疏散，目前仍是正常水平的兩倍。盡管如此，在我們在這個區(qū)域呆了一整天之后，Minamisoma整潔的社區(qū)，與Namie,Futaba和Okuma的社區(qū)一模一樣，感覺就像一個平行的宇宙?？吹焦葌}里滿是胖胖的、偷窺的小鳥，真奇怪。在Mousseau在日本的最后一天，他在Kashima一條多沙的小街發(fā)現(xiàn)了一個活躍的谷倉燕窩。它被貼在一個空房子門廊里的燈具上。Mousseau從鄰居那里得到了捕鳥的許可。他是當?shù)睾恿鲄f(xié)會的一名成員，他說他很高興有人在調(diào)查放射性污染，因為政府沒有。“政府總是保密的，”他抱怨放射性塵埃被沖進河里。他說，在那里捕撈的錦鯉每公斤銫的含量為24萬貝克勒爾（放射性活度單位）。人們不吃這些魚，這是幸運的，因為在日本，魚類的輻射上限是每公斤100貝克勒爾。我們當中40%的人有一天會被診斷出某種形式的癌癥。如果在這個發(fā)人深省的統(tǒng)計數(shù)據(jù)的噪聲中隱藏著一個信號，這個信號可能指向低劑量輻射誘發(fā)的癌癥，流行病學家聽不到它的微弱。關(guān)于低劑量輻射的重大問題最終將由研究“輻射誘導的染色體損傷，或輻射誘導的基因表達，或基因組不穩(wěn)定性”的研究人員來回答，Brenner說。這是Mousseau和Moller在家燕身上開始研究的方向。“不幸的是，腫瘤不能告訴我們它們是由輻射還是其他原因引起的，”Mousseau說。如果他有足夠的資金，Mousseau就會對每只在野外安裝TLD的燕子進行DNA測序。通過將結(jié)果與單個劑量估計值進行比較，他可能能夠找到輻射誘發(fā)疾病的遺傳生物標志物。去年11月，在我陪同他前往福島18個月后，Mousseau第12次前往福島。Mousseau和Moller發(fā)表了三篇論文展示福島的鳥類數(shù)量急劇下降。Mousseau說，他們準備在《鳥類學雜志》(JournalofOrnithology)上發(fā)表的最新人口普查數(shù)據(jù)為鳥類數(shù)量持續(xù)下降提供了“相當驚人”的證據(jù)，“沒有證據(jù)表明門檻效應”。但出于某種原因，福島的核輻射造成鳥類死亡的速度似乎是切洛貝利的兩倍。Mousseau說:“也許福島當?shù)鼐用袢狈Φ挚沽?，或者輻射敏感性增加?！耙苍S切洛貝利的鳥類在一定程度上進化出了抗藥性，或者在過去26年里，那些易受感染的鳥類已經(jīng)被淘汰了?！蔽覀儾恢来鸢?，但我們希望能找到答案。答案可能會在穆薩和博尼BonisoliAlquati在旅行中收集的谷倉燕子的血液中找到。對這些樣本的初步分析并沒有發(fā)現(xiàn)任何證據(jù)表明基因損傷顯著增加，盡管現(xiàn)在下結(jié)論還為時過早。慕斯需要更多來自最受污染地區(qū)的家燕樣本，這些地區(qū)的家燕數(shù)量正在銳減。盡管Mousseau和Moller最初的發(fā)現(xiàn)負擔得起一個令人信服的陷入困境的生態(tài)系統(tǒng)在福島,2014年的報告由聯(lián)合國科學委員會原子輻射的影響(聯(lián)合國核輻射效應科學委員會)回聲的切洛貝利災難評估早些時候,宣稱輻射影響“非人生物群”在高度污染的地區(qū)是“不清楚”和“微不足道”,更少的污染。我們做的是基礎科學，不是毒理學，但輻射科委沒有費心詢問我們的工作，也沒有費心找人解釋我們的發(fā)現(xiàn)，”Mousseau說?！八麄?yōu)槿祟惤】翟O定了標準，卻忽略了大量潛在的相關(guān)信息?！彼f，被忽視的證據(jù)是大量的。“根據(jù)我在切洛諾貝利和現(xiàn)在的福島的多年經(jīng)驗，我們幾乎已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了突變率上升的影響信號。我們研究過的每一個物種和每一個生態(tài)處理網(wǎng)絡，”Mousseau說?！斑@一切都在那里，只是等待觀察、描述和發(fā)表?！必惪藳]有在福島進行研究的計劃，但他最近從切爾諾貝利的另一種田鼠中提取了DNA序列。新的數(shù)據(jù)似乎支持Mousseau和Otaki的結(jié)論，即突變率升高與輻射暴露有關(guān)。多代接觸的后果還不清楚，它是否會降低動物的健康或繁殖能力，或在后代中導致出生缺陷或癌癥。Unit1textB激光融合，有所不同歐洲的激光百萬焦耳項目開辟了自己的核心火之路-ByDanielClery對于熟悉激光聚變研究的任何人來說，去年年底在法國大西洋沿岸完成的耗資30億歐元的研究設施LaserMégajoule（LMJ）的造訪，立即引發(fā)了人們的關(guān)注。這個網(wǎng)站對世界領(lǐng)先的實驗室-加利福尼亞的國家點火裝置（NIF）來說是致命的一擊。LMJ具有相同的體育場大小的建筑物，相同的發(fā)亮的白色金屬框架，相同的方形束管和10米寬的反應室?？Х缺萅IF的咖啡更濃郁，安全性不那么突出，訪問者的區(qū)域更大且信息量更大。但是，總的來說，走進LMJ的大門就像步入一個平行的世界一樣，勞恩斯·利弗-莫里爾國家實驗室（運行NIF的美國核武器實驗室）已經(jīng)受到法國的控制。相似之處并非巧合。這兩個站點的設計目的都是相同的-在單個目標上訓練數(shù)十個強大的激光束，使其瞬間受到極端的溫度和壓力極端影響。這兩個實驗室進行了廣泛的合作，每個實驗室的主要任務是軍事：以微型復制核爆炸，以便武器科學家可以確保炸彈在需要時可以引爆而無需測試。法國核設施與美國核設施一樣，也將在慣性聚變能（IFE）研究中處于副業(yè)地位：用激光脈沖將氫同位素的膠囊壓碎，使同位素融合成氦，釋放出大量的能量，有可能在一天之內(nèi)利用在發(fā)電廠。但是，與NIF的最初方法大相徑庭的是，LMJ將絕密武器研究放在首位。NIF在2009年完成后，利弗莫爾大學的研究人員立即著手進行碰撞程序以實現(xiàn)點火-產(chǎn)生自我維持的聚變反應，產(chǎn)生的能量與觸發(fā)時一樣多。他們未能實現(xiàn)這一目標，因此改變了自己的方法。法國的替代能源和原子能委員會（CEA）LMJ也希望實現(xiàn)點火，因為它是武器研究和能源的關(guān)鍵。LMJ項目負責人PierreVivini說：“點火的目標驅(qū)動了機器的設計?！钡?，由激光聚變產(chǎn)生的功率將留給外部學術(shù)研究人員使用，并且他們將在接下來的2年內(nèi)不會動手使用該機器。當它們這樣做時，某些關(guān)鍵的設計差異可能會給LMJ比NIF更好的觸發(fā)點火的機會。這兩個設施的核心近在咫尺。就像在NIF一樣，LMJ研究人員使用光纖激光器產(chǎn)生持續(xù)數(shù)十億分之一秒的紅外光脈沖，而能量只有數(shù)十億焦耳。然后，該弱脈沖進入前置放大器，即摻釹玻璃板，在脈沖通過之前，氙氣閃光燈就將其充滿能量。他們將能量傾瀉到光束中，使其升至約焦耳，然后將光分成許多平行光束并發(fā)送至主放大器（相同的釹玻璃和閃光燈，只有更大的）。LMJ有22條主放大器鏈，分布在建筑物周圍的四個寬敞大廳中，每個放大器一次可容納8條平行光束。在激光射擊過程中，八束光通過放大器來回反射四次，以使其能量乘以20,000。精心制作的鏡子陣列將176束光束導向球形反應室的所有側(cè)面；然后，最后一組光學器件會將光束從紅外光轉(zhuǎn)換為紫外線（UV），并將其聚焦到腔室中心的尖銳點。重新組合所有光束，將1.5兆焦耳的能量傳遞到位于腔室中心的目標中，這與2噸卡車以每小時140公里的速度行駛時的動能大致相同。NIF的激光發(fā)射功率為1.8兆焦耳。由于資金限制，目前只有一個主放大器鏈在線。CEA核武器主任Fran?oisGeleznikoff說：“這足以開始進行核武器研究：“有了八束光束，我們就可以完成出色的物理學。我們不需要所有的橫梁來研究武器。”該設施每年將至少再增加兩條鏈條（16根橫梁），直到在未來10年的某個時候達到滿負荷生產(chǎn)為止。早在此之前，來自歐洲各地的IFE學術(shù)研究人員就被承諾至少要使用機器20％的時間?！懊磕暧?0張照片，我們真的可以開發(fā)出一個嚴肅的程序，”法國波爾多大學的等離子體物理學家DimitriBatani說。他們的游戲計劃包括與NIF策略的一些重大偏離。例如，他們贏得了在LMJ上安裝單獨激光器的資金，該激光器提供了比NIF所能匹配的任何脈沖更短，更強大的脈沖。PETawatt阿基坦激光器（PETAL）會產(chǎn)生相對較小的3.5焦耳能量的脈沖，但該能量將被擠塞到萬億分之一秒，產(chǎn)生的功率超過一千億瓦特，是LMJ脈沖的一百倍。PETAL的脈搏不會分散并從各個方向傳遞；它們將來自單一方向，并與主激光器發(fā)出的脈沖重合。在實驗中，它們可能會突然提供強大的動力，或者像頻閃燈一樣用于對發(fā)生的事情進行快照。結(jié)合PETAL和LMJ進行的實驗將模擬恒星和其他天體物體內(nèi)部的條件。研究人員還將利用強大的激光震蕩來加速質(zhì)子，這種方法可以產(chǎn)生緊湊的加速器來治療癌癥。但是令激光聚變研究人員興奮的是，PETAL發(fā)出的短而鋒利的爆炸可能會成為聚變反應的火花塞。希望以這種方式使用PETAL將使IFE研究人員避免某些阻礙NIF的陷阱。任何IFE方案的關(guān)鍵要素都是燃料艙，它是一個塑料球，大小類似于胡椒粉，其中包含冷凍的氘和tri氫的同位素是聚變?nèi)剂稀７胖迷诜磻抑醒氲哪z囊塑料會受到激光脈沖的強烈加熱而蒸發(fā)，從而導致內(nèi)爆，從而將燃料壓碎成鉛密度的100倍并將其加熱到1億K。足以使融合點火。在NIF和LMJ的武器研究實驗中，研究人員通過將膠囊封裝在金屬罐中間接觸發(fā)內(nèi)爆，金屬罐由激光加熱，然后用X射線轟擊膠囊。這種方法具有一些優(yōu)勢-可以消除激光束中的瑕疵，并且在驅(qū)動內(nèi)爆時X射線比UV光要好-但它會使目標復雜且昂貴，而不是您想要的能量生成。NIF研究人員一直在努力使這種方法起作用：在將光轉(zhuǎn)換為X射線的過程中，能量損失了，內(nèi)爆無法順利進行。武器實驗室外的IFE研究人員希望以不同的方式做事。通過擺脫罐頭并將光束直接對準膠囊，它們可以避免將紫外線轉(zhuǎn)換為X射線的復雜性和能量損失。為了獲得平滑，對稱的內(nèi)爆，許多人主張更慢地驅(qū)動它。但是，壓縮后的燃料不會變得足夠熱，無法自行開始反應。它需要額外的火花才能啟動。一種可能的解決方案是使用短而高功率的激光脈沖作為火花，這是PETAL可以產(chǎn)生的那種脈沖，這種火花在日本大阪大學首創(chuàng)，并且是日本首創(chuàng)的。過去十年，歐洲IFE研究人員提議建造一個基于快速點火的示范性IFE反應堆，稱為HiPER。當NIF未能實現(xiàn)點火時，該計劃失去了一些動力，但其支持者希望LMJ-PETAL能夠為其提供新的動力。最近在低功率機器上進行的實驗表明，PETAL可能沒有裝足夠的沖頭來觸發(fā)快速點火。但是在紐約羅切斯特大學開創(chuàng)的另一種替代方法可能會節(jié)省一天的時間。與其他技術(shù)一樣，該技術(shù)被稱為沖擊點火，通過來自主激光器的激光脈沖壓縮燃料囊。但是在脈沖結(jié)束時，激光會增加突然的功率峰值，以產(chǎn)生會聚在燃料中心的沖擊波。當沖擊達到中心時，突然的壓力上升會引發(fā)反應?！霸跉W米茄（羅切斯特激光器）和其他地方的實驗令人鼓舞，在這一階段，激光器（用于沖擊點火）的要求看起來比快速點火要好得多，”中央激光設施的融合研究人員克里斯·愛德華茲說。英國盧瑟福·阿普爾頓實驗室和HiPER的負責人之一。為了尋求與LMJ-PETAL的聚變能，研究人員也面臨著社會學和政治上的挑戰(zhàn)。歐洲的IFE社區(qū)很小，并不習慣使用如此龐大的機器或武器實驗室的安全級別。巴塔尼說：“光是LMJ就象沙漠中的大教堂。”“研究人員對此很感興趣，但對此表示懷疑。巴塔尼說：“CEA還需要克服其不愿與學術(shù)研究人員共享仿真代碼的擔心，因為它擔心會幫助流氓國家開發(fā)熱核武器，因此，CEA還需要克服它的不愿。巴塔尼說：“我們需要可靠的仿真，但是而且歐洲傳統(tǒng)上一直專注于另一種方法，即磁約束聚變，它在不遠的地方擁有自己的大教堂：數(shù)十億歐元的ITER，正在法國卡達拉奇建造。巴塔尼說：“如果對LMJ實施震撼點火，政客們可能會變得更加積極?！倍鴼W洲-總是在核聚變能源的這一領(lǐng)域也處于競爭地位-可能只會獲得一些夸耀的權(quán)利。Unit2textA情感型機器人“對不起，我沒聽見?！边@可能是商業(yè)機器的第一次感同身受。20世紀90年代末，波士頓SpeechWorks國際公司開始向公司提供客戶服務軟件，這些軟件被編程用于使用這一短語和其他語言。幾乎每個打電話給客戶服務的人都會和機器人交談。數(shù)以億計的人口袋里裝著一個聰明的私人助理。但是機器并不總是響應我們希望他們的方式。語音識別軟件出錯。機器常常無法理解意圖。他們沒有感情和幽默，譏諷和冷嘲。如果在我們未來為了花更多的時間與機器互動-無論它們是智能吸塵器還是機器人類人護士-我們需要他們做的不僅僅是理解我們說的話：我們需要他們來幫助我們。換句話說，我們需要他們“理解”和分享人類的情感-擁有同情心。在我的實驗室里，香港科技大學正在開發(fā)這樣的機器。有感情的機器人對社會有很好的幫助，而不僅僅是的助手-他們會成為同伴的。他們將是友好和溫暖的，預料我們的身體和精神需求。他們將從與人類的交流中學習。他們會讓我們的生活變得更好，工作更有效率。他們會為自己的錯誤道歉，并在開始之前請求許可。他們會照顧老人，教我們的孩子。他們甚至會在關(guān)鍵的情況下拯救你的生活，同時在過程中犧牲自己-這是一種終極的同情行為。一些模仿情感的機器人已經(jīng)上市，其中包括法國公司Aldebaran

Robotics為日本軟銀移動(Softbank

Mobile)生產(chǎn)的小型仿人機器人Pepper，以及由Speechworks前對話技術(shù)總監(jiān)羅伯托·皮拉奇尼(Roberto

Pieraccini)在內(nèi)的一群工程師設計的六磅臺式機個人助理機器人Jibo。感情機器人領(lǐng)域仍然處于蒸汽機時代，但是那些將大大改善這些機器的工具和算法正在出現(xiàn)。移情模塊六年前，當我的研究小組設計了第一個相當于Siri的中文版本時，我對構(gòu)建移情機器人產(chǎn)生了興趣。我發(fā)現(xiàn)很有趣的是，用戶是如何自然地對個人助理系統(tǒng)產(chǎn)生情感反應的，以及當他們的機器無法理解他們試圖交流的內(nèi)容時，他們變得多么沮喪。我意識到制造能夠理解人類情感的機器的關(guān)鍵是語音識別算法，就像我25年來職業(yè)發(fā)展的那些算法一樣。任何智能機器都是這樣，在它的核心，一個由模塊組成的軟件系統(tǒng)，每一部分都擔任著各自的任務。一個智能機器人的模塊一個可以用于處理人類語音的模塊，一個用于識別攝像機捕獲的圖像中的物體，等等。移情機器人有一顆心，而這顆心是一種叫做移情模塊的軟件。移情模塊分析面部線索、語音中的聲學標記以及語音本身的內(nèi)容，以讀取人類的情感，并告訴機器人如何做出反應。當兩個人進行交流時，他們會自動使用各種線索來理解對方的情緒狀態(tài)-他們解釋面部手勢和肢體語言；他們感知聲音的變化；他們理解說話的內(nèi)容。建立一個移情模塊是一個問題，就是識別人類交流的那些特征，機器可以用來識別情感，然后訓練算法來識別它們。當我的研究小組開始訓練機器來檢測語言中的情感時，我們決定教機器除了識別單詞本身的意義之外，還能識別語音的基本聲學特征，因為這就是人類所做的事情。我們的大腦通過注意聲音信號來檢測人的聲音中的情緒，這些聲音暗示著壓力、快樂、恐懼、憤怒、厭惡等等。當我們高興的時候，我們會說得更快，我們的聲音也會提高。當我們感到壓力時，我們的聲音變得平淡而“枯燥”。利用信號處理技術(shù)，計算機可以檢測到這些信號，就像測謊儀能測量血壓、脈搏和皮膚電導率一樣。為了檢測壓力，我們使用監(jiān)督學習來訓練機器學習算法來識別與壓力相關(guān)的聲波信號。一個簡短的人類語音記錄可能只包含幾個單詞，但我們可以從聲音的音調(diào)中提取出大量的信號處理數(shù)據(jù)。我們從教學機器開始，在我所在學校的學生的語音樣本中識別負壓(苦惱)。我們用英語、普通話和廣東話建立了有史以來第一個多語種的自然壓力情緒語料庫，向?qū)W生提出了12個壓力越來越大的問題。當我們收集了大約10個小時的數(shù)據(jù)時，我們的算法能夠準確地識別70%的時間壓力-與人類聽眾非常相似。當我們在做這項工作的時候，我組內(nèi)的另一個團隊是訓練機器，通過單獨分析聲波特征來識別音樂中的情緒（即沒有注意歌詞）。該團隊的主演是以主要的歐洲和亞洲語言收集來自所有流派的5000件音樂。這些作品中，有幾百名已經(jīng)被音樂學家分類為14種情緒卡。我們從每個歌曲聲學參數(shù)中提取了大約1000個基本信號屬性，如能量、基頻、諧波等，然后使用標記音樂來訓練14個不同的軟件“分類器”，每個軟件負責確定一首音樂是否屬于特定的情緒。例如，一個分類器只聽快樂的音樂，另一個分類器只聽憂郁的音樂。這14個分類器一起工作，建立在彼此的猜測之上。如果一個“快樂”分類器錯誤地發(fā)現(xiàn)一首憂郁的歌曲是快樂的，那么在下一輪的重新學習中，這個分類器將被重新訓練。在每一輪，最弱的分類器被重新訓練，整個系統(tǒng)被提升。以這種方式，機器聽許多音樂，并學習哪一個屬于哪種情緒。隨著時間的推移，它能夠通過只聽音頻來分辨任何音樂的情緒，就像我們大多數(shù)人所做的那樣。理解意圖要理解幽默、諷刺、反諷和其他高層次的溝通屬性，機器需要做的不僅僅是從聲學特征中識別情感，還需要理解言語的基本含義，并將其內(nèi)容與傳遞的情感進行比較。自20世紀80年代以來，研究人員一直在利用人類收集的數(shù)據(jù)開發(fā)出先進的語音識別技術(shù)，而今天的技術(shù)已經(jīng)相當成熟。但是，在轉(zhuǎn)錄和理解語言之間有著巨大的區(qū)別。想想當一個人和另一個人說話時所發(fā)生的一系列認知、神經(jīng)和肌肉事件：一個人制定她的想法，選擇她的話，然后聽者破譯信息。人和機器之間的語音鏈是這樣的：語音波被轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，然后是內(nèi)部參數(shù)。語音識別軟件將這些參數(shù)轉(zhuǎn)化為單詞，而語義解碼器則將單詞轉(zhuǎn)換成意義。當我們開始研究移情機器人時，我們意識到類似于從在線評論中提取用戶情感的算法可以幫助我們分析語音中的情感。這些機器學習算法在內(nèi)容中尋找線索。像“悲傷”和“恐懼”這樣的關(guān)鍵詞意味著孤獨。反復使用表露性口語詞可以揭示一首歌是精力充沛的。我們還分析了有關(guān)說話風格的信息。一個人的答案是肯定的、清晰的還是猶豫不決的，停頓和模糊的詞是詳盡而詳細的，還是簡短而簡短的回答？在我們對音樂中情緒識別的研究中，我們訓練了算法來挖掘情感線索的歌詞。我們沒有提取每一首音樂的音頻簽名，而是從歌曲的歌詞中提取單詞串，并將它們提供給各個分類器，每個分類器負責確定這串單詞是否傳達了14種情緒中的任何一種。這樣的字串叫做“n-克”。除了字串外，我們還使用這些詞的泛詞性標記作為歌詞“簽名”的一部分，用于情緒分類。計算機可以使用n格和部分語音標記來形成任何語言中語法規(guī)則的統(tǒng)計近似；這些規(guī)則有助于像Siri這樣的程序識別語音，并且像Google這樣的軟件將文本轉(zhuǎn)換成另一種語言。一旦機器能夠理解語音的內(nèi)容，它就可以將該內(nèi)容與傳遞的方式進行比較。如果一個人嘆氣說，"我很高興能在周末工作，"算法可以檢測情感線索與語句內(nèi)容之間的不匹配，并計算說話人在挖苦的概率。類似地，能夠理解情感和語音內(nèi)容的機器可以將該信息與其它輸入配對以檢測更復雜的意圖。如果有人說，"我餓了，"機器人可以根據(jù)其位置、時間和用戶的歷史偏好以及其他參數(shù)來確定最佳響應。如果機器人及其用戶在家并且?guī)缀跷绮蜁r間，機器人可能會知道響應："你要我給你做三明治嗎"如果機器人及其用戶正在途中，機器可能會響應："你想讓我去找餐館嗎？"超級機器人-Zara在這一年的開始，我的實驗室里的學生和博士后研究人員開始把我們的各種語音識別和情感識別模塊拉在一起，成為我們稱之為Zara超級女孩的原型。它花費了數(shù)百小時的數(shù)據(jù)來訓練Zara，但是今天的程序在一臺臺式計算機上運行。當你開始和Zara交談時，她說，“請等我分析你的臉”；Zara的算法研究由電腦的攝像頭捕捉到的圖像，確定你的性別和種族。然后她會猜出你說的是哪種語言，然后用你的母語問你幾個問題。你最早的記憶是什么？跟我說說你媽媽。你的假期過得怎么樣？告訴我一個女人，一只狗和一棵樹的故事。通過這個過程，基于你的面部表情，你聲音的聲學特征和你反應的內(nèi)容，Zara將以模仿移情的方式回答。在交談五分鐘后，Zara會試著猜測你的性格，并詢問你對移情機器的態(tài)度。這是我們收集人們對他們互動的反饋的一種方式，這是早期移情機器人的一種方式。Zara是一個原型，但因為她是基于機器學習的算法，她會變得“更聰明”和更有同情心，因為她與更多的人互動，收集更多的數(shù)據(jù)。現(xiàn)在說友好機器人時代已經(jīng)到來還為時過早。我們才剛剛開始開發(fā)情感智能機器人所需要的最基本的工具。當Zara的后代開始上市時，我們不應該期望他們是完美的。事實上，我已經(jīng)開始相信，專注于使機器完美準確和高效是沒有意義的。重要的是我們的機器變得更人性化，即使它們有缺陷。畢竟，這就是人類的工作方式。如果我們做得對，移情機器就不會像某些人所害怕的那樣成為機器人的霸主。他們將是我們的照顧者，我們的老師和我們的朋友。Unit2textB啟動納米機器人納米醫(yī)學研究人員所設想的長期未來包括不可思議的微小治療劑，它們能自行巧妙地導航到身體任何位置的特定目標——并且這也是它唯一的目標。這些自導式機器到達后，可能會以多種方式發(fā)揮作用——從輸送藥用有效載荷到實時提供有關(guān)其疾病治療進度情況的最新信息。然后，在完成任務后，他們將安全地進行生物降解，幾乎不留痕跡。這些所謂的納米機器人將由生物相容性材料、磁性金屬甚至DNA細絲制成：所有材料都經(jīng)過精心挑選，因為它們在原子尺度上具有有用的性質(zhì)，并且能夠在不受干擾的情況下滑過人體的防御系統(tǒng)，不會引發(fā)任何細胞損傷。盡管這一愿景可能需要一兩年的時間才能實現(xiàn)，但醫(yī)學研究人員已經(jīng)開始著手解決一些技術(shù)問題。最大的挑戰(zhàn)之一是確保納米設備能夠達到人體內(nèi)指定的目標波動力如今市場上的大多數(shù)藥物要么直接注射到血液中，要么從胃腸道吸收到血液中，這使得藥物容易在血液中漂浮。但它們最終會到達需要它們的地方，也會導致不必要的并發(fā)癥。相比之下，復雜的納米藥物被設計成可以引導到腫瘤或其他問題部位，藥物載荷可以在這些部位被釋放，從而降低副作用的幾率。納米工程學系主任，加利福尼亞大學圣地亞哥分校的杰出教授約瑟夫·王說，磁場和超聲波是近期指導納米醫(yī)學的主要候選對象。在磁性方法中，研究人員將氧化鐵或鎳的納米粒子嵌入特定藥物中。然后，他們使用一組位于鼠標或其他對象外部的永磁體，通過操縱各種磁場將金屬藥物推入或拉出人體，使其到達選定的位置。在超聲波方法中，研究人員將聲波指向含有藥物的納米氣泡，使它們以足夠大的力破裂，使氣泡中的藥物可以穿透目標組織或腫瘤的深處。去年，英國基爾大學(KeeleUniversity)和諾丁漢大學(UniversityofNottingham)的醫(yī)學研究人員在治療骨折的工作中，為他們的磁性療法增加了一個有益的轉(zhuǎn)折。他們將氧化鐵納米顆粒附著到單個干細胞上，然后將該制劑注射到兩種不同的實驗環(huán)境中：胎兒雞股骨和由組織工程化的膠原蛋白水凝膠制成的合成骨支架。一旦干細胞到達斷裂處，研究人員就使用振蕩的外部磁場迅速轉(zhuǎn)移納米顆粒上的機械應力，從而將力傳遞給干細胞。這種生物力學應力幫助干細胞更有效地分化為骨骼。兩種情況下都出現(xiàn)了新的骨骼生長，盡管總體愈合不平衡?；鶢柨茖W技術(shù)學院醫(yī)學博士后研究員詹姆斯·亨斯托克說，研究人員最終希望，在富含鐵氧化物的干細胞中加入各種生長因子將使修復過程更加順利。自主納米醫(yī)學磁性和聲學方法的主要缺點是需要外部引導（這很麻煩），而且磁場和超聲波只能穿透體內(nèi)這么遠的事實。開發(fā)用于運送治療性貨物的自動“微型電動機”可以解決這些問題。這樣的微型電動機將依靠化學反應來推進，但是毒性是一個問題。例如，氧化葡萄糖（一種存在于血液中的糖分子）會生成過氧化氫，可用作燃料。但是研究人員已經(jīng)知道，這種特定方法從長遠來看是行不通的。過氧化氫腐蝕生物組織，體內(nèi)葡萄糖不能產(chǎn)生足夠的過氧化氫來為微型電機提供足夠的動力。更有希望的工作是嘗試使用其他天然存在的物質(zhì)，例如胃酸（用于胃部）或水（在血液和組織中含量豐富）作為動力源。但是，這些自走式設備的準確導航可能會更大。僅僅因為納米粒子可以移動到任何地方并不意味著它們一定會精確地移動到研究人員希望它們移動的地方。自主轉(zhuǎn)向還不是一種選擇，但是一種變通辦法是確保僅當納米藥物發(fā)現(xiàn)自己處于正確的環(huán)境中時才起作用。為了達到這個目的，研究人員已經(jīng)開始使用合成形式的DNA制造納米機器。通過對分子的亞基進行排序，使其靜電荷迫使其折疊成特定的構(gòu)型，科學家可以對構(gòu)建體進行工程改造，以執(zhí)行各種任務。芝加哥大學化學教授YamunaKrishnan說，例如，某些DNA片段可能折疊成容器，只有當包裝中遇到對疾病過程重要的蛋白質(zhì)或遇到腫瘤內(nèi)部的酸性條件時，這些容器才能打開并釋放其內(nèi)容物?？死锵Ｄ希↘rishnan）和她的同事們設想了由DNA制成的更先進的模塊化實體，可以對它們進行編程以完成不同的任務，例如成像或組裝其他納米機器人。然而，合成DNA的價格昂貴，是傳統(tǒng)上用于傳遞藥物的材料的100倍以上。克里希南說，目前這種價格阻礙了制藥公司將其作為治療藥物的投資。這一切與在1966年的電影《奇幻之旅》中建造讓人聯(lián)想起Proteus的智能潛艇艦隊相去甚遠。盡管如此，納米機器人終于朝著這個方向發(fā)展。Unit4textA與地球同齡的古老巖石科學家發(fā)現(xiàn)了一些古老的巖石，這些巖石或許可以讓我們一窺地球的初期階段和生命涎生之初的景象。努夫亞吉圖克綠巖帶完全不像-片戰(zhàn)場。它位于加拿大哈德遜灣的東北邊緣，與最近的人類定居點伊努朱瓦克相距30公里。從海岸線上看，開闊的地面延伸到低矮的山丘上，有些被地衣覆蓋，有些被冰河時期的冰川刮得光禿禿的。裸露的巖石伸展和折疊的復雜性是美麗的。有些是灰色和黑色的，布滿了淺色的血管。還有一些是粉紅色的，點綴著石榴石。在一年的大部分時間里，這里只有馴鹿和蚊子。但是這個寧靜的地方確實是一個戰(zhàn)場——一個科學的戰(zhàn)場。近十年來，相互競爭的地質(zhì)學家團隊一直前往伊努楚克，在那里，他們用獨木舟裝載露營裝備和實驗室設備，沿著海岸或海灣跋涉到貝爾提提爾。他們的目標是:證明巖石的年齡。一個由科羅拉多大學地質(zhì)學家StephenJ.Mojzsis領(lǐng)導的研究小組確定年齡為38億年。這是相當古老的，雖然沒有創(chuàng)造記錄。喬納森·奧尼爾，渥太華大學的另一個團隊的負責人，認為努夫亞吉圖克巖石形成于44億年前。這將使它們成為迄今為止地球上發(fā)現(xiàn)的最古老的巖石。這還不是最不重要的。如此古老的巖石將告訴我們，地球表面是如何在其狂暴的嬰兒期形成的，以及生命是如何在多長時間之后出現(xiàn)的——這是地球歷史上的一個關(guān)鍵章節(jié)，至今仍遙不可及。從45.68億年前形成到40億年前，地球歷史上的第一個5億年是水傾瀉而下而形成海洋的時期，是陸地浮出海面形成大陸的時期。那是一個彗星和小行星撞擊地球的時代，一個火星大小的失敗行星可能與我們地球相撞，從拋出的殘骸中形成了月球。但地質(zhì)學家對這些事件發(fā)生的時間先后沒有多少線索，比如一些可以表明海洋可能形成于月球之前的礦物斑點。他們發(fā)現(xiàn)自己的處境和古希臘哲學家的傳記作者差不多，試圖從羊皮紙的碎片和二手故事中挖掘盡可能多的意義。如果奧尼爾是對的，努夫亞吉圖克的巖石確實有44億年的歷史，那么它們讀起來就不會像碎片，而是像整本書。成千上萬英畝的礦物正等待著被研究，也許這是長期以來未解之謎的答案。是板塊構(gòu)造很早就開始了呢，還是地球在大陸和海洋地殼開始移動前幾億年就成熟了呢?最年輕的海洋和大氣的化學成分是什么?地球形成后多久出現(xiàn)了生命?如果Mojzsis是對的，地球歷史上最早的篇章將仍然不得而知。如果奧尼爾是對的，那就是努夫亞吉圖克的巖石是地質(zhì)學最珍貴的寶藏之一.被封印的時光就像構(gòu)成地殼大部分的巖石一樣，努夫亞吉圖克的巖石通常以兩種方式出現(xiàn)。在某些情況下，細顆粒沉降到海底，在那里它們被逐漸壓入沉積巖層。在其他情況下，熔融的巖漿從地幔上升，冷卻并結(jié)晶成火成巖。地球上的古老地殼，像努夫亞吉圖克這樣原封不動保存下來的地方屈指可數(shù)，而其余的都消失了。一些巖石被雨和風慢慢地侵蝕，然后又被沖回海洋進行新的沉積。許多其他的巖石被地殼構(gòu)造板塊帶到了地殼之下，沉入了灼熱的地幔，巖石在那里融化，它們原來的身份就像扔進溫暖池塘的冰塊一樣消失了。它們的原子混合在巖漿中，又以新鮮的、年輕的石頭的形式出現(xiàn)。早期地球上的巖石也被巨大的小行星摧毀，這些小行星撞擊地球并融化了大部分地殼。大約44億年前的一次碰撞，被稱為“大撞擊”的災難將大量的物質(zhì)拋入軌道，形成了月球。卡耐基科學研究所的理查德·w·卡爾森說:“這次巨大的撞擊可能把地球弄得一團糟。你不會想待在這里的，你可能寧愿想從金星上目睹這一切?！笨紤]到太多的古代巖石以這樣或那樣的方式被破壞，樣本稀少也就不足為奇了。這就是為什么努夫亞吉圖克備受珍視和熱議的原因。此前，世界上只有少數(shù)幾個地方檢測出了38億年前的樣本。最古老的是來自凍土帶的西北地區(qū)，可以追溯到39.2億年以前。早期巖石的稀少促使地質(zhì)學家尋找其他線索，以了解這顆行星在最初幾億年間是什么樣子。其中一些線索來自被稱為鋯石的微小晶體。這些堅固的鋯石礦物有時會在冷卻的巖漿中形成。當由此產(chǎn)生的巖石后來被侵蝕時，有些鋯石可能仍然完好無損，即使它們重新定居在海洋上，并被并入較年輕的沉積巖中。構(gòu)成鋯石的化學鍵可以捕獲放射性交流比如鈾。這些原子的衰變就像一個時鐘，地質(zhì)學家可以用它來測量鋯石的年齡。這些晶體還會困住其他化學物質(zhì)，這就為了解地球形成時的情況提供了一些線索。“鋯石是偉大的，因為它們是時間膠囊，”Mojzsis說。在澳大利亞內(nèi)陸，地質(zhì)學家們發(fā)現(xiàn)了沉積巖，上面散布著大量的古老鋯石。有些鋯石(但不包括周圍的巖石)可以追溯到44億年前，這使它們成為迄今為止發(fā)現(xiàn)的最古老的地質(zhì)歷史遺跡。自2001年被發(fā)現(xiàn)以來，科學家們已經(jīng)從這些微小的寶石中獲得了大量的信息。它們的結(jié)構(gòu)表明，它們最初形成的巖石在地表以下約4英里處凝固。Mojzsis和他的同事也在一些澳大利亞鋯石中發(fā)現(xiàn)了水的化學指紋?？茖W家們從沉積鋯石中提取的信息比沒有要好得多，但比他們從鋯石生長的原始巖石中獲得的信息要少得多。巖石含有許多其他的礦物，這些礦物結(jié)合在一起可以揭示更多關(guān)于地球形成時的情況。阿爾伯塔大學的LarryHeaman說，除非你有這些巖石，否則你就沒有完整的故事。這讓我們回到了努夫亞吉圖克。純運氣20世紀90年代末，魁北克政府發(fā)起了大規(guī)模的地質(zhì)考察，繪制了該省北部地區(qū)的第一張詳細地圖。該地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)類似于洋蔥，古老的大陸地殼核心被年輕的巖石層所包圍。大部分的巖石被證明是28億年前的。但是皮埃爾·納多，當時是西蒙·弗雷澤的博士研究生英屬哥倫比亞大學，帶回了一個可以追溯到38億年前的樣本。純粹是運氣好，他被送到了努夫亞吉圖克綠石帶?！鞍l(fā)現(xiàn)這些巖石就像擁有一顆寶石。”其他地質(zhì)學家開始長途跋涉前往努瓦瓦吉圖克。在這些朝圣者中有奧尼爾，他在麥吉爾大學獲得博士學位。他被格陵蘭島38億年前的努夫亞吉圖克巖石的化學相似性所震撼。也許他們屬于同一塊古老的大陸。為了探究其中的化學成分，奧尼爾與卡內(nèi)基研究所的卡爾森進行了合作?？柹蔷_測量古代巖石的專家。要想確定努夫亞吉圖克的石頭是否古老，唯一明確的方法就是確定它的年代。為了做到這一點，科學家們計算了被困在石頭里的放射性同位素的水平。放射性同位素是原子的變體，它們是太陽系形成的塵埃云團的一部分。它們變成了固化的行星和隕石，當?shù)厍蛏系膸r石結(jié)晶時，它們被囚禁在里面。隨著時間的推移，同位素逐漸以有規(guī)律的、時鐘般的速度分解。測量今天剩余的水平揭示了巖石的年齡。在卡內(nèi)基研究所的實驗室里，奧尼爾和卡爾森計算了不同同位素的濃度。就在那時，他們意識到努夫亞吉圖克樣品有些奇怪。在同位素中有一種叫做釹142。它是由釤146的分解形成的。地球上沒有天然的釤146，因為它的半衰期很短，據(jù)估計只有6800萬年。“它已經(jīng)消失很久了，”卡爾森說。Sa-marium146在地球形成時就存在了，因為它是由啟動太陽系的超新星注入的。但后來它隨著我的消失而消失了?？柹退耐聜儼l(fā)現(xiàn)了不同的努夫亞吉圖克巖石含有不同比例的釹142和其他釹同位素。只有當這些巖石是在釤146時期形成的地球。奧內(nèi)爾、卡爾森和他們的同事們比較了這些巖石的比例，以估計這些巖石形成的時間。這個數(shù)字是他們誰也沒有預料到的:42.8億年。令他們吃驚的是，他們發(fā)現(xiàn)了地球上最古老的巖石。“這完全不是我們期望的結(jié)果，”奧尼爾說。他和他的同事在2008年報告了他們的發(fā)現(xiàn)。從那時起，他們分析了其他樣本，目前，估計努夫亞吉圖克巖石有44億年的歷史。最古老的巖石？O’Neil和他的同事首次宣布在溫哥華地理發(fā)布會上他們的結(jié)果，Mojzsis還記得那次震驚聽到這個消息，他感到:“我大吃一驚。我環(huán)顧四周，人們都是驚呆了。我想，‘這太奇怪了。’”Mojzsis有理由感到驚訝。他是少數(shù)幾個前往努夫亞吉圖克跟進納多研究的地質(zhì)學家之一。Mojzsis和他的同事們發(fā)現(xiàn)了一個火成巖脈，它在地殼形成后穿過了地殼。結(jié)果里面含有鋯石。在回科羅拉多，Mojzsis和他的同事們確定了鋯石的年齡是37.5億年——這個結(jié)果與之前的一致納多最初的估計是38億年?，F(xiàn)在，奧尼爾站在Mojzsis和科學界的其他人面前，宣布努夫亞吉圖克的巖石比他們檢測的早了5億年。Mojzsis的合作者BernardBourdon來自法國高等師范學院法國里昂的高等院校索要了一些奧尼爾的樣品，并再次進行了測試。釹的測量是正確的。然而，“這對我來說沒有意義，”Mojzsis說。所以，在2011年，Mojzsis和他的學生回到努夫亞吉圖克進一步研究這個網(wǎng)站。他們繪制了O'Neil年代測定樣本周圍的地形和巖層。據(jù)報道，在44億年前的巖石中，他們看到了明亮的綠色石英巖帶。Mojzsis認為，這提供了一種測試方法努夫亞吉圖克巖石是地球上最古老的巖石。地質(zhì)學家在更年輕的巖層中也發(fā)現(xiàn)了類似的安排。它們發(fā)生在海底火山將熔融的巖石散布到海底的時候。有時火山熄滅，陸地上的沉積物沉積在火成巖的頂部。然后火山再次噴發(fā)，將沉積巖掩埋在一層新的火成巖中。如果努夫亞吉圖克的情況是這樣的話，那么石英巖就是在一次火山間歇期間從一個古老大陸的沉積物中形成的。如果那個石英巖有鋯石，那些鋯石肯定比周圍的火山巖更古老，因為它們的歷史要長得多。Mojzsis說:“我們趴在地上爬過許多露頭?！苯?jīng)過幾天的搜尋，他們發(fā)現(xiàn)了兩塊含有鋯石的石英巖，其中一塊含有數(shù)千種微小的礦物質(zhì)。當他們把這些鋯石帶回科羅拉多州時，Mojzsis發(fā)現(xiàn)它們有38億年的歷史。這正是他們在過去的巖石中所沒有預料到的44億年前。Mojzsis的團隊還從其他科學的角度研究了努夫亞吉圖克的年齡問題。例如，他們使用另一個時鐘來確定巖石的年代，這是基于镥衰變?yōu)殂x的基礎上得出的。再一次，他們得出了38億年。所有這些證據(jù)使Mojzsis關(guān)于努夫亞吉圖克有了一個新的說法大約在44億年前，一些熔巖上升到地球表面并變成固體。當它結(jié)晶時，它捕獲了一些仍然存在于早期地球上的短壽命放射性釤146。但隨后古老的地殼被拉回地幔。這些物質(zhì)被加熱到不再是巖石的程度，但所有的物質(zhì)都沒有混合到周圍的地幔中。它的一部分仍然是一個獨特的斑點，有自己獨特的釹含量。最后，6億年后，火山活動將這些物質(zhì)推回到地表，形成了巖石，其中包含了一些古老的斑點，以及這些斑點44億年前的特征?！澳欠N融化本身就能留下前世的記憶，”Mojzsis說。因此，一塊38億年前的巖石可能看起來有44億年的歷史。鋯石神秘解釋Mojzsis和他的同事們已經(jīng)在地質(zhì)會議上提出了這些結(jié)果，有時在ONeil提出相反觀點的會議上，ONeil認為這些巖石形成于44億年前，從那以后就一直存在于地殼中。尼爾的團隊已經(jīng)回到努夫亞吉圖克，收集了10到50塊古代巖石。這些新數(shù)據(jù)都沒有與最初對該遺址年齡的估計發(fā)生沖突。ONeil還反駁了Mojzsis和他的同事們曾經(jīng)提出的努夫亞吉圖克只有38億年歷史的證據(jù)。“我們對該地區(qū)的地質(zhì)情況存在嚴重分歧，”奧尼爾說。以Mojzsis發(fā)現(xiàn)鋯石的石英巖層為例。在像努夫亞吉圖克一樣古老的巖層中，要確定是何種巖石構(gòu)成了一個巖層并不容易，因為它在數(shù)十億年的時間里已經(jīng)發(fā)生了如此多的變形。奧尼爾認為石英巖帶根本不是石英巖帶。相反，他認為，38億年前，是一條巖漿脈將自己推入古老的巖石中。因此，鋯石的年齡與周圍巖石的年齡無關(guān)。奧尼爾說，他自己的石頭“沒有什么稀奇古怪的”?！八麄冋娴暮芾狭恕！毕Ｂ救司褪枪艓r石方面的專家，他認為奧尼爾和他的同事提出了一個很好的例子?！拔艺J為他們的證據(jù)是令人信服的，”他說?！八麄円呀?jīng)做了盡職調(diào)查。“但希曼還認為，在科學家們找到另一種確定巖石年代的方法之前，一些不確定性將持續(xù)存在。有可能在有爭議的努夫亞吉圖克巖石中隱藏著一些含有鈾和鉛的礦物。這種組合是判斷古代最可靠的方法，因為科學家們對此有豐富的經(jīng)驗。生命形成的時間？如果努夫亞吉圖克巖石確實有44億年的歷史，奧尼爾相信它們有可能為早期地球打開一扇廣闊的窗戶，因為它們是在地球形成后不久形成的巨大的影響。當時，澳大利亞的鋯石也在地幔幾英里深處形成。但奧尼爾認為，努夫亞吉圖克巖石是在月球表面形成的。他說:“這些巖石的地球化學真的看起來像一個海底。”如果這是真的，它證實了地球在巨大的撞擊后不久就形成了海洋。奧尼爾還發(fā)現(xiàn)，這些巖石的化學成分與最近形成的海底巖石非常相似。這意味著，當世界上的海洋第一次出現(xiàn)的時候，它們與今天并沒有太大的不同。奧尼爾甚至認為，這些巖石顯示出板塊構(gòu)造的跡象，表明這一過程在地球的歷史上很早就開始了。如果44億年前在海底形成的努夫亞吉圖克巖石能夠解釋生命的起源，那將是一個更令人興奮的前景?，F(xiàn)在，化石足跡在35億年前就消失了。在更年輕的巖石中，科學家發(fā)現(xiàn)了保存下來的細菌。在比這更古老的巖石中，他們沒有發(fā)現(xiàn)。但化石并不是生命留下的唯一痕跡。由于細菌以碳為食，它們可以改變環(huán)境中碳同位素的平衡，這種不平衡可以保存在當時形成的巖石中。一些研究人員聲稱，來自格陵蘭島38億年前的巖石攜帶著不平衡，這是生命的標志。這仍然沒有留下地球存在前7億年有生命存在的證據(jù)。因此，科學家們不能確定地球上的生命是在地球形成后不久迅速開始，還是推遲了幾億年才開始。他們還沒有找到地球上生命的起源。一些研究人員認為，生物分子出現(xiàn)在沙漠或潮汐池中。其他人則認為深海熱液噴口是最初的托兒所。如果44億年前在海底形成的努夫亞吉圖克巖石是研究這些大問題的完美材料。奧尼爾希望與研究人員合作，看看這些巖石是否可能是在熱液噴口形成的。我們不能忽視這些巖石。他說，這是生命形成的理想場所。發(fā)現(xiàn)最早的生命痕跡也是莫吉茲的一個癡迷，但他不會在努夫亞吉圖克尋找它們。他說:“我將把我的余生都用來追求這種胡說八道的東西?！比欢琈ojzsis確實從他與奧尼爾和其他人的分歧中看到了一個重要的好處。當他們在爭論的時候，他們正在發(fā)展出更好的方法來測定老巖石的年齡?！斑@真的是一場精彩的辯論，”Mojzsis說。未來的地質(zhì)學家們冒險到世界的偏遠角落，帶回神秘的樣本，他們將能夠使用這些方法，最終揭開早期地球的面紗。至少在這一點上，奧尼爾和莫吉斯是一致的?！八羞@些古老巖石的小飛地可能到處都是，”奧尼爾說?！八麄冋娴暮苋菀妆缓鲆?。”Unit4textBFossilGPS2009年7月的一個炎熱的日子里，一輛四輪驅(qū)動的大篷車行駛在在懷俄明州西南部的大分水嶺盆地一條模糊不清、塵土覆蓋的雙行道上，目的地指向“荊棘刺”區(qū)域。這次考察是為了在荊棘刺尋找埋葬于地下的寶藏——5500萬至5000萬年前始新世初期的化石遺跡，那時許多目一級現(xiàn)代哺乳動物的祖先開始取代早先古新世的古老哺乳動物類群。我從1994年起，就帶領(lǐng)一個由人類學家、古生物學家和地質(zhì)學家組成的野外團隊考察這個盆地。這些年來，荊棘刺一直是化石的多產(chǎn)地，科學家已經(jīng)在此找到過好幾個化石點。但這次，我們卻遇上了麻煩——我?guī)уe路了，走上一條我們以前沒走過的路。然而，我的錯誤卻讓我們撞上了大運。道路漸漸隱沒于荊棘和草叢中，我停下了車，走下來看前面的路。我發(fā)現(xiàn)有一座小山旁有一大片砂巖，它們離這不遠，正好在路邊。由于大分水嶺盆地的砂巖和美國西部的許多其他沉積盆地經(jīng)常含有化石，所以我決定在繼續(xù)向荊棘刺進發(fā)前花些時間在這些砂巖中找一找。我們趴在巖石上細細搜尋，一個小時后，我當時的研究生蒂姆·赫爾德(TimHeld)和賈斯汀·任碧希(JustinGish)喊道，他們找到了一對不錯的哺乳動物頜骨化石。我興致勃勃地加入他們。擁有牙齒的頜骨化石是珍貴的，因為它們包含了足夠的信息，可以識別出它們來自何種動物，即使在沒有其他部分的骨骼存在的情況下也是如此，因為它們能揭示出動物吃什么。接下來發(fā)生的事情恐怕是每一個古生物學家的夢想。我的學生們發(fā)現(xiàn)了一個化石熱點區(qū)。普通的熱點區(qū)不過是從砂巖中風化出來的幾塊頜骨、幾把牙齒，可是這個熱點區(qū)卻非同尋常。他們發(fā)現(xiàn)了一個非凡的寶藏，我們現(xiàn)在從這些寶藏中收集了近500具保存完好的頜骨，以及幾千枚牙齒和幾千塊骨頭。這些化石來自于大約5000萬年前生活在這里的20多種不同的哺乳動物化石。我們稱這個地方為“蒂姆告白地”，如今它不僅是我們在大分水嶺盆地找到的最佳化石產(chǎn)地，也是整個美國西部地區(qū)最豐富的始新世早期哺乳動物化石寶庫。我的團隊并不是第一個偶然發(fā)現(xiàn)化石的團隊。古生物學的歷史充滿了這些意外發(fā)現(xiàn)。事實上，脊椎動物古生物學家找到大量化石地址的方式，自我們最早的科學時代以來并沒有改變多少。就像我們這個領(lǐng)域19世紀的先驅(qū)者一樣，我們利用地理學和地形雪的證據(jù)來確定我們在哪里可能最有機會找到古代沉積巖侵蝕形成的化石。但除此之外，我們是否能賺到錢在很大程度上還是靠運氣，而尋找化石的艱苦工作往往得不到回報?！暗倌犯姘椎亍钡慕?jīng)歷讓我開始思考，是否有更好的方法來確定我的野外工作人員應該把精力花在哪里尋找新的化石地點。我們知道我們感興趣的化石是在5500萬到5000萬年前的砂巖中發(fā)現(xiàn)的，我們知道盆地中有一些這樣的沉積層暴露在什么地方，因此適合勘探。但是，盡管這些信息在一定程度上縮小了我們的搜索范圍，但仍留下了數(shù)千平方公里的土地要覆蓋，還有很大的空手而歸的機會。后來在營地的一個晚上，一個想法開始萌芽。在離最近的光污染源幾公里遠的野外，我們經(jīng)?？吹叫l(wèi)星從頭頂飛過。我想知道我們是否能以某種方式結(jié)合我們的當?shù)氐刭|(zhì)、地形和古生物學專業(yè)知識，通過衛(wèi)星看到整個大分水嶺盆地1萬平方公里的區(qū)域，并在自然狀態(tài)下繪制其可能的化石熱點。也許衛(wèi)星可以“看到”肉眼看不到的陸地特征，這可以幫助我們發(fā)現(xiàn)更多裸露的砂巖，和那些沒有含有化石的礦石區(qū)別開。天眼（分析衛(wèi)星圖像）當然，其他古生物學家也在思考衛(wèi)星圖像是否能提高我們在野外找到化石的能力。作為靈長類和人類進化的化石記錄專家，我知道在20世紀90年代，東非大裂谷研究服務中心的BerhaneAsfaw和他的同事們使用這些圖像來識別埃塞俄比亞的巖石暴露情況，這些巖石可能會有人類進化的化石。大約在同一時間，丹佛市自然科學博物館的RichardStucky證明了在Wy區(qū)中心富含化石的風河盆地的不同巖石單元可以根據(jù)該地區(qū)的衛(wèi)星圖像進行區(qū)分和繪制。這兩個項目都涉及古生物學家和美國宇航局遙感專家的合作，并證明了這種跨學科努力的價值。但我想知道是否有辦法從衛(wèi)星圖像中提取更多信息，從而更好地聚焦我們的搜索。我轉(zhuǎn)向地理學家，這篇文章的另一位作者(愛默生)，我們兩人很快就草擬了一個計劃。我們將從美國地球資源衛(wèi)星7號和它的所謂的增強型專題成像儀獲得免費的盆地圖像，增強型專題成像儀能檢測到輻射反射或發(fā)射波長覆蓋地球表面的電磁波譜——從藍波到紅外波——并在八個離散譜帶中表示它。這些波帶可以用來區(qū)分例如，從植被中提取的土壤，或繪制礦藏圖。然后，我們將開發(fā)出一種方法，使我們能夠利用衛(wèi)星圖像對大分水嶺盆地已知的大量化石地點的輻射輪廓進行氣固分析，并觀察它們是否具有可泄露的光譜特征。如果是這樣的話，我們就可以從我們的計算機上搜索整個大分水嶺盆地，以找到具有這種光譜特征從而有很大的可能性產(chǎn)生化石的新地點。然后，我們可以親自到這些地方進行詳盡的搜索，尋找化石來測試模型。確定我們已知的化石遺址是否共享一個獨特的光譜特征并非易事，因為對于每個地點，我們必須將Landsat數(shù)據(jù)提供的6個波段電磁光譜值組合起來進行評估。我們的問題本質(zhì)上是多維度的模式識別，這是人類做得不是特別好但計算機擅長的。所以我們采用了所謂的人工神經(jīng)網(wǎng)絡——一種能夠?qū)W習復雜模式的計算模型。我們的人工神經(jīng)網(wǎng)絡顯示，盆地中已知的化石地點確實共享一個光譜特征，能夠很容易地將這些砂巖地區(qū)與濕地和沙丘等其他類型的地面覆蓋區(qū)區(qū)分開來。但是這個模型有它的局限性。神經(jīng)網(wǎng)絡的本質(zhì)，分析型“黑盒子”，意思是它們可以區(qū)分模式，但它們不能揭示不同的模式得以區(qū)分的實際因素。而我們神經(jīng)網(wǎng)絡可以很容易地將化石地區(qū)與濕地或沙丘準確區(qū)分開,它不能告訴我們不同的土地覆蓋的光譜特征在陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)的6個波段中是如何不同表現(xiàn)——可以幫助我們進行更有針對性的搜索的信息。神經(jīng)網(wǎng)絡方法的另一個限制是，它完全基于分析單個像素。問題是，225平方米的單個陸地衛(wèi)星像素，在本質(zhì)上與化石產(chǎn)地的大小不符:有些地方比單個像素還大;有些更小。因此，神經(jīng)網(wǎng)絡對潛在化石地點的預測并不總是與現(xiàn)實相符。為了克服這些限制，我們需要能夠分析多個相鄰的和光譜相似的像素，并且能夠精確地描述整個區(qū)域的獨特光譜特征，無論是化石遺址還是森林。我們求助于一種被稱為基于地理對象的圖像分析技術(shù)，以及商業(yè)上可用的高分辨率衛(wèi)星圖像，其中單個像素的直徑小于1米。與人工神經(jīng)網(wǎng)絡不同，這種方法允許衛(wèi)星圖像被分割成圖像對象——一組光譜均勻的像素——能被如平均亮度或中值亮度或紋理的統(tǒng)計參數(shù)字符化。這些圖像對象更接近地面上感興趣的點，比如化石遺址或森林。利用這種圖像分析技術(shù)，我們能夠開發(fā)出一套關(guān)于在哪里找到化石的獨立預測。見證奇跡的時刻我們的兩個預測模型都繪制出了“大分水嶺”的地圖，這些地圖精確地指出了與已知地區(qū)有最接近的光譜特征的未勘探區(qū)域。盡管這些模型在預測中表現(xiàn)出了一定程度的重疊，但在某些情況下它們也存在分歧。我們選擇關(guān)注那些兩個模型都認為是優(yōu)先級高的潛在地點的地方。在2012年和2013年的夏天，我們手拿地圖一同前往懷俄明州，看看我們的模型是否能引領(lǐng)我們找到大分水嶺盆地的新化石貯藏所。令人欣慰的是，他們確實做到了。人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型在識別砂巖礦床方面是非常有效的，因為這個盆地中有很多化石脊椎動物，所以幾乎是很值得探索的。2012年7月，它帶領(lǐng)我們發(fā)現(xiàn)的首批砂巖中，有十多塊始新世哺乳動物的化石，其中包括五趾馬伊-拉克瑟雷亞(horseI-lyracotherium，早期的靈長類動物Cantius，以及其他一些屬于一種已滅絕的蹄類哺乳動物condylarthra的化石。神經(jīng)網(wǎng)絡還引導我們找到了一些水生脊椎動物化石，包括魚類、鱷魚和海龜。我們基于地理對象的圖像分析模型也將我們帶到新的地點。慢慢開始之后在模型指出的前三四處沒有發(fā)現(xiàn)化石，我們搬到了大分水嶺盆地的北部，靠近一個叫貨船間隙的地方，用新技術(shù)進行了一個星期的密集的“地面搜索”。在一周前帶領(lǐng)我們長途跋涉，來到了一個完全沒有化石的地方(我們稱之為“布萊恩的愚蠢”)的研究生布萊恩·博默斯巴赫(BryanBommersbach)，率先根據(jù)模型的預測選擇了要調(diào)查的地區(qū)。幾乎就在那一刻，我們開始在這里的許多地方發(fā)現(xiàn)骨頭。我們在31個獨立的地方尋找化石,我們的模型顯示這些地點在光譜上與已知的地點相似,在其中的25個地方發(fā)現(xiàn)了脊椎動物化石,這比在沒有預測地圖的幫助下進行勘測的成功率要高得多?，斈贰ゑR爾化石來自其中10個地點，其中一個可以追溯到古新世的最新發(fā)現(xiàn)，這是一個極其罕見的發(fā)現(xiàn)。我們完全有理由相信，與我們開發(fā)的類似的預測模型將在除大分水嶺盆地以外的地區(qū)發(fā)揮作用。事實上，它們應該在世界上任何地方都能工作。在這種方法的保守測試中，我們使用為大分水嶺盆地開發(fā)的神經(jīng)網(wǎng)絡來預測附近的野牛盆地中含有化石的沉積層的位置。令人鼓舞的是，我們的神經(jīng)網(wǎng)絡預測了野牛盆地已知的三個最有生產(chǎn)力的化石地點。因此，使用我們的預測模型首次探索這一廣闊區(qū)域的野外工作人員比使用傳統(tǒng)調(diào)查方法的工作人員發(fā)現(xiàn)這些地點的機會要大得多。我們在2012年和2013年間在懷俄明州進行的試驗表明，使用衛(wèi)星圖像結(jié)合地理空間預測模型大大提高了我們野外工作的效率，幫助我們在更短的時間內(nèi)找到更多的化石。但我們還有很多事情要做。我們現(xiàn)在專注于精煉模型來更好的描述和區(qū)分生產(chǎn)地區(qū)的光譜特征。我們相信，在這些模型和工具的幫助下，我們可以讓未來的古生物考察更安全、更科學，“找到重要化石”這一結(jié)果也會漸漸從“運氣使然”走向“成為必然”。只要能實現(xiàn)這一目標，付出多大的努力都值得。Unit7textAOutshiningSilicon一種新材料---鈣鈦礦---最終可以制造出比目前流行的硅技術(shù)更便宜、更高效的太陽能電池。研究生邁克爾·李坐在日本的一家酒吧里，匆匆記下了一份化學成分清單。當天早些時候，橫濱臺恩大學（ToinUniversityofYokohama）的科學家們慷慨地分享了他們的開創(chuàng)性配方，即用一種叫做鈣鈦礦的新材料而不是通常的硅制造太陽能電池。這些電池在將陽光轉(zhuǎn)化為電能方面的效率只有3.8%，所以全世界都沒有注意到。但是李受到了啟發(fā)。2011年的實況調(diào)查任務結(jié)束后，他回到牛津大學的克拉倫登實驗室，我們?nèi)齻€人當時都在那里工作，并對配方做了一系列調(diào)整。這些變化使第一個鈣鈦礦電池的效率超過了10%。他的發(fā)明引發(fā)了相當于石油熱潮的清潔能源，全世界的研究人員競相將鈣鈦礦電池推得更高。韓國化學技術(shù)研究所（KoreaResearchInstituteofChemicalTechnology）2014年11月創(chuàng)下的最新紀錄為20.1%，標志著在短短3年內(nèi)，效率提高了5倍。相比之下，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，最先進的硅太陽能電池已經(jīng)穩(wěn)定在25%左右，像我們這樣的鈣鈦礦研究人員已經(jīng)瞄準了這個目標。我們也期待著商業(yè)上的首次亮相，也許是通過一家分公司，比如我們其中一個（Snaith）共同創(chuàng)立的牛津光電公司。鈣鈦礦之所以誘人，有幾個原因。這些成分非常豐富，研究人員可以在低溫下輕松、廉價地將它們結(jié)合成具有高度晶體結(jié)構(gòu)的薄膜，這種結(jié)構(gòu)類似于經(jīng)過昂貴的高溫處理后在硅片中獲得的。一卷卷薄而有彈性的鈣鈦礦薄膜，而不是像硅晶圓那樣又厚又硬，有一天可以從專用打印機上迅速地卷起來，制成重量輕、可彎曲、甚至五顏六色的薄膜和涂層。不過，要挑戰(zhàn)硅的主導地位，鈣鈦礦電池必須克服一些重大障礙。今天的原型只有指甲那么大；如果要與硅板競爭的話，研究人員必須找到使它們更大的方法。他們還必須大大提高安全和長期穩(wěn)定的電池的一場艱苦的戰(zhàn)斗。贏得效率競賽現(xiàn)在最好的硅電池的效率是25.6%。為什么太陽能電池不能百分之百地轉(zhuǎn)換太陽光能？為什么鈣鈦礦能夠超越硅的記錄呢？這些問題的答案可以在可激發(fā)的和不穩(wěn)定的電子中找到。當太陽電池處于黑暗中時，材料中的電子與它們各自的原子結(jié)合在一起。沒有電流。但當陽光照射到原子時，它會釋放出一些電子。注入能量后，“興奮”的電子在細胞的晶格中醉酒，直到它們離開原子的一端，被電極作為有用的電流，或者進入障礙物或陷阱，以廢熱的形式失去能量。晶體質(zhì)量越高，阻礙電子流動的缺陷就越少。硅電池通常被加熱到900攝氏度以消除缺陷。鈣鈦礦電池即使在低得多的溫度下處理，大約100攝氏度，也基本上沒有這種缺陷。因此，光激發(fā)的電子在離開鈣鈦礦原子時同樣成功，并且它們在與障礙物碰撞時不可能損失盡可能多的能量。因為電池的電功率是離開單元（電流）的電子流和這些電子攜帶的能量（電壓）的產(chǎn)物，所以鈣鈦礦的效率可以與硅相媲美，而處理工作量要少得多。但是，由硅和鈣鈦礦等半導體制成的太陽能電池能將多少太陽光能量轉(zhuǎn)換成電能是有上限的。這主要是因為半導體的一個特性，叫做帶隙——釋放電子所需的最低能量水平。太陽光包括所有波長的光，但只有某些波長超過了能帶隙。其他波長只會通過物質(zhì)，什么也不做。對于不同的半導體，帶隙是不同的，它建立了一個基本的平衡：帶隙越低，一個原子可以吸收更多的太陽光譜來激發(fā)電子，但每個電子所擁有的能量越低。因為電能取決于電子的數(shù)量和能量，即使是一個具有理想帶隙的原子也只能轉(zhuǎn)換大約33%的太陽能量。雖然硅有一個不理想的固定帶隙，但它控制著太陽能產(chǎn)業(yè)，因為制造這項技術(shù)的有效方法是眾所周知的。然而，當制造鈣鈦礦時，研究人員可以通過調(diào)整成分的組合來隨意調(diào)整帶隙，這就增加了超過硅效率的可能性。研究人員還可以將不同帶隙的鈣鈦礦層疊在一起。雙層鈣鈦礦應該能夠突破33%的名義上限；一些預測表明，它們可以將46%的太陽能量用于工作。教舊材料新把戲自19世紀以來，礦物學家們就已經(jīng)知道了地殼中鈣鈦礦的自然形態(tài)。當科學家們認為這些晶體可以形成高溫超導體時（一些工作今天仍在繼續(xù)），這些晶體為1988年這本雜志的封面增色不少。在過去的二十年里，工程師們也用人造的鈣鈦礦制作了實驗電子產(chǎn)品，但他們忽略了這種材料在太陽能電池中的潛在用途。最后，在2009年，臺灣大學的一個研究小組將一個人造版本轉(zhuǎn)變成太陽能電池。研究人員將選定的化學物質(zhì)溶解在溶液中，然后在玻璃片上旋轉(zhuǎn)并干燥。干燥過程中，在玻璃片頂部留下了一層納米級鈣鈦礦晶體薄膜。這層薄膜吸收陽光時會產(chǎn)生電子，但不是很好。研究人員在鈣鈦礦納米晶體的兩側(cè)添加了薄層材料，以幫助它們將電子轉(zhuǎn)移到外部電路中，提供有用的電源。最初的微型電池只有3.8%的效率，而且它們極不穩(wěn)定，在數(shù)小時內(nèi)降解。李改變了鈣鈦礦的成分，替換了電池中有問題的那一層，使效率超過了10%。另一組由邁克爾·格雷澤和南圭公園聯(lián)合領(lǐng)導的調(diào)查人員也取得了類似進展。最近由于一些巧妙的創(chuàng)新驅(qū)動電池轉(zhuǎn)化率達到20%。創(chuàng)造一個無缺陷的晶體薄膜需要復雜的沉積方法，一個由SangⅡSeok領(lǐng)導的小組設計了一個多步驟的過程，使一個更有序的晶體薄膜通過旋轉(zhuǎn)溶液脫落。經(jīng)過優(yōu)化處理，Seok在2014年連續(xù)三次實現(xiàn)創(chuàng)紀錄的效率，從16.2%提高到20.1%。其他科學家簡化了添加材料的分層；最新的鈣鈦礦電池看起來更像硅電池。在硅的情況下，這種設計使得低成本的大規(guī)模生產(chǎn)成為可能。最近鈣鈦礦的研究人員還加熱了溶液和盛有沉積物的玻璃片，使得晶體比原始電池的晶體透明度大幾個數(shù)量級?？茖W家們也在設計一些新的特征。改變化學比例可以創(chuàng)造出柔和的黃色或深紅色的電池。在玻璃片上沉積鈣鈦礦，而不是在一個薄層上沉積鈣鈦礦，可以形成