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展望未來 回顧2021科技的突破與進展

太陽系示意圖。(Shutterstock)
太陽系示意圖。(Shutterstock)

文/記者高文森
世界各地疫情驅之不散,不過,人類科技發展的腳步卻沒有因疫情而停滯——星辰、人間、虛擬空間,人類繼續科技攀登。回顧2021年來科技領域發展情況,人類有哪些科學技術取得突破和進展?

以下是我們從過去這一年裡重要且頗受讀者喜愛的科技新聞中選出的十篇文章,依發表時間順序做一個簡要回顧。

1. 新證據為恐龍滅絕原因調查結案

關於導致恐龍滅絕原因的說法以前有幾種,比如一系列的火山噴發,小行星撞擊地球等全球性災難事件。2月24日發表在《科學》(Science)子刊《科學進展》(Science Advances)上的新研究,終於給這項調查結了案。

新研究發現確鑿證據,認為關於恐龍滅絕的調查終於可以結案了。(Shutterstock)新研究發現確鑿證據,認為關於恐龍滅絕的調查終於可以結案了。(Shutterstock)

這份研究說,從目前為止蒐集的所有證據來看,可以斷定恐龍的滅絕是6,600萬年前一顆小行星撞上地球導致的。研究估計,在撞擊後長達20年間,地球上75%的生物逐漸餓死、滅絕,其中包括恐龍。

2. 新研究揭龐貝城居民真正死因

公元79年,義大利維蘇威火山(Vesuvius)噴發,導致龐貝城內約2千人遇難。在後來挖掘的龐貝城(Pompeii)遺址看到,很多人死亡時還保持著日常生活的姿勢。這讓這場災難顯得很神祕,說明這些人在意外的狀態下,而且是很短的時間內全部遇難。

維蘇威火山腳下的龐貝古城。(Shutterstock)維蘇威火山腳下的龐貝古城。(Shutterstock)

3月2日發表於《自然》(Nature)子刊《科學報告》(Scientific Reports)上一份研究揭示,龐貝城的居民是在僅17分鐘時間之內,被濃密的火山灰嗆死,而不是像以前猜測的被岩漿「活埋」,或是被高溫空氣燙死。

3. 量子糾纏走向宏觀:「測不準原理」被打破

以前科學家只在微觀世界中觀測到量子糾纏現象——兩個粒子隔空保持同步的神奇狀態。5月7日發表於《科學》(Science)期刊的一份研究報告說,在宏觀尺度上也觀測到這種現象,並發現它打破了量子力學上經典的測不準原理(uncertainty principle,又譯作不確定性原理)。

兩個粒子處於量子糾纏態示意圖。(Shutterstock)兩個粒子處於量子糾纏態示意圖。(Shutterstock)

研究人員使用兩面只有10微米左右的鋁製鼓面,用微波光子使它們的鼓膜振動,發現它們能夠保持量子糾纏的同步狀態。以前的研究受限於「測不準原理」,無法對糾纏的物體進行精確測量,只能通過推測得到估計值,而這份研究第一次打破了這個原理,對糾纏狀態下的物體進行了測量。

4. 火星地表存在超常數量放射性元素

基於火星上固定式探測器洞察號(InSight)蒐集的數據進行分析,7月23日發表在《科學》(Science)期刊的一份研究揭示,火星地殼層輻射性比以前所知的強得多。研究者表示,火星地殼層所含的核放射性元素是以前通過衛星探測值的13~20倍。

NASA火星軌道飛行器拍攝到的火星表面的隕石撞擊坑。(NASA/JPL/University of Arizona)NASA火星軌道飛行器拍攝到的火星表面的隕石撞擊坑。(NASA/JPL/University of Arizona)

這項研究發現與美國等離子物理學家約翰‧布蘭登堡(John Brandenburg)提出的理論相符。布蘭登堡2015年展示的研究稱,有證據顯示,火星上在遠古時期曾發生過巨大的核爆炸。其規模之大,完全有可能澈底改變火星的氣候環境,導致火星變成現在荒蕪的樣子。

5. 植物並非逐漸「進化」

按照進化論,地球上的植物是逐步的從苔蘚那樣最簡單的植物發展到陸地植物、再到會開花的植物,複雜度不斷增加。可是由史丹佛大學引領的一項研究發現,地球上植物的發展出現了兩次跳躍,之間間隔長達2.5億年。這麼長的時期內,植物並沒有「進化」的動作。這份研究9月17日發表於《科學》(Science)期刊。

地球上的植物出現跳躍性發展。(Shutterstock)地球上的植物出現跳躍性發展。(Shutterstock)

研究人員描繪在泥盆紀(Devonian)初期,即距今大約4.2億年~3.6億年前的時期,陸地上的植物經歷了第一波繁榮潮。當時地球陸地上沒有樹木,只有草叢,能長到609公分高、形似樹墩的菌類植物可能是當時最高的植物。這之後,植物的發展停滯了。直到白堊紀(Cretaceous)晚期,即距今一億年~6,600萬年前,地球上突然出現了大量會開花的複雜植物,生態環境才比較接近現在人們看到的樣子。

6. 太陽系內發現一個分隔帶

10月15日發表在《科學》(Science)子刊《科學進展》(Science Advances)上的一份研究發現,大約在45億年前太陽系形成的初期,太陽周圍濃厚的塵埃盤內有一圈明顯空隙。這終於能解釋為什麼來自太陽系的隕石總是明顯的來自兩個地帶——正是這圈空隙把太陽系分成了距離太陽遠近不同的外圍和內圍兩塊地界。

地球上發現的隕石裡面,一類來自較靠近太陽的區域,另一類則來自距離太陽較遠的區域。這份研究發現,在太陽系形成初期,距離太陽較遠區域的磁場卻強過距離太陽較近的區域。這意味著,太陽系外圍區域行星的吸積能力比內圍的行星更強。木星這顆巨大的氣體行星就位於太陽系的外圍區域。

7. 地球處於一個巨大磁場隧道中

12月10日發表於《天體物理學期刊》(The Astrophysical Journal)的一份研究發現,我們所在的地球和整個太陽系,位於一個巨大的磁場隧道裡面。這個隧道長度大約是一千光年。

處於巨大磁場隧道中的地球示意圖。(Shutterstock)處於巨大磁場隧道中的地球示意圖。(Shutterstock)

研究人員發現,這個隧道有一定弧度。帶電粒子和磁場組成了一條條又長又細的像繩索一樣的結構,充斥在隧道內。研究特別提到,原來以為不相干的兩個大型天體結構——「北銀極支」(North Polar Spur)和「扇區」(Fan Region)原來都是這個隧道的一部分,平行的位於地球的兩側。

8. 370萬年前至少有兩種史前人類

很長時間以來,科學家都認為1974年科學家發現的一具遠古時期人類的骨骸(後被命名為Lucy)是唯一一種遠古時期的人類。然而12月1日發表於《自然》(Nature)雜誌的一份研究,對幾個原以為是熊留下的腳印化石重新分析後發現,它們其實是史前人類留下的,而且與Lucy不是同一種人。這些腳印來自的年代與Lucy生活的年代類似。

在阿根廷發現的2萬年前的人類腳印化石。(Shutterstock)在阿根廷發現的2萬年前的人類腳印化石。(Shutterstock)

這項發現意味著,370萬年前同時生活在地球上的人類不只一種。研究者表示,從化石遺址上的各種線索來看,那個地區在那段史前時期有著完整的非洲自然環境,不僅至少有兩種人,還有鳥類、羚羊、鬣狗等各種動物。

9. 地球上半數水資源或來自太陽風

11月29日發表於《自然‧天文學》(Nature Astronomy)期刊的一份研究發現,原來太陽風內帶電的粒子遇到太空塵埃會變成水!這項發現終於解開了科學家以前對於地球上水的來源這個謎團。

地球處於太陽風影響下的示意圖。(Shutterstock)地球處於太陽風影響下的示意圖。(Shutterstock)

科學家以前只知道墜入地球的隕石為地球帶來了水分,可是隕石水分內所含的重水的比例比地球上的高。研究人員計算顯示,如果把來自塵埃輻射產生的水資源和來自隕石的水資源按照50:50的比例混合,所得到的水資源內氘和氫同位素的比例,正好和地球上的水相同。由此,研究人員認為地球上至少一半的水來自太陽風與塵埃的互動。

10. 探測器首次進入太陽大氣層

美國太空總署(NASA)發出的帕克太陽探測器(Parker Solar Probe)每次飛掠太陽都距離太陽更近一些,今年第十次飛掠太陽,也是第一次進入了太陽的大氣層。

帕克探測器進入太陽大氣層示意圖。(NASA)帕克探測器進入太陽大氣層示意圖。(NASA)

探測器發回了首次在日冕層「偽流」內穿梭的影片,NASA稱這猶如飛進「風暴之眼」。這一次,NASA也發現日冕層的表面不是光滑的球面,而是凹凸不平,有很多皺摺。這些發現去年12月14日發表於《物理評論快報》(Physical Review Letters)。◇