隨着21世紀的飛速發展，我們顯然正生活在科學發現的黃金時代。從重塑我們對宇宙的認知到改造日常生活工具，曾經被認為不可能實現的突破正在改變我們周圍的世界。
為了回顧迄今為止取得的進展，我們邀請了一些世界頂尖的思想家，重點介紹自千禧年以來改變我們世界的突破性科學突破。
1. 夢想工程
圖片來源：Getty
直到上世紀之交，心理學家們常常認為做夢是一種毫無意義的體驗，最好將其歸入科學的邊緣領域。但21世紀以來，科學界對我們夜間活動的關注度激增，並湧現出大量探討夢境心理學的文章。
部分研究探討了夢境如何幫助人們處理負面情緒，並為現實世界中的挑戰性事件做好準備。另一項研究則探索了夢境與創造力之間的聯繫，並表明我們做夢時常常能想出應對緊迫問題的新穎創新方案。
還有一些研究着眼於夢的社會層面，心理學家認為，與他人討論夢境是建立和維持關懷關係的一種有效方式。
其他科學家採取了不同的方法，開發出能夠與做清醒夢的人交流的技術。
最後，還有夢境工程，研究人員利用氣味、聲音和暗示來操縱我們的夢境。
多年來，說服科學家認真對待夢境簡直難如登天。如今風向已變，我們開始發現夢境在很多方面對我們的清醒生活做出了至關重要的貢獻。
作者： 理查德·懷斯曼教授，赫特福德大學心理學公眾理解教授，《讓你的心靈快樂》一書的作者
2. 一種新型幹細胞
誘導多能幹細胞分化而來的神經元的熒光顯微照片 - 圖片來源：科學圖片庫
2006年以前，如果研究人員想要使用人類胚胎幹細胞，就必須使用人類胚胎。這在倫理上是一個敏感領域——這些胚胎是輔助生殖治療的剩餘物，會在治療過程中被銷毀。
隨後，京都大學的山中伸彌教授發明了一種無需使用胚胎即可製造胚胎幹細胞的方法。
通過將少量基因添加到培養的皮膚細胞中，並用某些營養物質滋養它們，可以將成體細胞重新編程為“誘導多能幹細胞（iPS細胞）”。
“多能性”意味着這些實驗室製造的幹細胞可以轉化——或“分化”成許多其他類型的細胞，包括心肌細胞和神經元。
現在，研究人員可以從成年動物身上提取細胞，將其轉化為誘導多能幹細胞（iPS細胞），然後再將其分化成所需的特定細胞類型。iPS細胞目前已被常規用於測試新藥和療法，但它們最令人興奮的應用或許是在再生醫學領域。
想象一下一位心臟病患者。現在想象一下，提取他/她的一些皮膚細胞，並利用誘導多能幹細胞（iPS）技術，培育出一批健康的心肌細胞。
然後可以將替代組織移植到患者的心臟中進行修復，由於這些細胞是患者自身的，因此不會有組織被排斥的風險。
同樣的方法也可以應用於其他疾病，例如阿爾茨海默病和腎衰竭，從而為治癒目前無法治癒的疾病帶來希望。
如此奇妙、用途廣泛的細胞……難怪山中伸彌因其發現這些細胞的工作而榮獲2012年諾貝爾獎。
作者： 海倫·皮爾徹博士，作家、演講家和科學傳播顧問
3. 全球變暖
2024年加州山火期間，一架空中滅火飛機向一棟房屋投放阻燃劑——圖片來源：Getty Images
只有回顧過去，我們才能略微了解當今氣候困境的嚴重性。
可怕的現實是，全球平均氣溫上升的速度比冰河時代結束後全球變暖的速度快 50 倍，目前全球平均氣溫正徘徊在 1.5°C 的危險氣候崩潰警戒線邊緣。
那是在5600萬年前的古新世-始新世極熱事件（PETM）期間。
那次快速升溫事件導致海洋缺氧死亡，海平面比現在高出50米。而如今全球氣溫上升的速度至少是古新世-始新世極熱事件（PETM）期間的十倍。
我們正處於一場獨特的氣候實驗之中，每年持續排放400億噸二氧化碳，卻還指望一切都會好起來。我可以告訴你，不會好起來的。
作者：比爾·麥奎爾教授，倫敦大學學院地球物理與氣候災害榮譽退休教授； 《溫室地球：居民指南》作者
4. 歸因分析
簡而言之，歸因分析旨在確定全球變暖對特定極端天氣事件的影響程度，例如增加其強度或提高其發生的可能性。
它涉及運行兩個計算機模擬。一個模擬假設當今人為加熱的氣候，另一個模擬假設回到工業化前的氣候，去除所有人為影響。
對比分析揭示了全球變暖是否產生了影響，以及如果產生了影響，具體影響是什麼。這項史無前例的歸因分析表明，2003年歐洲熱浪（造成7萬人死亡，英國氣溫首次突破37攝氏度/98華氏度）的發生概率因全球變暖而增加了一倍。
歸因分析揭示了全球變暖對我們天氣模式日益增長的影響，同時也有力地駁斥了氣候變化否認者——可謂雙贏。
比爾·麥奎爾教授，倫敦大學學院地球物理與氣候災害榮譽退休教授， 《溫室地球：居民指南》作者
5. mRNA疫苗
mRNA在各種醫療應用領域的應用已經發展了幾十年。然而，直到新冠肺炎疫情爆發，這項技術的影響才真正顯現出來。
mRNA疫苗使得疫苗的研發速度比以前快得多——新冠肺炎疫苗的研發僅用了兩個月，而此前的記錄是四年。
據估計，新冠病毒mRNA疫苗在使用的第一年就挽救了近2000萬人的生命。
未來幾年，我們可能會有一系列針對其他經常變異病毒（如流感病毒）以及對以往疫苗技術反應不佳的病毒（如艾滋病毒）的新型 mRNA 疫苗。
作者：傑里米·羅斯曼博士，肯特大學病毒學榮譽高級講師
6. 人類基因組計劃
1990年，科學家開始對人類基因組進行測序。直到2022年才完成整個基因組序列的測定。
這一成就深刻地改變了生物醫學科學，使得一些原本不可能進行的研究和技術成為可能，例如利用CRISPR 技術來修改遺傳疾病。
我們才剛剛開始感受到這項成就對醫學實踐的影響。通過了解我們的基因組，就有可能發現與各種疾病相關甚至導致各種疾病的基因變化。
這增進了我們對這些疾病的了解，以及我們診斷和治療這些疾病的能力。
作者：傑里米·羅斯曼博士，肯特大學病毒學榮譽高級講師
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7. 解決“愛因斯坦”問題
我認為本世紀最重要的數學突破是解決了長期存在的“愛因斯坦”（一石）問題。
愛因斯坦問題問的是，是否存在一種形狀，可以鋪滿無限大的水平表面，使得圖案永不重複。
幾十年來，無數傑出人士一直在尋找這樣的形狀。2022年，退休印刷技術員兼業餘數學愛好者大衛·史密斯開始在他位於約克郡布里德靈頓的家中，利用軟件和紙板模型進行研究。
史密斯多年來一直致力於瓷磚圖案的研究，他強烈地感覺到，他設計的這個形狀（綽號“帽子”）既可以鋪滿整個表面，又永遠不會重複。
然而，他沒有數學工具來證明他的直覺，於是他向瓷磚愛好者群體尋求幫助，並得到了加拿大滑鐵盧大學的 Craig Kaplan 教授、阿肯色大學的 Chaim Goodman-Strauss 教授以及劍橋大學的軟件工程師 Joseph Myers 博士的幫助。
克雷格·卡普蘭教授是幫助大衛·史密斯證明他的帽子和幽靈形狀解決了愛因斯坦難題的人之一——圖片來源：喬·佩特里克/滑鐵盧大學
他們共同提出了一系列形狀的計算機分析證明，他們的預印本研究在 2023 年 3 月獲得了國際讚譽——儘管有時需要將“帽子”翻轉過來才能成功地鋪滿平面。
但是他們的論文預印本剛一發布，David 就提出了“幽靈”——一種手性非周期單晶，不需要翻轉。
更令人印象深刻的是，“幽靈”瓷磚屬於一個更大的瓷磚類別，該類別允許直線邊緣呈波浪狀。
他的同事們再次證實了他的直覺是正確的。這是一項了不起的成就，出自一位傑出的數學愛好者之手。
作者： 大衛·斯皮格爾哈爾特爵士， 劍橋大學統計學榮譽教授
8. 艾滋病的治癒
曾幾何時，艾滋病幾乎等同於死刑。後來抗逆轉錄病毒藥物的出現，使情況有所改善。越來越多的人能夠與病毒共存，但治癒仍然遙不可及。
2007年，一名名叫蒂莫西·雷·布朗的艾滋病毒感染者接受了骨髓移植手術，以治療他的白血病。化療失敗後，布朗的治療選擇越來越少。
他的醫生格羅·胡特爾博士認為這種療法或許能夠治癒他的癌症，但他同時也意識到，如果他能找到一位對 HIV 有基因抵抗力的捐贈者，那麼同樣的療法也有可能治癒他的 HIV 感染。
有些人天生對艾滋病毒有抵抗力。他們攜帶一種名為CCR5的基因突變，該基因編碼一種受體蛋白，艾滋病毒正是利用這種蛋白進入宿主細胞的。
經過一番仔細的搜尋，胡特爾找到了一位捐獻者，他不僅與布朗的免疫特徵相匹配，而且還攜帶了兩個突變基因的拷貝。
移植手術順利進行，幾年後，研究人員在布朗體內未檢測到任何艾滋病毒痕跡。布朗停止服用抗逆轉錄病毒藥物，並在餘生中一直過着無艾滋病毒的生活。
他是第一個被治癒的艾滋病患者。
自那以後，至少又有六名患有癌症的艾滋病患者通過骨髓移植治癒。
然而，這種治療方法非常殘酷，風險極大，不太可能成為常規治療手段，但它讓研究人員對艾滋病有了更深入的了解，也讓世界看到了治癒艾滋病的希望，相信有一天是可能的。
作者：海倫·皮爾徹博士，作家、演講家和科學傳播顧問
9. Transformer 和大型語言模型
人工智能 (AI) 在過去十多年裡一直是新聞熱點，這主要是因為一項關鍵的 AI 技術——神經網絡——終於開始大規模應用。
2005 年左右，隨着計算機算力的廉價和用於“訓練”神經網絡的大量數據的出現，人工智能新時代的到來標誌着“深度學習”的出現。
人工智能領域迅速發展，我們開始看到許多令人印象深刻的應用。人工智能成為了新聞頭條。
然後，意想不到的事情發生了。2017年，谷歌的一個團隊發表了一篇科學論文，描述了一種組織神經網絡的新架構——所謂的“Transformer架構”。
Transformer 架構是一種用於詞元預測的神經網絡架構：它以詞元（單詞）序列作為輸入，然後預測下一個出現的詞元（單詞）。
它們通過輸入普通的人類文本進行訓練，並給出“提示”（例如：“溫斯頓·丘吉爾生平簡介”）。然後，它們會嘗試預測接下來最有可能出現的單詞。它們一次預測一個單詞，但這個過程可以反覆進行。
2017年的時候，變形金剛的變革性影響還遠未顯現。要充分發揮它們的威力，就必須做好準備，以前所未有的規模建造它們，投入海量的訓練數據，並用運行數月的AI超級計算機進行訓練。
谷歌並沒有做這項投資；而是一家名為 OpenAI 的名不見經傳的組織，由微軟支持。結果，這項投資獲得了巨大的成功。
我們即將進入一個新時代的第一個真正跡象是2020年6月GPT-3的發布。那些有機會接觸到OpenAI這款新程序的人似乎都對其強大的功能感到震驚。
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對人工智能研究人員來說，同樣引人注目的是它的湧現能力：能夠做它原本設計之外的事情。
像著名的圖靈測試這樣的問題，以前只是純粹的哲學問題，突然變成了實際的實驗問題。
ChatGPT 等大型語言模型 (LLM) 的空前成功讓硅谷感到驚訝，現在世界上最富有的公司正在調整策略，試圖將這項非凡的新技術嵌入到各個領域，希望能夠找到殺手級應用。
儘管LLM取得了巨大成功，但這並非人工智能的終點；能夠幫你清理餐桌、裝洗碗機的實用家用機器人的夢想，似乎仍然遙不可及。
但這項技術仍然令人驚嘆。我們正生活在科技史上一個非凡的時代：我們的歷史將被劃分為GPT出現之前和GPT出現之後兩個時期。
作者： 邁克爾·沃爾德里奇教授，牛津大學人工智能基礎阿沙爾講席教授
10.HPV疫苗
世紀之交，科學家們就知道宮頸癌是由人乳頭瘤病毒（HPV）引起的。在已知的200多種HPV病毒株中，兩種高危型——16型和18型——導致了超過70%的宮頸癌病例。
雖然英國在 20 世紀 60 年代啟動的宮頸癌篩查計劃成功降低了宮頸癌的發病率，但 HPV 疫苗的引入帶來了巨大的轉變。
該疫苗於 2008 年成為英國國家計劃的一部分。如今，它已在 100 多個國家獲得許可，並提供給男孩和女孩，以預防 HPV 相關疾病，包括多種癌症和生殖器疣。
自推出以來的 15 年間，該疫苗對 HPV 提供了極佳的保護，並取得了顯著的成果——據估計，20 至 30 歲女性的宮頸癌發病率降低了 90%。
下一個前沿領域是通過廣泛接種 HPV 疫苗和強有力的篩查計劃來消除宮頸癌——這曾經被認為只有傳染病才能實現。
作者：米歇爾·格里芬博士（MFG健康諮詢公司總監，英國國家醫療服務體系和世界衛生組織臨床負責人）
11. 數字避孕
非激素數字避孕結合了數據驅動的洞察力和用戶友好的技術，徹底改變了計劃生育。
Natural Cycles 和 Clue 等應用程序使女性能夠跟蹤她們的月經周期，並利用這些數據來預防或實現懷孕，為傳統避孕方法提供了一種方便易用的替代方案。
這些應用程序利用算法分析體溫、排卵周期和其他生理指標的模式，為用戶提供周期中受孕窗口的實時預測。
這項創新標誌着女性健康領域的一個轉折點。2018年，Natural Cycles成為首個獲得美國食品藥品監督管理局（FDA）監管的數字避孕產品，使該應用程序成為受監管的醫療干預手段。
Natural Cycles公司報告稱，其應用程序背後的算法成功率高達93%，與避孕藥的成功率相同。MG
12. 組織工程
圖示為在透明質酸支架上生長的人工生物組織。——圖片來源：科學圖片庫
去看牙醫，做個合成樹脂填充當然可以，但肯定不如真牙好。如果我們能用患者自身的幹細胞在實驗室里培育出真牙，然後再移植回患者的口腔里呢？
這聽起來像科幻小說，但組織工程是一項突破性技術，目前已通過“支架技術”用於培育人體組織。支架是一種多孔材料，能夠支持幹細胞分裂並生長成新的組織。
人工耳、氣管和骨骼已經通過這種方法培育出來，並成功植入人體。由於植入的組織是由患者自身的細胞培育而成，因此不存在免疫排斥問題。
人工腎臟、膝關節軟骨甚至心臟也正通過這種方法培育，儘管這些目前仍局限於實驗室實驗。這項新技術的潛力尚不可估量，但成功再生牙齒指日可待。
作者：馬克·米奧多尼克爵士（倫敦大學學院材料與社會學教授；《氣體：擴展我們世界的奇妙而難以捉摸的元素》一書的作者）
13. 自修復材料
現代智能手機包含了元素周期表中一半的元素，但平均壽命卻只有兩到三年。為了節省我們不斷生產（甚至回收）手機以及生活中其他各種物品所浪費的大量能源，我們需要找到一種製造更耐用產品的新方法。
這正是自修復材料突破性技術發揮作用的地方。想象一下，一部智能手機插上電源後，就能在一夜之間自我修復。
目前市面上已經有很多不同類型的此類技術產品。自修復塗料在室溫下具有流動性，能夠在裂縫形成時流入裂縫並填補縫隙。
本世紀以來，橋梁用自修復混凝土和道路用自修復瀝青已經投入使用。自修復電子產品也將幫助我們構建可持續的未來。MM
14. 通用可編程化學機器人
格拉斯哥大學克羅寧教授化學實驗室里的一台化學計算機器人。——圖片來源：克羅寧研究小組/格拉斯哥大學化學學院
如果任何化學反應都可以通過代碼來實現呢？化學計算（或稱“化學計算”）這項突破性技術已經讓這一切成為可能。
化學計算技術結合了自動化、計算和模塊化硬件，將化學合成轉變為可編程的通用流程。其核心是“化學計算機”——一個能夠執行任何可行化學合成的革命性平台。
它採用了一種名為“化學堆垛”（chempiling）的概念，將化學合成路徑轉化為可執行的硬件配置——本質上就像一台化學圖靈機。這一過程實現了化學的數字化，提高了效率，加速了研究，並降低了人為錯誤的風險。
將人工智能融入自動化合成，使這項創新更進一步，增強了從分子設計到反應執行的每一步的決策能力。
正因如此，化學計算在藥物發現、材料科學等領域釋放了巨大的潛力。
作者： 李·克羅寧教授（格拉斯哥大學化學欽定講席教授）
15. 暗物質
宇宙的大部分是不可見的，它由兩種被稱為暗物質和暗能量的實體組成，而物理學目前還無法解釋它們的起源。
過去25年來，暗物質存在的證據變得越來越令人信服。我們利用引力效應來推斷暗物質的分布位置和數量，繪製出了揭示暗物質無處不在且肉眼不可見的網絡圖。
宇宙微波背景輻射的模式似乎與暗物質的可能分布相對應。——圖片來源：歐洲航天局/普朗克衛星
這些地圖、宇宙微波背景輻射以及星系分布所呈現的模式，幾乎與我們對暗宇宙的預期相符。然而，儘管25年的觀測增強了天文學家的信心，實驗卻揭示了不同的真相。
在歐洲核子研究中心 (CERN)於 2012 年探測到希格斯玻色子之後，人們曾寄予厚望，認為接下來會發現理論上的“最輕超對稱粒子”和暗物質的熱門候選者。
令人遺憾的是，神秘的暗物質粒子至今仍未被發現。由於尚未探測到它，我們至少知道它不是什麼，即使我們目前還不知道它是什麼。科學家們正致力於建造迄今為止最先進的探測器，其選址可能就在英國。
結合歐洲核子研究中心 (CERN) 的升級改造以及歐幾里得望遠鏡和維拉·魯賓天文台即將進行的觀測，我們仍然很有希望，無需再等 25 年就能了解宇宙的暗物質。
作者：凱瑟琳·海曼斯教授（愛丁堡大學皇家天文台天體物理學教授；《黑暗宇宙》作者）
16. 希格斯玻色子
如果我們把 21 世紀前 25 年物理學領域最重要的發現與 20 世紀同期最重要的發現進行比較，我們可能會對近期基礎性進展的匱乏感到相當沮喪。
這或許是因為我們已經基本揭示了宇宙的基本規律。
不可否認，上世紀頭二三十年是物理學的黃金時代，從量子革命到愛因斯坦的兩大相對論，再到歐內斯特·盧瑟福揭示的原子結構，都見證了這一時代的輝煌成就。
但過去一百年來的理論和實驗發現仍然令人矚目，使我們對物質的基本組成單元有了深刻的認識，有可能使我們更接近完成現實的拼圖。
自20世紀60年代彼得·希格斯教授（及其他學者）首次提出以來，一直缺失的一塊拼圖就是希格斯玻色子。這種粒子被認為是希格斯場和希格斯機制的一種體現，解釋了基本粒子如何獲得質量。
彼得·希格斯教授站在大型強子對撞機的照片前。——圖片來源：Getty Images
然後，在 2012 年 7 月 4 日，歐洲核子研究中心大型強子對撞機上的兩個巨型粒子探測器 ATLAS 和 CMS 的實驗團隊宣布，他們終於觀測到了希格斯玻色子。
這是粒子物理學領域的一項里程碑式成就，也是“大科學”領域技術創新、國際合作和人類對知識追求的證明。
它引起了全球的關注，並吸引了廣大公眾的目光。
當然，有人可能會說，希格斯玻色子的發現不如1998年宇宙加速膨脹的發現那樣意義重大（因此後者未能列入此榜單），因為物理學家們早就預料到會發現希格斯玻色子。但它證實了粒子物理學標準模型的一個關鍵組成部分。
標準模型是由兩個獨立的量子理論——電弱理論和量子色動力學——融合而成，它們共同描述了所有已知基本粒子的性質以及它們之間相互作用力。
然而，標準模型不能成為最終定論，因為它沒有包含引力，沒有解釋暗物質或暗能量，也沒有解釋在大爆炸中應該產生的所有反物質都去了哪裡。
在希格斯玻色子被發現 15 個月後，即 2013 年 10 月，諾貝爾物理學獎授予弗朗索瓦·恩格勒教授和彼得·希格斯教授，“以表彰他們從理論上發現了有助於我們理解亞原子粒子質量起源的機制……”
該獎項並非因實驗證實希格斯玻色子的存在而頒發，而是因為半個世紀前最初的理論預測。
作者： 吉姆·阿爾-哈利利教授（薩里大學物理學榮譽退休教授）
17. 詹姆斯·韋伯太空望遠鏡
詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）於2021年聖誕節搭乘阿麗亞娜5號火箭發射升空，堪稱一項技術奇蹟。JWST在哈勃太空望遠鏡的基礎上進行了增強和改進，其設計用于波長範圍為0.6-28.5微米的紅外天文學觀測。
JWST 的研究目標涵蓋天文學和宇宙學的許多重要領域，從研究第一批恆星和初始星系的形成，到發現系外行星並分析它們的大氣層。
這是一個技術和資金都雄心勃勃的項目，但在最終部署的過程中遇到了許多障礙。例如，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）的大型主鏡體積過大，無法裝入火箭的有效載荷艙內。
問題的解決之道在於將鏡面設計成可以摺疊起來便於運輸，到達目的地後像花瓣一樣展開。為了保證詹姆斯·韋伯太空望遠鏡極其靈敏的紅外探測器正常工作，目的地必須遠離地球和月球等任何明亮的輻射源。
一位NASA工程師正在檢查詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）主鏡的六個已做好飛行準備的鏡片，這六個鏡片是最終總數的三分之一。——圖片來源：NASA/JPL
因此，它的觀測基地位於距離地球150萬公里處，在太陽的另一側。幸運的是，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡抵達後順利完成部署，這真是太好了，因為距離如此遙遠，我們幾乎無法解決任何問題。
2022 年 12 月，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡發現了迄今為止觀測到的最遙遠、因此也是最早的星系。
一項名為JWST 高級深空星系巡天的星系巡天項目，觀測了哈勃望遠鏡記錄到 10,000 個星系的區域，並在同一片天空中探測到了驚人的 100,000 個星系。
不過，並非只有遙遠到難以想象的天體才能接受詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）的觀測。木星、土星、天王星和海王星都曾接受過JWST的觀測，並因此揭示了關於這些天體的驚人新細節。
隨着時間的推移，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡不斷取得新的突破，其觀測結果挑戰着現有的天體演化理論，並在此過程中提出了更多的問題。
作者： 皮特·勞倫斯（天文學家， BBC《夜空》節目主持人）
18. 系外行星
這是藝術家繪製的開普勒-10系統（開普勒太空望遠鏡觀測到的第十個行星系統）的示意圖。——圖片來源：NASA/JPL
如果我們把每顆恆星都想象成一個行星系統的中心，就像我們的太陽系一樣，那麼夜空就會變得更加有趣。尤其令人感興趣的是，這些行星中有很多可能像地球一樣：大小相仿，並且與它們的恆星保持着適宜的距離，使得水能夠存在。那麼，這些行星上會不會存在生命呢？
雖然系外行星大約在 1995 年就被正式發現，但我們對系外行星的大部分了解都是在最近幾年才獲得的。
我們現在已經探測到超過 5000 顆行星，主要通過“凌日法”。這種方法實際上並不探測行星發出的光，而是探測行星從母恆星前方經過時對母恆星亮度產生的影響。
我們目前最成功的凌日觀測方法是通過開普勒太空望遠鏡進行的。雖然這台望遠鏡揭示了很多信息，但它並不能告訴我們這些行星的表面究竟是什麼樣子。
為此，你必須探測到行星反射的光。這難度極大，而且迄今為止，這項探測僅限於體積非常大的行星，而非地球大小的行星。未來25年的挑戰將是如何探測圍繞附近恆星運行的類地行星所發出的光。
詹姆斯·韋伯太空望遠鏡或許能做到其中的一些事情，但一個由歐洲國家組成的財團正在智利建造一座巨型地面望遠鏡——極大望遠鏡（ELT）。它的鏡面直徑達39米（128英尺），因此它能夠比直徑“僅”為6.6米（21英尺）的韋伯望遠鏡收集到更多來自暗弱天體的光線。
這個新興的研究領域蘊藏着巨大的潛力，能夠為我們揭示許多奧秘。如果我要和一位即將投身天文事業的年輕人交流，我會建議他專注於系外行星的研究。顯然，在未來幾十年裡，這個領域將會蓬勃發展，並湧現出大量新的發現。
作者：馬丁·里斯勳爵（皇家天文學家，劍橋大學宇宙學和天體物理學榮譽教授）
19.引力波
引力波之所以意義重大，原因有二。首先，它們是一種重要的物理現象，能夠揭示引力的本質，並進一步證實了愛因斯坦廣義相對論的推論。其次，探測到引力波本身就是一項了不起的技術成就。
激光干涉引力波天文台（LIGO）是一項巨大的技術挑戰，因為這些波的預期振幅非常小，而且必須在極其遙遠的距離上探測到。你所尋找的效應就像在近距離恆星處一根頭髮絲的粗細一樣。真是令人驚嘆。
我們很多人都認為LIGO不會發現任何東西。或者，即使發現了，事件也會極其罕見，因為儀器的靈敏度只夠大約一個世紀探測到一次碰撞。
但 LIGO 的成功程度超出了我們所有人的預期，在開機後不久就探測到一對質量約為太陽 50 倍的黑洞碰撞在一起。
這真是令人無比興奮，現在它每周都能探測到一到兩次這樣的事件。對於參與這些儀器安裝的數百人來說，這值得慶祝。
LIGO觀測到的引力波是每秒約100次的短脈衝輻射，這大致相當於兩個質量為50個太陽質量的黑洞合併時的軌道周期。
但是，在星系中心存在着質量遠大於LIGO探測能力的數百萬倍的巨型黑洞。這些黑洞的合併事件雖然罕見得多，但卻可以在更遠的距離上被探測到。
然而，產生的輻射頻率要低得多。這必須用儀器來探測，而這些儀器的反射鏡之間的距離不是幾公里，而是幾百萬公里。
由歐洲航天局主導的激光干涉儀空間天線（LISA ）計劃在未來10年內發射。它有望探測到星系合併時，其中心超大質量黑洞碰撞所引發的罕見巨型災變。
20. 迷幻療法
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經過各方利益相關者的深思熟慮和遊說，2024 年，美國食品藥品監督管理局決定不批准 MDMA 輔助療法用於治療創傷後應激障礙，理由是缺乏足夠的證據證明該藥物（俗稱搖頭丸）的療效。
儘管遭遇了這一挫折，但我們仍需認識到，能夠走到今天這一步本身就是一項意義重大的突破。雖然迷幻劑的益處由來已久，但此前人們對它們潛在治療應用的認識達到頂峰是在20世紀50年代和60年代，當時LSD的使用十分普遍。
不幸的是，由於LSD與反主流文化的關聯，以及尼克松總統發起的“毒品戰爭”，導致LSD——以及所有迷幻藥——都遭受了殘酷的打擊。幾十年來，無論是娛樂用途還是研究用途，它們的使用都受到了壓制。
21 世紀以來，對迷幻藥研究的限制逐漸放寬，從而產生了治療抑鬱症、焦慮症、強迫症、成癮症甚至性功能障礙的強效且快速的療法。
迷幻療法仍處於早期階段。大部分研究規模仍然小、周期短，政治和意識形態障礙依然存在，迷幻療法的主流推廣需要大量投資。
即便如此，尤其是在精神健康問題的“傳統”藥物干預措施相對停滯不前的情況下，對迷幻藥的安全性、效力和益處的重新評估可能會改變世界。
作者：迪恩·伯內特博士（神經科學家兼作家；《為什麼你的父母總是盯着你的手機看，以及該如何應對》一書的作者）
21. 單細胞基因組學
人體由近40萬億個細胞組成，傳統觀點認為這些細胞可分為約200種類型。在單細胞基因組學出現之前，我們的技術只能對大量細胞進行研究，提供數千個細胞的平均讀數，而無法分辨單個細胞的身份。
人體，就像所有多細胞生物一樣，同一組織內存在不同類型的細胞，它們各自發揮着不同的作用：肌肉組織包含肌肉細胞的亞型，但也包含血管、神經元、免疫細胞等等。
如果不了解這種複雜性，就無法確定不同器官中的細胞亞群是如何相互關聯的，以及疾病會如何改變它們。
癌症中，單個細胞的DNA發生突變，使其不受控制地增殖，最終形成腫瘤。腫瘤細胞隨後與微環境中的其他細胞相互作用，導致癌症擴散。
單細胞基因組學能夠解析單個細胞類型和細胞狀態，揭示促進腫瘤生長的通路，從而開發靶向療法。
克羅恩病是另一個例子，通過對健康組織和患病組織在單細胞水平上的比較，揭示了某些患者對治療沒有反應的原因。
疫情期間，單細胞基因組學被用於確定哪些細胞易受感染，後續研究又確定了哪些器官受影響最大以及原因。這些只是單細胞基因組學應用的幾個例子，其應用範圍還在不斷擴展。
全球超過3000名科學家正在構建人類細胞圖譜（HCA），旨在提供人體所有器官的完整單細胞圖譜。這項計劃已經徹底改變了人們對正常細胞功能的理解，並為理解疾病的發生機制奠定了基礎。
目前取得的進展將帶來更好的診斷和治療。
單細胞分析技術發展至今還不到十年，HCA（高通量細胞分析）推出也只有六年時間。單細胞基因組學的下一個十年有望更加令人振奮。
作者：凱·戴維斯女爵士（牛津大學李氏解剖學榮譽退休教授）
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22.CT掃描
一個多世紀前，紐約的古生物學家切開了霸王龍的頭骨，以便觀察其腦腔內部。這在當時是一項大膽的舉動，因為他們不得不破壞一些無價的化石。但他們認為這樣做是值得的，因為這是他們了解這種最具代表性的恐龍如何感知世界的唯一途徑。
快進到千禧年之交，新技術使這些具有破壞性的古老手術過時了。
2000年，克里斯托弗·布羅丘教授發表了一項關於霸王龍大腦、智力和感官的精彩研究。他沒有使用鋸子，而是使用了X射線。布羅丘將一具霸王龍化石頭骨放入計算機斷層掃描（CT）掃描儀中。
克里斯托弗·布羅丘教授對霸王龍頭骨進行了CT掃描，這標誌着他在恐龍研究領域邁出了重要一步。——圖片來源：Alamy
由於頭骨足有浴缸那麼大，他需要說服波音公司的工程師們讓他使用他們用來掃描飛機發動機以尋找缺陷的機器。雖然體積龐大，但這種掃描儀的工作原理與醫生在醫院使用的掃描儀類似，它通過一系列X光片構建頭骨內部結構的三維數字模型。
研究表明，霸王龍擁有巨大的大腦和龐大的嗅球，這賦予了這種標誌性掠食者敏銳的嗅覺。布羅丘的研究並非首例化石CT掃描，但它轟動全球，並引發了大量新的研究。
突然間，所有人都開始把化石放進CT掃描儀里掃描。如今，這項技術已經非常普及，許多古生物學家的實驗室里都配備了CT掃描儀。
我們利用它們做很多事情：識別仍包裹在岩石中的化石碎片，或者描述骨骼內部的微觀紋理和生長痕跡，以了解古代生物的生長和新陳代謝方式。它們還可以幫助我們製作數字模型，用於計算機模擬，測試恐龍的進食和運動方式。
在我看來，CT掃描是過去25年來古生物學領域最大的突破。
作者：史蒂夫·布魯薩特教授 （愛丁堡大學古生物學與進化論教授； 《恐龍的興衰》作者）
23. 美國宇航局的好奇號火星車
按照我們對NASA一貫的公關策略，他們並沒有淡化“好奇號”火星車登陸火星的難度。相反，他們稱之為“恐怖的七分鐘”，並解釋說，在這420秒內，火星車必須從接近21000公里/小時（13000英里/小時）的速度降至零，才能安全降落在火星表面。
當他們實現這一目標時，這項任務在歷史上的地位幾乎已經穩固，尤其因為他們使用了創新的“空中起重機”着陸系統，該系統引導探測車比以往任何行星探測任務都更加精確地着陸。
然後，科學出現了。
“好奇號”火星車回望拍攝了馬卡班德山谷的照片，並在那裡發現了古代湖泊的痕跡。——圖片來源：NASA/JPL
自 2012 年以來，“好奇號”火星車在火星上取得了突破性發現，有助於更詳細地了解火星過去的環境、以前的宜居性，甚至現在維持生命的能力。
它在蓋爾隕石坑中發現了化學物質和礦物質，表明過去這裡曾存在液態水，這顯然是生命存在的先決條件。隨後，它還發現了多種有機分子，這些分子是生命的組成單元，並且可以被微生物用作食物。
雖然它們不能證明地球上曾經存在生命，但至少表明當時存在正確的分子。
但或許探測車最引人入勝的發現是探測到火星地表下甲烷的季節性釋放。每年火星夏季，這種氣體都會從蓋爾隕石坑湧出。
雖然水岩相互作用可能是造成這一現象的原因，但科學家也不能排除生物活動的可能性。下一代火星探測車，例如歐洲航天局的“羅莎琳德·富蘭克林”號，將攜帶地下鑽探設備進行更深入的研究。
總而言之，“好奇號”的持久運行及其非凡的科學成果極大地增進了我們對火星的了解，為未來的人類任務和尋找地外生命鋪平了道路。
為了鞏固其在 21 世紀文化中的地位，“好奇號”火星車還拍了一張自拍照。
作者：斯圖爾特·克拉克博士（天文學家、科學記者、作家；《尋找地球孿生兄弟》一書的作者）
24. NASA 的 DART 任務
這次撞擊產生了巨大的影響，無論從字面意義還是象徵意義上來說都是如此。2022年9月26日，NASA的雙小行星重定向測試（DART）任務撞擊了小行星迪莫弗斯。
這次碰撞徹底摧毀了航天器，並改變了小行星的軌道——這一切都是人為設定的。DART 是一項開創性的測試，旨在檢驗我們改變小型小行星軌道的能力，以便在探測到可能與地球相撞的小行星時能夠進行干預——而它取得了巨大的成功。
人類歷史上第一次改變了天體的運行軌跡，並由此證明了避免自然災害的一種方法。
這顆小行星是雙小行星系統中較小的那顆。較大的那顆名為迪迪莫斯（Didymos）。迪迪莫斯最初於1996年被發現，是一塊尺寸約為851米×848米×620米（2792英尺×2782英尺×2034英尺）的岩石。
它的同伴最終被命名為“雙型齒獸”（Dimorphos），於 2003 年得到確認。它的尺寸僅為 177 x 174 x 116 米（580 x 570 x 38 英尺），是該任務的完美測試對象。
由於被鎖定在迪迪莫斯小行星的軌道上，它的移動量會反映在它繞這顆較大小行星運行所需時間的變化上。
撞擊前，迪莫弗斯小行星繞迪迪莫斯小行星運行一周需要不到12小時。撞擊後，這一時間縮短了半個多小時，這表明了一種可行的偏轉潛在危險小行星、使其遠離地球的方法。
DART 的成就遠不止於行星防禦。
該任務提供了有關小行星成分和撞擊力學的關鍵數據，更不用說它還通過以每秒公里的速度撞擊直徑100米（328英尺）的目標，實現了天文導航，而此時探測器已飛行了數百萬公里。
25. SpaceX的可重複使用火箭
SpaceX的可重複使用火箭正在降低將人員和科技送入太空的成本。——圖片來源：Getty Images
幾十年來，探索和利用太空的最大障礙一直是向太空發射物體和人員的成本。
20 世紀 60 年代和 70 年代，巨大的土星五號火箭曾用於將宇航員送上月球，其每公斤送入太空的成本約為 5,000 美元（約 3,950 英鎊），但自 20 世紀 90 年代以來，較小的一次性火箭每公斤的成本僅達到約 10,000 美元（約 7,900 英鎊）。
SpaceX 已經遠遠超越了這個數字，目前正在徹底改變太空飛行方式。而真正具有變革意義的是2015 年獵鷹 9 號可重複使用火箭的問世。
隨着能夠返回地球並垂直着陸的第一級助推器的出現，將人員、物資和技術送入太空的成本開始大幅下降。
可重複使用性使得發射更加頻繁，從而進一步拓展了太空的商業和科學應用前景。例如，它使SpaceX的星鏈項目成為可能。該項目旨在將數千顆小型衛星送入近地軌道，以提供不間斷的全球互聯網覆蓋。
使用獵鷹9號火箭，將有效載荷送入軌道的成本約為每公斤2000美元（1500英鎊）。而SpaceX公司目前正在進行試飛的巨型星艦火箭，預計將把成本大幅降低至每公斤200美元（158英鎊）。
SpaceX的成就重塑了全球航空航天業，標誌着人類向着永久擴展其在太陽系中的存在邁出了關鍵一步。但這樣的進步並非沒有代價。
向太空發射如此多的物體可能會大幅增加太空碎片的數量，這會危及正在運行的衛星，並干擾對夜空的天文觀測。
因此，必須從“環境破壞”的角度來理解這些火箭所帶來的創新，因為環境破壞可能會對地球軌道和整個夜空造成影響。
然而，SpaceX 確實為我們帶來了一個真正的分水嶺，不僅在科學領域，而且在人類歷史上也是如此。
