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Jun前沿

admin  发表于 2017年11月26日

采访实录

对话朱棣文:新能源的突破点

 

朱棣文畅谈堪称前卫的未来电池以及“不可思议的小小细菌”,认为它将有助于美国实现能源自给。

撰文 戴维·别洛(David Biello  翻译 郭凯声

美国能源自给是不是一个有益的目标?

争取实现能源自给当然是一个有益的目标。关于这个问题,有条好消息是,三年半以前,美国60%的原油要靠进口,而目前此比例已降到45%左右。我们认为这一趋势将持续下去,进口原油所占比例将进一步下降。从发电来看,虽然现在仍从加拿大进口部分电力,但美国已经在很大程度上实现了电力的自给。

随着汽车效率的不断提升,美国交通运输领域燃料消耗量增加的趋势逐渐趋于平缓,甚至可能有所下降。交通能源的多元化趋势进一步增强。事实已经证明,液化天然气用作长途货车的燃料是相当给力的。民营企业正在投入数亿美元的资金,来建设天然气供应网的基础设施。如果在高速公路上每隔200英里设置一个加气站,那就能抢到相当可观的市场份额,甚至可能夺取这个市场的半壁江山,而重型货车的燃料消耗量占到美国交通能源消耗量的20%左右。

这是否意味着美国已经放弃了与气候变化的较量?

绝对不是如此。它与遏制气候变化之战完全协调一致。天然气作为一种过渡燃料是非常出色的。但我们仍然需要想出办法来捕获它的碳;其实不管以哪种燃料(煤、石油或天然气)为主要能源,我们都需要在本世纪中期前解决这个问题。

可再生能源越来越便宜。或许在这个十年之内,风能和太阳能的成本将会降到与其他任何新能源一样低廉。过去4年中,太阳能的价格已经降低了三分之二,我们认为今后十年中还将下降一半。

在交通运输领域,将会同时注重电气化、下一代生物燃料以及提升效率。如果取得突破,那就有可能成为改变行业面貌的革新。

你认为这类突破可能来自何方?

物理学层面上的突破将来自材料领域。电池厂商恩维亚公司(Envia)刚刚宣布推出一种容量达400千瓦时/千克的电池。这与此前性能最佳的电池相比,高出至少一倍。它还得再经过若干阶段的测试。目前我们正投资于其他一些电池厂家,力争使电池容量在此基础上再翻一番。

生物燃料离我们更远一点,这仅仅是因为它要与石油竞争。美国能源部资助的早期研究开发出了一些细菌,你喂它单糖,它就给你变出柴油。另一家公司则通过基因组技术改造光合细菌,使其生成的长链烷烃可以作为柴油的直接前体。这种细菌的能源转换率为5%10%,而一般的植物只有1%。这真是一种不可思议的细菌。过去15年来,我对这些热门生物技术着了迷,一直以极大的兴趣关注着该领域的发展动向。这简直就跟科幻故事一样神奇。

对于政府将如何资助新能源公司,你有些什么消息吗?

在技术发展非常迅速的各个领域,协助企业布局时必须更加谨慎。有些事情发生得非常突然,没有人能够预见到。例如,光伏产品的价格一年内就猛跌了80%,而另一年中又下降了40%。现在这些价格已稳定下来。

美国必须在光伏技术这一领域继续下去,这是非常重要的。光伏技术的许多东西是美国发明的,从硅电池到碲化镉电池,不胜枚举。美国仍然有能力在竞争中胜出。

我非常清楚,未来还可能发生出人意料的事情。技术上的领先地位可能会丧失。国际上的竞争是非常激烈的。例如,我们发明了飞机,但后来却丢掉了优势,再后来才卷土重来。

纵观所有的高技术制造行业(包括最新的能源技术),我们仍然拥有强劲的竞争实力。需要打哪些仗,我们得有所选择,但我们能够——而且应该——赢得其中的许多硬仗。

 

 

营养学

酸奶增强生育力

 

动物研究发现,益生菌或许能赋予啮齿类动物更大的睾丸。

撰文 詹姆斯·E·奥伯格(James E. Oberg) 

翻译 王栋

 

去年夏天,美国麻省理工学院的一组研究人员开始研究酸奶对肥胖的影响。这是对哈佛大学公共卫生学院的一项长期研究项目的后续研究。之前的那项研究表明,酸奶比其他任何食物都能更有效的防止与年龄有关的体重增加。由肿瘤生物学家苏珊·厄尔德曼(Susan Erdman)和进化遗传学家埃里克·阿尔姆(Eric Alm)领导的麻省理工学院研究小组,计划在老鼠身上重复这项研究。研究人员选取了雌雄各40只老鼠,并将它们分成两组,一组用模拟垃圾食品的高脂肪、低纤维、低营养的食物喂养,而另一组用普通鼠粮喂养。然后,他们给每一组中的一半添加香草味的酸奶。他们的目标是弄清楚富含益生菌的食物如何影响肥胖,了解癌症等与肥胖有关的并发症的发病率。“然而,其中最引人入胜的效应却是我们未曾预料到的,”厄尔德曼说。


首先,科学家注意到,食用了酸奶的那些老鼠光彩照人,让人难以置信。利用传统组织学技术和外貌评价标准,研究人员发现,这些老鼠比同类的活跃毛囊密度高十倍,这就意味着,它们的毛皮更加茂密、柔滑。

然后,研究人员发现,雄性老鼠表现出一些非常神奇的特征:它们的睾丸向外突出,这使它们可以表现某种“老鼠的招摇”,厄尔德曼说。通过测量雄鼠睾丸的重量,研究人员发现,吃酸奶雄鼠的睾丸比那些只吃普通鼠粮的雄鼠重5%,而比吃垃圾食品的雄鼠重约15%。

更重要的是,这种阳刚之气是能收到回报的。在交配实验中,吃酸奶的雄鼠比对照组雄鼠能更快找到伙伴并完成受精,也能产生更多的后代。相反,吃酸奶的雌鼠一窝能产下更多幼鼠,并更容易对幼鼠断奶。研究小组未发表的结果表明,厄尔德曼和阿尔姆认为,酸奶中的益生菌有助于使老鼠变得更精瘦、更健康,间接提高了它们的繁殖几率。

这一发现可能对人类生育产生影响。一个由美国哈佛大学营养流行病学家约格·查瓦罗(Jorge Chavarro)领导的小组,研究了酸奶摄入量与男性精液质量之间的关系。“到目前为止,我们的初步结果与他们老鼠实验的结果是一致的,”查瓦罗说。

 

这是什么?

印度发现

两栖新物种

撰文  罗斯·埃弗莱斯(Rose Eveleth 翻译 王栋

 

这个蜷曲着的动物是最近在印度东北部土壤中发现的7个无足两栖动物新物种之一。在遍布该地区的58个地点,研究人员花费了超过1 000小时进行挖掘,才找到了这7个新物种。

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这些并非该研究小组发现的首批新物种。印度德里大学的沙迪亚巴马·达斯·比朱(Sathyabhama Das Biju)和他的研究小组已经报道了48个新物种。然而,比朱担心,他们发现的许多新物种都因印度北方不断的扩张而处于危险之中。

 

 

视网膜功能定位:美国有200万人患了青光眼这种疾病。青光眼是导致患者失明的主要原因之一,起因与视网膜中的神经节细胞受损有关。早期青光眼可以治愈,而且查出得越早,就越容易把它扭转过来。但青光眼是不容易发现的,因为它往往始发于视网膜边缘,位于人们通常的视野之外。诊断青光眼的传统方法已有数十年之久的历史,此方法是把内嵌有一根电极的隐形镜片置于受检者的眼睛上,然后让受试者观看一连串闪光,并通过电极接收视网膜对闪光的电反应。美国伊利诺伊大学的研究人员约翰·赫特林(John Hetling)解释说:“如果信号中有缺失部分,即表明视网膜不同区域的健康状况不一致。”

但医生们很难确定,视网膜的哪些部分是健康的,哪些部分出了问题,因此赫特林和他的团队希望改进上述传统方法。目前他们正在研究一种新镜片,内嵌电极数目要大得多,在3357根之间。有了这么多的电极,便可以在很短的时间内检查更大范围的视网膜区域。这种装置的专利号是8118752,它也可以辅助检测由糖尿病、高血压、镰状细胞贫血、早产等引发的其他一些视网膜疾病。

 

医学

无痛分娩存在潜在风险

 

通过麻醉进行无痛分娩使产妇更容易在分娩期间发烧,还可能对婴儿产生危害。

撰文 梅林达 · 温纳 · 莫耶(Melinda Wenner Moyer) 翻译 高瑞雪

 

如何应对分娩的痛苦是准妈妈们需要作出的诸多选择之一。超过60%的美国妇女选择了硬膜外麻醉分娩镇痛,即将局麻药混合制剂注射进环绕脊髓的硬膜外腔。虽然大多数医生认为这是安全的,但是一项新的研究表明,硬膜外麻醉可能会增加母亲在分娩过程中发烧的风险,这在极少数情况下可能会危害到婴儿。

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硬膜外麻醉长期以来一直存在争议。一些研究表明,使用硬膜外麻醉的产妇更可能需要紧急剖腹产手术,但2011年的一篇报道称,与其他形式的分娩镇痛相比,硬膜外麻醉并不会增加剖腹产风险。然而,该研究还发现,硬膜外麻醉会增加使用产钳或真空吸引器助产的几率。

现在,妈妈们作决定有了新的研究成果可以参考。今年2月的《儿科学》杂志发表了一项研究,研究人员在美国波士顿布里格姆妇女医院(Brigham and Womens Hospital,哈佛大学医学院附属医院,美国新英格兰地区最大的产科中心),跟踪研究了3 209名具有较低孕期风险且生育第一胎的产妇。接受硬膜外麻醉的产妇中,有近五分之一的人在分娩过程中出现了至少38℃的发烧现象,而在那些接受其他镇痛方法,或没有做疼痛缓解的产妇中,只有2.4%出现这样的发烧。母亲发烧越高,新生儿整体健康水平评分(Apgar scores)较低的可能性也越高,出现肌张力低下和呼吸困难的指数也越高。接受硬膜外麻醉的产妇中,有8.6%发烧超过了38.33℃,这些母亲生出的婴儿出现新生儿惊厥(newborn seizures)的可能性是不发烧母亲的6倍多,虽然新生儿惊厥的整体出现几率仅有1.3%。没有人知道为什么硬膜外麻醉分娩镇痛与出现发烧现象有关,但是,哈佛大学医学院的生物学家和产科医生、资深作家埃利斯·利伯曼(Ellice Lieberman)认为,这些麻醉药剂可能引起了炎症反应。

剩下的主要问题就是发烧现象是否会对健康产生持续影响。利伯曼说,“我们真的不知道”,但是大多数影响“似乎是短暂的”。不过,因为硬膜外麻醉实施6小时后才会开始发烧,产妇可以考虑在分娩临近时再要求镇痛,以求尽量降低风险。

 

 

微生物

冰盖下的远古细菌

 

冰川融化可能会释放出几十万年前的古老微生物。

撰文 谢丽尔·卡茨(Cheryl Katz  翻译 高瑞雪

一个古代生物的失落世界冰封在南极和格陵兰的大地上,正静候着重获生机。极地冰盖一度被认为环境过于恶劣,不能支持任何生物生存。现在人们已经知道,那是一个巨大的微生物储藏库,早在人类行走在地球上之前,就已经有微生物困于其中。

随着冰层以惊人的速度融化,地球上可能很快就会再现许多中更新世后就再也没出现过的细菌以及其他微生物。中更新世距今约75万年,是最近的一次气候重大变化时期。

美国蒙大拿州立大学的微生物生态学家约翰·普利斯库(John Priscu)已经有28个冬季在南极度过,研究他所说的“冰盖中的小虫子”。他曾经在42万年前形成的冰芯中发现活着的细菌,而且仍然能够生长和分裂。

这些微生物会对人类健康构成威胁吗?科学家说不太可能,因为鉴定出的大部分菌种与常见的土壤和海洋细菌有关。不过,由于温室气体在极地的升温效果远远超过地球其他地区,研究人员对这些生物还有许多其他疑问。

研究人员正试图找出这些微生物可以保持假死状态达数万年之久的原因。这可能为在其他极端气候条件下(如在冰封的行星或卫星上)寻找生命指明道路。

但更迫切的关注点还是在地球上。冰川融化“倾倒”出来的细胞和碳质,可能会变成巨大的有机质分解堆,在腐烂过程中产生二氧化碳和甲烷,这是潜在的温室气体排放源,而气候研究人员尚未将其考虑在内。而且,科学家看到的一些证据表明,微生物在冰盖内演化、交换DNA,并且获得新的性状,这可能会改变它们的生态位(ecological niches)。

虽然这些爱冷的有机体似乎不会危及温血动物的存在,但是它们可能会挤占现有微生物种群的生存空间,从而造成未知的后果。

 

 

物理学

超对称理论“穷途末路”?

 

大统一理论仍然是物理学家最希望解决的问题之一。然而,如果强有力的证据不能尽快浮现的话,它或许将要面临严重的信任危机。

撰文 戴维·卡斯泰尔维基(Davide Castelvecchi  翻译 王栋

作为能够描述基本粒子的完整理论“王国”,物理学家构想出的超对称理论迄今已有数十年历史了。它能完美解答目前粒子物理标准模型无法解决的谜题,例如宇宙中的暗物质究竟是什么。而现在,有人已经开始怀疑。人类历史上最强大的对撞机——大型强子对撞机(Large Hadron ColliderLHC),至今没有发现任何可以揭示未知物理机制的新现象,尽管在LHC上进行的研究才刚刚起步,但已经让一些理论物理学家不禁发问:如果最终发现超对称根本不存在,物理学将何去何从?

“无论怎么找,我们就是什么也发现不了。这就意味着,我们没有发现任何与标准模型相左的现象,” LHC超导环场探测器(A Toroidal LHC ApparatusATLAS)的领军科学家、意大利国家核物理研究院帕勒莫分院的贾科莫·波莱赛洛(Giacomo Polesello)说。像高楼大厦一样的ATLASLHC加速环上的两台通用探测器之一,由3 000多位来自不同国家的研究人员建造并维护运行。而根据今年3月在意大利阿尔卑斯山举行的学术会议上公布的最新消息,另一台紧凑µ子线圈(Compact Muon SolenoidCMS)探测器同样没有任何发现。

20世纪60年代,理论物理学家提出了超对称理论,以期将自然界中的两类基本粒子(费米子和玻色子)联系起来。粗浅地说,费米子是物质的组成部分(电子就是一个典型例子),而玻色子是基本作用力的携带者(例如电磁相互作用中的光子)。超对称理论将为每一种已知的玻色子配上一个重的费米“超对称伙伴粒子” (简称“超伴子”);而每一种已知的费米子也会有一个重的玻色超伴子。“这将是我们对这个世界做出终极理解的下一步,在那里,一切都是对称和完美的,”美国斯坦福直线加速器中心(Stanford Linear Accelerator CenterSLAC)国家加速器实验室的理论物理学家迈克尔·佩斯金(Michael Peskin)解释说。

位于瑞士日内瓦附近的LHC是欧洲核子中心(CERN)的顶级对撞机,应该具备制造这类超对称粒子的能力。现在,LHC已经将撞击质子的能量从去年的3.5 TeV(万亿电子伏特)提高到了4 TeV。碰撞后,这一能量会分布到构成质子的夸克和胶子中,因此碰撞能够制造出质量相当于1 TeV能量的新粒子。然而,虽然科学家赋予了它极高的期望值(而且能量值也不低),大自然却仍然拒绝合作,至少到目前为止是这样:LHC的物理学家一直在寻找新粒子的痕迹,却一无所获。如果超对称粒子确实存在,它们必定比许多物理学家预计的更重。“坦率地讲,”波莱塞洛说,“目前的情况是,我们已经推翻很多简单模型。”他的同事,美国劳伦斯·伯克利国家实验室的伊恩·辛奇利夫(Ian Hinchliffe)也附和道:“看看已经被排除在外的质量范围和粒子种类,它们的数量已经相当可观了。”

大多数理论物理学家并没有因此而沮丧,“仍有一些颇为可行的途径来构建超对称模型,”佩斯金说。仅仅采集了一年的数据,就想看到新的物理学机制是不现实的,CMS研究组的理论物理学家约瑟夫·利根(Joseph Lykken)评论道。

可是,当初建立超对称模型是为了解决一些难题,而令其他一些人感到不安的是,要想解决这些难题,至少其中一些超对称粒子就不应该太重。例如,为了构成暗物质,它们的质量必须不超过零点几个TeV

对于大多数物理学家来说,希望超对称粒子能轻些的一个更重要原因在于LHC的另一主要目标——希格斯玻色子。根据设想,一切拥有质量的基本粒子都是通过与这种粒子的相互作用来获得质量的。此外,基本粒子同短暂存在的“虚粒子”晕之间的相互作用,对其质量也有次要贡献。在大多数情况下,标准模型里的对称性保证了这些虚粒子互相抵消,所以它们对质量的贡献有限。具有讽刺意味的是,希格斯粒子自己却是个例外。根据标准模型计算,会得到它的质量无穷大这样一个荒谬的结果。超伴子能够扩大互相抵消粒子的范围来解决这一谜题。根据201112月发表的初步结果,希格斯粒子的质量约为0.125 TeV,正位于超对称理论预测的范围之中。但前提是,超对称粒子的质量要相当低。

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如果最后证明,事实并非如此,那就要另寻解释。去年,英国伦敦大学学院的理论物理学家布莱恩·林恩(Bryan Lynn)提出了一种解释:在标准模型中,此前没有给予重视的对称性可以保证希格斯粒子的质量有限。其他一些科学家认为,林恩的想法最多只能算是提供了部分解释,限制希格斯粒子质量的,肯定还有标准模型之外的其他重要的物理机制——如果不是超对称理论,就应该是理论物理学家提出的其他理论中的一种。其中一个热门后备理论是:希格斯玻色子不是基本粒子,相反,它也是由其他粒子构成,就像质子是由夸克构成的一样。不幸的是,LHC只是还没有足够的数据来对该假说一辩真伪,CERN的克里斯托弗·格罗琴(Christophe Grojean)说。一些更玄乎的理论,例如,除了通常的三维之外,空间还拥有更多维度等,就不是LHC所能验证的了。“目前,每一个理论都有问题,就我个人来说,无法告诉你哪个更好些,” CERN的另一位理论物理学家吉安·弗朗西斯科·格尤戴斯(Gian Francesco Giudice)评论道。

ATLASCMS还在继续收集数据,它们要么会发现超对称粒子,要么将排除更大范围的可能质量。虽然它们或许永远无法彻底否认超对称粒子的存在,但如果LHC最终还是没能发现这种粒子,超对称理论或许就会渐渐淡出人们的视野,即便那些最坚定的支持者也会对它失去兴趣。对于超对称理论,以及以此为基础而建立的大一统理论来说,那将是一次严重的打击。辛奇利夫说,“我们将发现的最有趣的东西,会是所有人都没能预想到的”。

 

 

 


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