互动科普

核物理

输出大于输入：核聚变迎来里程碑

美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的国家点火装置，首次成功实现了燃料输出能大于吸收能。

撰文 戴维 · 别洛（David Biello ） 翻译 王栋

去年9月，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的国家点火装置（National Ignition Facility，NIF）中的一个塑料球壳，在X射线的轰击下，产生了快速向心聚爆，使位于其中的、极低温下的氢同位素受到挤压，从而引发了核聚变。这不是一次普通的聚变反应，而是具有里程碑式的意义，它意味着NIF首次成功实现了燃料输出能大于吸收能。

从2010年起，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室就进行了一系列类似实验——利用192束激光，将能量输送到微小的燃料靶丸上。在这次实验中，科学家精准掌握了时机。此前，研究人员是在20万亿分之一秒的爆炸过程中，逐步提升激光的能量，而这一次，物理学家奥马尔·哈利肯（Omar Hurricane）及其团队一开始就用最大能量的激光引发聚爆，然后再让激光能量逐渐减弱。新方法能让直径2毫米的靶丸中的燃料，在更短时间内达到更高温度——约5 000万℃的高温，以及相当于1 500亿个地球大气压的压强。在这样的条件下，核聚变被触发。在这次反应中，虽然触发聚变消耗了约10 000焦耳的能量，但燃料释放的能量却几乎达到了耗能的2倍。该研究结果已经发表在了今年2月的《自然》（Nature）杂志上。

“这个成果比之前所有人实现的结果，都更为接近自持能量输出（self-sustaining energy），”哈利肯介绍说。

然而，科学家仍然还有许多工作要做。虽然燃料靶丸产生了17 000焦耳的能量，整个核聚变实验的能耗却距“收支平衡”相差甚远。整个NIF实验运转所需要的能量，还是要远比产生的多——仅仅那些激光束，一瞬间就要“吞噬”约500万亿焦耳的能量。要实现“收支平衡”，而不仅仅是起动反应（即NIF研究人员所说的“点火”），研究人员需要让实验达到更为极端的压强，并实现其他一些极端条件。这也意味着，要让核能之梦成为现实，还有漫长的路要走。

合成生物学

合成酵母菌

2.0计划

最近科学家成功地合成出了酵母菌的第3号染色体。

撰文 戴维 · 别洛（David Biello） 翻译 赵瑾

今年3月，美国约翰斯·霍普金斯大学参加“基因组构建课程”（Build a Genome）的学生宣布，他们成功合成了一个酵母菌的染色体。

这是人类历史上首次成功合成复杂生物体的染色体，也是合成生物学的一个里程碑，同时也是DIY 生物学运动的一次胜利。

这次成功合成的染色体是酵母菌的第3号染色体，它控制着酵母菌的有性生殖。这条染色体上本来含有316 617对碱基（腺嘌呤A、鸟嘌呤G、胞嘧啶C、胸腺嘧啶T），但同学们在合成该染色体时，走了个捷径：他们只合成了其中被认为必不可少或不重复的DNA序列。他们合成的染色体具有272 871对碱基。正如《科学》（Science）报道的那样，携带合成染色体的酵母菌在大小和生长情况方面，与普通的酵母菌无异。

美国纽约大学的生物学家杰夫·伯克（Jef Boeke）是指导学生进行该研究的科学家之一。值得一提的是，“基因组构建课程”是“合成酵母菌2.0计划”（Synthetic Yeast 2.0 Project）的一部分。而整个计划的目标是，构建一个人工合成的酵母菌基因组，让科学家能够对合成酵母菌进行全面控制。

伯克说：“它们正在茁壮成长。”在未来几年里，伯克与其他研究人员打算让这批酵母菌繁殖数千代，并观察它们在进化过程中的变化，从而更深入地了解生物学的一些基础问题，例如，垃圾DNA有着怎样的功能，生存所必需的、最简单的基因序列是什么，等等。伯克介绍说：“在生物学中，像这类有待解答的基础问题还有很多。”

目前的研究所涉及的范围只占整个酵母菌合成基因组的3%（共16个染色体），要完成整个基因组的构建还将花费数年的努力。整个合成基因组一旦完成，合成酵母菌将成为第二个人工构建的生物体——J·克雷格·文特尔研究所（J.Craig Venter Institute）曾在2010年构建了一个支原体的基因组。

数千年来，人类利用酵母菌（Saccharomyces cerevisiae）发酵面包，酿制美酒，而这一次的研究成果，是对传统获取酵母菌方法的突破。今天，酵母菌所制造的人类蛋白质，被广泛地应用于医药和其他专门产品中。伯克认为，更精准地控制这种微型真菌的基因表达，不仅可以帮人类酿出更好喝的啤酒，还可以让人类可持续地制造出许多化合物。合成完酵母菌之后，我们的下一个合成目标将是什么呢？果蝇还是蠕虫？我们还不确定。

大数据

社交网站成科研数据重要来源

推特拥有数十亿用户，每天发布的“推文”数量巨大，是一笔无价的数据资源。

撰文 梅琳达·温纳·莫耶（Melinda Wenner Moyer）  翻译 王栋

每天，全世界发表在推特上的“推文”有5亿条之多。对于研究人类行为模式的科学家来说，社交网站无疑是巨大的数据宝藏，因为其中包含大量有关用户私人生活的详细信息。

通过分析这些数据，研究人员可以找出影响健康的风险因素，还能追踪某些疾病的流行情况。例如，微软公司的研究人员开发出了一种算法，能通过分析怀孕妇女在推文中表现出的潜在情绪，预测她们患产后抑郁症的几率。美国地质调查局则利用推特来追踪地震发生的位置，因为地震时人们会在推特上炸了锅一样讨论刚刚感觉到的震动。

然而直到目前，即便是最热衷于此类研究的科学家，能得到的推文量仍很有限。虽然大部分推文都是公开的，但如果想要进行免费的系统性搜索，科学家就需要通过推特的后台系统来进行，而即使这样，搜索到的档案记录也只占全部数据的1%。不过，这种情况即将得到改变：今年2月，推特公司宣布，将把2006年起的全部推文记录，免费提供给研究人员使用。随着可利用的数据越来越多，而且人人有份，科学家将能探索一些更复杂、更具体的问题，用推特作为工具的研究也很可能会因此更加“兴旺发达”。

虽然推特公司的这一表态令人兴奋，但同时也引发了一些棘手的问题。例如，推特对基于自己数据产生的科研成果，享有法律权益吗？如果用户不愿意参与研究，那么将他们的推文内容用于研究，合乎道德吗？

为了解决这些担忧，今年2月，美国弗吉尼亚理工大学的计算流行病学家（computational epidemiologist）凯特琳·里弗斯（Caitlin Rivers）和布赖恩·刘易斯（Bryan Lewis）发表了一篇文章，对使用推特数据提出了一些指导性道德原则。他们建议，科学家绝不能暴露用户的昵称，并且要将自己所从事的科学研究的目的公之于众。比方说，虽然从公共场合收集信息不存在道德问题（推特其实也是一种公共场合），但如果在未经用户许可的情况下，公开他（她）的个人信息，就不道德了。里弗斯和刘易斯指出，随着基于推特的研究项目迅速增多，考虑和保护用户隐私就变得极为重要。对科学家来说，可利用的数据越多，也意味着需要承担的责任越大。

空间科学

土卫六上有波浪

在土卫六上发现的波浪表明，这个星球上存在液态甲烷湖泊，这有可能是另一种生命形式的“摇篮”。

撰文 克拉拉 · 莫斯科维茨（Clara Moskowitz） 翻译 王栋

土星最大的卫星泰坦（Titan，土卫六）和地球有许多相似点，比如都有云、雨和湖泊。现在，科学家又发现了两者之间的另一个相似之处：它们上面都有波浪。最近，美国航空航天局（NASA）的“卡西尼号”太空探测器携带的相机，在泰坦上最大的甲烷湖之一上拍到了看起来像是波浪的形态——这是科学家在寻觅了很长时间后，首次发现这样的形态。

“说实话，找了这么久，我差点就要绝望了，”美国爱达荷大学的物理学家贾森·巴恩斯（Jason Barnes）说。今年3月，他在美国得克萨斯州举行的第45届月球与行星科学会议（45th Lunar and Planetary Science Conference）上展示了自己的新发现及相关证据。一旦得到证实，这将是人们首次在地球以外发现波浪。

巴恩斯的研究组从泰坦北部名为“蓬加海”（Punga Mare）的湖泊所反射的太阳光中，发现了一种特定模式，并认为那是由2厘米高的波浪造成的。不过，其他研究人员指出，还有一种可能也可以解释这种模式：蓬加海也可能并非深湖，而只是一片泥滩，泥滩表面的一浅层液体或许也能导致这种特殊的光反射模式。“虽然新发现非常吸引人，但还没有被证实，”美国康奈尔大学的行星科学家乔纳森·鲁宁（Jonathan Lunine，他并未参与此项研究）说。

如果泰坦上的确有波浪，这将有着重大意义。因为这意味着，泰坦上存在含有大量甲烷和乙烷（这颗卫星上最主要的液体形式）的深湖。如果泰坦上存在生命，它们很可能还处于原始形态，而最有利于最初生命形式存在的环境，就是大容量的液体——足以形成波浪的那种。

另外，如果泰坦上确实存在液体，也有利于在泰坦上顺利开展太空探索任务，寻找地外生命。毕竟，在液体上着陆，肯定要比在粘稠的物质或着坚硬的地面上容易些。

到2017年，科学家就能确认，他们现在看到的特殊光反射模式，是否确由波浪造成。到目前为止，“卡西尼号” 太空探测器一直都在这颗卫星北半球的冬季里观测。在接下来的几年里，随着泰坦上春天的缓缓来临，更强的“春风”会吹拂湖面。到那时，如果波浪真的存在，它的高度很可能会超过2厘米，探测器应该能捕捉到关于波浪更明确的证据。

数学

向马丁·加德纳致敬

著名数学科普作家马丁·加德纳逝世已经4年了，但他的忠实读者没有忘记他，仍在传承他的数学思想。

撰文  达纳 · 理查兹（Dana Richards）

翻译 郭凯声

“游戏数学与正统数学之间的界限是模糊不清的，”在1998年8月的《科学美国人》（Scientific American）杂志上，马丁·加德纳写下了这样一句话。加德纳于2010年逝世，他曾担任《科学美国人》杂志“数学游戏”（Mathematical Games）专栏撰稿人长达25年之久，直到1981年才退休。

现在，加德纳的众多粉丝仍在通过各种活动，努力保持加德纳创下的这种数学风格，他们最近的一次活动是今年3月举行的“向加德纳致敬”大会（Gathering 4 Gardner，这是加德纳的粉丝们每两年举行一次的聚会，旨在纪念这位博学多才的牛人在数学，以及数学与艺术、音乐、建筑学还有娱乐等之间的联系方面，做出的杰出贡献）。

加德纳挚爱游戏数学，而他的读者则总是接过他的想法，并继续对其进行探索，使他的想法进一步发扬光大，这令他兴奋不已。例如，加德纳最初曾在“数学游戏”专栏里对一个旧时难题——如何摆放6根香烟，以使每一根香烟都同另外5根接触——给出了一个解答（见图）。他的读者则进一步对这个问题进行钻研，发现7根香烟也可以达到同样的要求，而在2013年，数学家证明了7根无限长的圆柱体同样具有这种性质。

今年，参加“向加德纳致敬”大会的与会者，至少讨论了50项这类问题，他们的讨论内容与许多人都领教过的那种枯燥无味、令人生厌的数学教育完全不同。会上介绍的243个题目绝大部分与艺术或音乐有关，例如随机几何的美感、全息可视化、音乐与正多面体的关系，等等。其中一位发言者，大提琴演奏家菲利普·谢泼德（Philip Shepard），就“弦论”（不要误会，这里所谓“弦论”是指弦乐器的理论）发表了他的见解。

当然，在大会上，魔术表演肯定也是少不了的。虽然加德纳是一位大名鼎鼎的魔术把戏发明家，但自己却非常腼腆，不愿抛头露面表演魔术。

加德纳极力倡导大家去感受由数学带来的敬畏感、惊诧和好奇心（这也是会上的一个热点话题），并写了好几篇文章来阐述，为什么好奇心可以成为扫除傲慢自大的一剂良药。一代又一代的读者受加德纳启发，心甘情愿地为一道又一道的难题绞尽脑汁，这不正是对好奇的强大感召力的有力证明吗？

生态学

蜜蜂用人类垃圾筑巢

生活在城市中的蜜蜂，会利用人类垃圾给自己筑造巢穴。

撰文 杰森 · 戈德曼（Jason G. Goldman） 翻译 高瑞雪

《环球科学》：计算机仿真技术是如何发展起来的？

刘宏宇：计算机仿真技术实际源自1963年的“阿波罗”13号登月计划。这是一个极其复杂的大系统工程，在登月之前，NASA面临着很多无法掌控和预测的问题，比如声音和振动，火箭和探测器的连接，等等。于是NASA的工程师提出使用计算机帮助进行模拟，以降低技术风险。所以诞生了第一个计算机仿真软件——Nastran，开启了计算机仿真技术的大门，也形成了MSC软件公司的前身。从这以后，仿真技术在人类前行的进程中发挥着越来越重要的作用。2011年，MSC软件公司与微软、苹果等公司一起，被评为“全球十大原创软件公司”。

《环球科学》：计算机仿真技术主要应用在哪些领域？

刘宏宇：仿真技术的应用领域非常广，可以说应用在各行各业，在那些高度机械集成的工业领域中更是尤为重要。目前我们在中国拥有1 500 多家用户，分布于航空航天、汽车、国防、通用机械、兵器、船舶、铁道、电子、石化、能源、材料工程、科学研究机构及大专院校等。

2012年NASA的工程师使用MSC的多体动力学仿真软件，对“好奇”号火星探测车的着陆过程进行了仿真。由于火星着陆过程的复杂性，以及无法进行人工干预，这一过程被 NASA 的工程师称作“惊险 7 分钟”。我们的模拟软件则确保“好奇”号平安地度过了这7分钟，顺利着陆火星。

《环球科学》：仿真技术未来主要的发展方向是什么？

刘宏宇：过去，采用计算机仿真技术的主要是那些“高大上”的大型工业工程。而今，MSC公司也越来越重视其他领域应用的推广，对人们日常生活的影响也越来越大。大到生活家电的开发验证，小到鼠标、钢笔的设计模拟，都可以见到仿真技术的身影。在生物、健康方面，通过模拟人体运动，开发更符合人体工学的运动器材；以及模拟在心脏内放置微型支架的过程，可以推动医疗技术的革命。

另外，仿真技术过去主要集中在部件和系统仿真层面，但是在先进的工业领域中，材料的重要性不断凸显，对材料的仿真也成为我们未来发展的一个重点方向。复合材料也可以用模拟软件模拟，最开始的仿真是先从部件开始的，然后变成系统。其实材料是最重要也是最基本的东西，我们现在有一个新的系统部件材料仿真软件，能对工业设计的全过程进行材料仿真——从材料的选取、部件的设计，到系统的建造。

《环球科学》：仿真技术面临的主要难点是什么？

刘宏宇： 第一是边界条件，在仿真模拟的时候边界条件的真实性对结果的影响起着重要作用；第二是材料性能的属性，材料的变化直接导致结果千变万化。 因为仿真的结果不是一个因素能导致的，所以仿真模拟的结果跟现实总会有一些偏差。今天，随着对仿真要求的不断提升，设置的边界条件也越来越复杂和趋近真实。但这受到了计算能力和人才储备条件的限制。

最近，中国的“天河”2号超级计算机也已经开始参与一些大规模、复杂的仿真项目，使得计算能力方面的缺口得到很大程度上的弥补。同时，随着高校对仿真技术的逐渐重视，相关领域的人才队伍应该在不久的将来得到有效补充。