随着21世纪的飞速发展，我们显然正生活在科学发现的黄金时代。从重塑我们对宇宙的认知到改造日常生活工具，曾经被认为不可能实现的突破正在改变我们周围的世界。

为了回顾迄今为止取得的进展，我们邀请了一些世界顶尖的思想家，重点介绍自千禧年以来改变我们世界的突破性科学突破。

1. 梦想工程

图片来源：Getty

直到上世纪之交，心理学家们常常认为做梦是一种毫无意义的体验，最好将其归入科学的边缘领域。但21世纪以来，科学界对我们夜间活动的关注度激增，并涌现出大量探讨梦境心理学的文章。

部分研究探讨了梦境如何帮助人们处理负面情绪，并为现实世界中的挑战性事件做好准备。另一项研究则探索了梦境与创造力之间的联系，并表明我们做梦时常常能想出应对紧迫问题的新颖创新方案。

还有一些研究着眼于梦的社会层面，心理学家认为，与他人讨论梦境是建立和维持关怀关系的一种有效方式。

其他科学家采取了不同的方法，开发出能够与做清醒梦的人交流的技术。

最后，还有梦境工程，研究人员利用气味、声音和暗示来操纵我们的梦境。

多年来，说服科学家认真对待梦境简直难如登天。如今风向已变，我们开始发现梦境在很多方面对我们的清醒生活做出了至关重要的贡献。

作者： 理查德·怀斯曼教授，赫特福德大学心理学公众理解教授，《让你的心灵快乐》一书的作者

2. 一种新型干细胞

诱导多能干细胞分化而来的神经元的荧光显微照片 - 图片来源：科学图片库

2006年以前，如果研究人员想要使用人类胚胎干细胞，就必须使用人类胚胎。这在伦理上是一个敏感领域——这些胚胎是辅助生殖治疗的剩余物，会在治疗过程中被销毁。

随后，京都大学的山中伸弥教授发明了一种无需使用胚胎即可制造胚胎干细胞的方法。

通过将少量基因添加到培养的皮肤细胞中，并用某些营养物质滋养它们，可以将成体细胞重新编程为“诱导多能干细胞（iPS细胞）”。

“多能性”意味着这些实验室制造的干细胞可以转化——或“分化”成许多其他类型的细胞，包括心肌细胞和神经元。

现在，研究人员可以从成年动物身上提取细胞，将其转化为诱导多能干细胞（iPS细胞），然后再将其分化成所需的特定细胞类型。iPS细胞目前已被常规用于测试新药和疗法，但它们最令人兴奋的应用或许是在再生医学领域。

想象一下一位心脏病患者。现在想象一下，提取他/她的一些皮肤细胞，并利用诱导多能干细胞（iPS）技术，培育出一批健康的心肌细胞。

然后可以将替代组织移植到患者的心脏中进行修复，由于这些细胞是患者自身的，因此不会有组织被排斥的风险。

同样的方法也可以应用于其他疾病，例如阿尔茨海默病和肾衰竭，从而为治愈目前无法治愈的疾病带来希望。

如此奇妙、用途广泛的细胞……难怪山中伸弥因其发现这些细胞的工作而荣获2012年诺贝尔奖。

作者： 海伦·皮尔彻博士，作家、演讲家和科学传播顾问

3. 全球变暖

2024年加州山火期间，一架空中灭火飞机向一栋房屋投放阻燃剂——图片来源：Getty Images

只有回顾过去，我们才能略微了解当今气候困境的严重性。

可怕的现实是，全球平均气温上升的速度比冰河时代结束后全球变暖的速度快 50 倍，目前全球平均气温正徘徊在 1.5°C 的危险气候崩溃警戒线边缘。

那是在5600万年前的古新世-始新世极热事件（PETM）期间。

那次快速升温事件导致海洋缺氧死亡，海平面比现在高出50米。而如今全球气温上升的速度至少是古新世-始新世极热事件（PETM）期间的十倍。

我们正处于一场独特的气候实验之中，每年持续排放400亿吨二氧化碳，却还指望一切都会好起来。我可以告诉你，不会好起来的。

作者：比尔·麦奎尔教授，伦敦大学学院地球物理与气候灾害荣誉退休教授； 《温室地球：居民指南》作者

4. 归因分析

简而言之，归因分析旨在确定全球变暖对特定极端天气事件的影响程度，例如增加其强度或提高其发生的可能性。

它涉及运行两个计算机模拟。一个模拟假设当今人为加热的气候，另一个模拟假设回到工业化前的气候，去除所有人为影响。

对比分析揭示了全球变暖是否产生了影响，以及如果产生了影响，具体影响是什么。这项史无前例的归因分析表明，2003年欧洲热浪（造成7万人死亡，英国气温首次突破37摄氏度/98华氏度）的发生概率因全球变暖而增加了一倍。

归因分析揭示了全球变暖对我们天气模式日益增长的影响，同时也有力地驳斥了气候变化否认者——可谓双赢。

比尔·麦奎尔教授，伦敦大学学院地球物理与气候灾害荣誉退休教授， 《温室地球：居民指南》作者

5. mRNA疫苗

mRNA在各种医疗应用领域的应用已经发展了几十年。然而，直到新冠肺炎疫情爆发，这项技术的影响才真正显现出来。

mRNA疫苗使得疫苗的研发速度比以前快得多——新冠肺炎疫苗的研发仅用了两个月，而此前的记录是四年。

据估计，新冠病毒mRNA疫苗在使用的第一年就挽救了近2000万人的生命。

未来几年，我们可能会有一系列针对其他经常变异病毒（如流感病毒）以及对以往疫苗技术反应不佳的病毒（如艾滋病毒）的新型 mRNA 疫苗。

作者：杰里米·罗斯曼博士，肯特大学病毒学荣誉高级讲师

6. 人类基因组计划

1990年，科学家开始对人类基因组进行测序。直到2022年才完成整个基因组序列的测定。

这一成就深刻地改变了生物医学科学，使得一些原本不可能进行的研究和技术成为可能，例如利用CRISPR 技术来修改遗传疾病。

我们才刚刚开始感受到这项成就对医学实践的影响。通过了解我们的基因组，就有可能发现与各种疾病相关甚至导致各种疾病的基因变化。

这增进了我们对这些疾病的了解，以及我们诊断和治疗这些疾病的能力。

作者：杰里米·罗斯曼博士，肯特大学病毒学荣誉高级讲师

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7. 解决“爱因斯坦”问题

我认为本世纪最重要的数学突破是解决了长期存在的“爱因斯坦”（一石）问题。

爱因斯坦问题问的是，是否存在一种形状，可以铺满无限大的水平表面，使得图案永不重复。

几十年来，无数杰出人士一直在寻找这样的形状。2022年，退休印刷技术员兼业余数学爱好者大卫·史密斯开始在他位于约克郡布里德灵顿的家中，利用软件和纸板模型进行研究。

史密斯多年来一直致力于瓷砖图案的研究，他强烈地感觉到，他设计的这个形状（绰号“帽子”）既可以铺满整个表面，又永远不会重复。

然而，他没有数学工具来证明他的直觉，于是他向瓷砖爱好者群体寻求帮助，并得到了加拿大滑铁卢大学的 Craig Kaplan 教授、阿肯色大学的 Chaim Goodman-Strauss 教授以及剑桥大学的软件工程师 Joseph Myers 博士的帮助。

克雷格·卡普兰教授是帮助大卫·史密斯证明他的帽子和幽灵形状解决了爱因斯坦难题的人之一——图片来源：乔·佩特里克/滑铁卢大学

他们共同提出了一系列形状的计算机分析证明，他们的预印本研究在 2023 年 3 月获得了国际赞誉——尽管有时需要将“帽子”翻转过来才能成功地铺满平面。

但是他们的论文预印本刚一发布，David 就提出了“幽灵”——一种手性非周期单晶，不需要翻转。

更令人印象深刻的是，“幽灵”瓷砖属于一个更大的瓷砖类别，该类别允许直线边缘呈波浪状。

他的同事们再次证实了他的直觉是正确的。这是一项了不起的成就，出自一位杰出的数学爱好者之手。

作者： 大卫·斯皮格尔哈尔特爵士， 剑桥大学统计学荣誉教授

8. 艾滋病的治愈

曾几何时，艾滋病几乎等同于死刑。后来抗逆转录病毒药物的出现，使情况有所改善。越来越多的人能够与病毒共存，但治愈仍然遥不可及。

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术，以治疗他的白血病。化疗失败后，布朗的治疗选择越来越少。

他的医生格罗·胡特尔博士认为这种疗法或许能够治愈他的癌症，但他同时也意识到，如果他能找到一位对 HIV 有基因抵抗力的捐赠者，那么同样的疗法也有可能治愈他的 HIV 感染。

有些人天生对艾滋病毒有抵抗力。他们携带一种名为CCR5的基因突变，该基因编码一种受体蛋白，艾滋病毒正是利用这种蛋白进入宿主细胞的。

经过一番仔细的搜寻，胡特尔找到了一位捐献者，他不仅与布朗的免疫特征相匹配，而且还携带了两个突变基因的拷贝。

移植手术顺利进行，几年后，研究人员在布朗体内未检测到任何艾滋病毒痕迹。布朗停止服用抗逆转录病毒药物，并在余生中一直过着无艾滋病毒的生活。

他是第一个被治愈的艾滋病患者。

自那以后，至少又有六名患有癌症的艾滋病患者通过骨髓移植治愈。

然而，这种治疗方法非常残酷，风险极大，不太可能成为常规治疗手段，但它让研究人员对艾滋病有了更深入的了解，也让世界看到了治愈艾滋病的希望，相信有一天是可能的。

作者：海伦·皮尔彻博士，作家、演讲家和科学传播顾问

9. Transformer 和大型语言模型

人工智能 (AI) 在过去十多年里一直是新闻热点，这主要是因为一项关键的 AI 技术——神经网络——终于开始大规模应用。

2005 年左右，随着计算机算力的廉价和用于“训练”神经网络的大量数据的出现，人工智能新时代的到来标志着“深度学习”的出现。

人工智能领域迅速发展，我们开始看到许多令人印象深刻的应用。人工智能成为了新闻头条。

然后，意想不到的事情发生了。2017年，谷歌的一个团队发表了一篇科学论文，描述了一种组织神经网络的新架构——所谓的“Transformer架构”。

Transformer 架构是一种用于词元预测的神经网络架构：它以词元（单词）序列作为输入，然后预测下一个出现的词元（单词）。

它们通过输入普通的人类文本进行训练，并给出“提示”（例如：“温斯顿·丘吉尔生平简介”）。然后，它们会尝试预测接下来最有可能出现的单词。它们一次预测一个单词，但这个过程可以反复进行。

2017年的时候，变形金刚的变革性影响还远未显现。要充分发挥它们的威力，就必须做好准备，以前所未有的规模建造它们，投入海量的训练数据，并用运行数月的AI超级计算机进行训练。

谷歌并没有做这项投资；而是一家名为 OpenAI 的名不见经传的组织，由微软支持。结果，这项投资获得了巨大的成功。

我们即将进入一个新时代的第一个真正迹象是2020年6月GPT-3的发布。那些有机会接触到OpenAI这款新程序的人似乎都对其强大的功能感到震惊。

图片来源：Getty Images

对人工智能研究人员来说，同样引人注目的是它的涌现能力：能够做它原本设计之外的事情。

像著名的图灵测试这样的问题，以前只是纯粹的哲学问题，突然变成了实际的实验问题。

ChatGPT 等大型语言模型 (LLM) 的空前成功让硅谷感到惊讶，现在世界上最富有的公司正在调整策略，试图将这项非凡的新技术嵌入到各个领域，希望能够找到杀手级应用。

尽管LLM取得了巨大成功，但这并非人工智能的终点；能够帮你清理餐桌、装洗碗机的实用家用机器人的梦想，似乎仍然遥不可及。

但这项技术仍然令人惊叹。我们正生活在科技史上一个非凡的时代：我们的历史将被划分为GPT出现之前和GPT出现之后两个时期。

作者： 迈克尔·沃尔德里奇教授，牛津大学人工智能基础阿沙尔讲席教授

10.HPV疫苗

世纪之交，科学家们就知道宫颈癌是由人乳头瘤病毒（HPV）引起的。在已知的200多种HPV病毒株中，两种高危型——16型和18型——导致了超过70%的宫颈癌病例。

虽然英国在 20 世纪 60 年代启动的宫颈癌筛查计划成功降低了宫颈癌的发病率，但 HPV 疫苗的引入带来了巨大的转变。

该疫苗于 2008 年成为英国国家计划的一部分。如今，它已在 100 多个国家获得许可，并提供给男孩和女孩，以预防 HPV 相关疾病，包括多种癌症和生殖器疣。

自推出以来的 15 年间，该疫苗对 HPV 提供了极佳的保护，并取得了显著的成果——据估计，20 至 30 岁女性的宫颈癌发病率降低了 90%。

下一个前沿领域是通过广泛接种 HPV 疫苗和强有力的筛查计划来消除宫颈癌——这曾经被认为只有传染病才能实现。

作者：米歇尔·格里芬博士（MFG健康咨询公司总监，英国国家医疗服务体系和世界卫生组织临床负责人）

11. 数字避孕

非激素数字避孕结合了数据驱动的洞察力和用户友好的技术，彻底改变了计划生育。

Natural Cycles 和 Clue 等应用程序使女性能够跟踪她们的月经周期，并利用这些数据来预防或实现怀孕，为传统避孕方法提供了一种方便易用的替代方案。

这些应用程序利用算法分析体温、排卵周期和其他生理指标的模式，为用户提供周期中受孕窗口的实时预测。

这项创新标志着女性健康领域的一个转折点。2018年，Natural Cycles成为首个获得美国食品药品监督管理局（FDA）监管的数字避孕产品，使该应用程序成为受监管的医疗干预手段。

Natural Cycles公司报告称，其应用程序背后的算法成功率高达93%，与避孕药的成功率相同。MG

12. 组织工程

图示为在透明质酸支架上生长的人工生物组织。——图片来源：科学图片库

去看牙医，做个合成树脂填充当然可以，但肯定不如真牙好。如果我们能用患者自身的干细胞在实验室里培育出真牙，然后再移植回患者的口腔里呢？

这听起来像科幻小说，但组织工程是一项突破性技术，目前已通过“支架技术”用于培育人体组织。支架是一种多孔材料，能够支持干细胞分裂并生长成新的组织。

人工耳、气管和骨骼已经通过这种方法培育出来，并成功植入人体。由于植入的组织是由患者自身的细胞培育而成，因此不存在免疫排斥问题。

人工肾脏、膝关节软骨甚至心脏也正通过这种方法培育，尽管这些目前仍局限于实验室实验。这项新技术的潜力尚不可估量，但成功再生牙齿指日可待。

作者：马克·米奥多尼克爵士（伦敦大学学院材料与社会学教授；《气体：扩展我们世界的奇妙而难以捉摸的元素》一书的作者）

13. 自修复材料

现代智能手机包含了元素周期表中一半的元素，但平均寿命却只有两到三年。为了节省我们不断生产（甚至回收）手机以及生活中其他各种物品所浪费的大量能源，我们需要找到一种制造更耐用产品的新方法。

这正是自修复材料突破性技术发挥作用的地方。想象一下，一部智能手机插上电源后，就能在一夜之间自我修复。

目前市面上已经有很多不同类型的此类技术产品。自修复涂料在室温下具有流动性，能够在裂缝形成时流入裂缝并填补缝隙。

本世纪以来，桥梁用自修复混凝土和道路用自修复沥青已经投入使用。自修复电子产品也将帮助我们构建可持续的未来。MM

14. 通用可编程化学机器人

格拉斯哥大学克罗宁教授化学实验室里的一台化学计算机器人。——图片来源：克罗宁研究小组/格拉斯哥大学化学学院

如果任何化学反应都可以通过代码来实现呢？化学计算（或称“化学计算”）这项突破性技术已经让这一切成为可能。

化学计算技术结合了自动化、计算和模块化硬件，将化学合成转变为可编程的通用流程。其核心是“化学计算机”——一个能够执行任何可行化学合成的革命性平台。

它采用了一种名为“化学堆垛”（chempiling）的概念，将化学合成路径转化为可执行的硬件配置——本质上就像一台化学图灵机。这一过程实现了化学的数字化，提高了效率，加速了研究，并降低了人为错误的风险。

将人工智能融入自动化合成，使这项创新更进一步，增强了从分子设计到反应执行的每一步的决策能力。

正因如此，化学计算在药物发现、材料科学等领域释放了巨大的潜力。

作者： 李·克罗宁教授（格拉斯哥大学化学钦定讲席教授）

15. 暗物质

宇宙的大部分是不可见的，它由两种被称为暗物质和暗能量的实体组成，而物理学目前还无法解释它们的起源。

过去25年来，暗物质存在的证据变得越来越令人信服。我们利用引力效应来推断暗物质的分布位置和数量，绘制出了揭示暗物质无处不在且肉眼不可见的网络图。

宇宙微波背景辐射的模式似乎与暗物质的可能分布相对应。——图片来源：欧洲航天局/普朗克卫星

这些地图、宇宙微波背景辐射以及星系分布所呈现的模式，几乎与我们对暗宇宙的预期相符。然而，尽管25年的观测增强了天文学家的信心，实验却揭示了不同的真相。

在欧洲核子研究中心 (CERN)于 2012 年探测到希格斯玻色子之后，人们曾寄予厚望，认为接下来会发现理论上的“最轻超对称粒子”和暗物质的热门候选者。

令人遗憾的是，神秘的暗物质粒子至今仍未被发现。由于尚未探测到它，我们至少知道它不是什么，即使我们目前还不知道它是什么。科学家们正致力于建造迄今为止最先进的探测器，其选址可能就在英国。

结合欧洲核子研究中心 (CERN) 的升级改造以及欧几里得望远镜和维拉·鲁宾天文台即将进行的观测，我们仍然很有希望，无需再等 25 年就能了解宇宙的暗物质。

作者：凯瑟琳·海曼斯教授（爱丁堡大学皇家天文台天体物理学教授；《黑暗宇宙》作者）

16. 希格斯玻色子

如果我们把 21 世纪前 25 年物理学领域最重要的发现与 20 世纪同期最重要的发现进行比较，我们可能会对近期基础性进展的匮乏感到相当沮丧。

这或许是因为我们已经基本揭示了宇宙的基本规律。

不可否认，上世纪头二三十年是物理学的黄金时代，从量子革命到爱因斯坦的两大相对论，再到欧内斯特·卢瑟福揭示的原子结构，都见证了这一时代的辉煌成就。

但过去一百年来的理论和实验发现仍然令人瞩目，使我们对物质的基本组成单元有了深刻的认识，有可能使我们更接近完成现实的拼图。

自20世纪60年代彼得·希格斯教授（及其他学者）首次提出以来，一直缺失的一块拼图就是希格斯玻色子。这种粒子被认为是希格斯场和希格斯机制的一种体现，解释了基本粒子如何获得质量。

彼得·希格斯教授站在大型强子对撞机的照片前。——图片来源：Getty Images

然后，在 2012 年 7 月 4 日，欧洲核子研究中心大型强子对撞机上的两个巨型粒子探测器 ATLAS 和 CMS 的实验团队宣布，他们终于观测到了希格斯玻色子。

这是粒子物理学领域的一项里程碑式成就，也是“大科学”领域技术创新、国际合作和人类对知识追求的证明。

它引起了全球的关注，并吸引了广大公众的目光。

当然，有人可能会说，希格斯玻色子的发现不如1998年宇宙加速膨胀的发现那样意义重大（因此后者未能列入此榜单），因为物理学家们早就预料到会发现希格斯玻色子。但它证实了粒子物理学标准模型的一个关键组成部分。

标准模型是由两个独立的量子理论——电弱理论和量子色动力学——融合而成，它们共同描述了所有已知基本粒子的性质以及它们之间相互作用力。

然而，标准模型不能成为最终定论，因为它没有包含引力，没有解释暗物质或暗能量，也没有解释在大爆炸中应该产生的所有反物质都去了哪里。

在希格斯玻色子被发现 15 个月后，即 2013 年 10 月，诺贝尔物理学奖授予弗朗索瓦·恩格勒教授和彼得·希格斯教授，“以表彰他们从理论上发现了有助于我们理解亚原子粒子质量起源的机制……”

该奖项并非因实验证实希格斯玻色子的存在而颁发，而是因为半个世纪前最初的理论预测。

作者： 吉姆·阿尔-哈利利教授（萨里大学物理学荣誉退休教授）

17. 詹姆斯·韦伯太空望远镜

詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）于2021年圣诞节搭乘阿丽亚娜5号火箭发射升空，堪称一项技术奇迹。JWST在哈勃太空望远镜的基础上进行了增强和改进，其设计用于波长范围为0.6-28.5微米的红外天文学观测。

JWST 的研究目标涵盖天文学和宇宙学的许多重要领域，从研究第一批恒星和初始星系的形成，到发现系外行星并分析它们的大气层。

这是一个技术和资金都雄心勃勃的项目，但在最终部署的过程中遇到了许多障碍。例如，詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的大型主镜体积过大，无法装入火箭的有效载荷舱内。

问题的解决之道在于将镜面设计成可以折叠起来便于运输，到达目的地后像花瓣一样展开。为了保证詹姆斯·韦伯太空望远镜极其灵敏的红外探测器正常工作，目的地必须远离地球和月球等任何明亮的辐射源。

一位NASA工程师正在检查詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）主镜的六个已做好飞行准备的镜片，这六个镜片是最终总数的三分之一。——图片来源：NASA/JPL

因此，它的观测基地位于距离地球150万公里处，在太阳的另一侧。幸运的是，詹姆斯·韦伯太空望远镜抵达后顺利完成部署，这真是太好了，因为距离如此遥远，我们几乎无法解决任何问题。

2022 年 12 月，詹姆斯·韦伯太空望远镜发现了迄今为止观测到的最遥远、因此也是最早的星系。

一项名为JWST 高级深空星系巡天的星系巡天项目，观测了哈勃望远镜记录到 10,000 个星系的区域，并在同一片天空中探测到了惊人的 100,000 个星系。

不过，并非只有遥远到难以想象的天体才能接受詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的观测。木星、土星、天王星和海王星都曾接受过JWST的观测，并因此揭示了关于这些天体的惊人新细节。

随着时间的推移，詹姆斯·韦伯太空望远镜不断取得新的突破，其观测结果挑战着现有的天体演化理论，并在此过程中提出了更多的问题。

作者： 皮特·劳伦斯（天文学家， BBC《夜空》节目主持人）

18. 系外行星

这是艺术家绘制的开普勒-10系统（开普勒太空望远镜观测到的第十个行星系统）的示意图。——图片来源：NASA/JPL

如果我们把每颗恒星都想象成一个行星系统的中心，就像我们的太阳系一样，那么夜空就会变得更加有趣。尤其令人感兴趣的是，这些行星中有很多可能像地球一样：大小相仿，并且与它们的恒星保持着适宜的距离，使得水能够存在。那么，这些行星上会不会存在生命呢？

虽然系外行星大约在 1995 年就被正式发现，但我们对系外行星的大部分了解都是在最近几年才获得的。

我们现在已经探测到超过 5000 颗行星，主要通过“凌日法”。这种方法实际上并不探测行星发出的光，而是探测行星从母恒星前方经过时对母恒星亮度产生的影响。

我们目前最成功的凌日观测方法是通过开普勒太空望远镜进行的。虽然这台望远镜揭示了很多信息，但它并不能告诉我们这些行星的表面究竟是什么样子。

为此，你必须探测到行星反射的光。这难度极大，而且迄今为止，这项探测仅限于体积非常大的行星，而非地球大小的行星。未来25年的挑战将是如何探测围绕附近恒星运行的类地行星所发出的光。

詹姆斯·韦伯太空望远镜或许能做到其中的一些事情，但一个由欧洲国家组成的财团正在智利建造一座巨型地面望远镜——极大望远镜（ELT）。它的镜面直径达39米（128英尺），因此它能够比直径“仅”为6.6米（21英尺）的韦伯望远镜收集到更多来自暗弱天体的光线。

这个新兴的研究领域蕴藏着巨大的潜力，能够为我们揭示许多奥秘。如果我要和一位即将投身天文事业的年轻人交流，我会建议他专注于系外行星的研究。显然，在未来几十年里，这个领域将会蓬勃发展，并涌现出大量新的发现。

作者：马丁·里斯勋爵（皇家天文学家，剑桥大学宇宙学和天体物理学荣誉教授）

19.引力波

引力波之所以意义重大，原因有二。首先，它们是一种重要的物理现象，能够揭示引力的本质，并进一步证实了爱因斯坦广义相对论的推论。其次，探测到引力波本身就是一项了不起的技术成就。

激光干涉引力波天文台（LIGO）是一项巨大的技术挑战，因为这些波的预期振幅非常小，而且必须在极其遥远的距离上探测到。你所寻找的效应就像在近距离恒星处一根头发丝的粗细一样。真是令人惊叹。

我们很多人都认为LIGO不会发现任何东西。或者，即使发现了，事件也会极其罕见，因为仪器的灵敏度只够大约一个世纪探测到一次碰撞。

但 LIGO 的成功程度超出了我们所有人的预期，在开机后不久就探测到一对质量约为太阳 50 倍的黑洞碰撞在一起。

这真是令人无比兴奋，现在它每周都能探测到一到两次这样的事件。对于参与这些仪器安装的数百人来说，这值得庆祝。

LIGO观测到的引力波是每秒约100次的短脉冲辐射，这大致相当于两个质量为50个太阳质量的黑洞合并时的轨道周期。

但是，在星系中心存在着质量远大于LIGO探测能力的数百万倍的巨型黑洞。这些黑洞的合并事件虽然罕见得多，但却可以在更远的距离上被探测到。

然而，产生的辐射频率要低得多。这必须用仪器来探测，而这些仪器的反射镜之间的距离不是几公里，而是几百万公里。

由欧洲航天局主导的激光干涉仪空间天线（LISA ）计划在未来10年内发射。它有望探测到星系合并时，其中心超大质量黑洞碰撞所引发的罕见巨型灾变。

20. 迷幻疗法

图片来源：Getty

经过各方利益相关者的深思熟虑和游说，2024 年，美国食品药品监督管理局决定不批准 MDMA 辅助疗法用于治疗创伤后应激障碍，理由是缺乏足够的证据证明该药物（俗称摇头丸）的疗效。

尽管遭遇了这一挫折，但我们仍需认识到，能够走到今天这一步本身就是一项意义重大的突破。虽然迷幻剂的益处由来已久，但此前人们对它们潜在治疗应用的认识达到顶峰是在20世纪50年代和60年代，当时LSD的使用十分普遍。

不幸的是，由于LSD与反主流文化的关联，以及尼克松总统发起的“毒品战争”，导致LSD——以及所有迷幻药——都遭受了残酷的打击。几十年来，无论是娱乐用途还是研究用途，它们的使用都受到了压制。

21 世纪以来，对迷幻药研究的限制逐渐放宽，从而产生了治疗抑郁症、焦虑症、强迫症、成瘾症甚至性功能障碍的强效且快速的疗法。

迷幻疗法仍处于早期阶段。大部分研究规模仍然小、周期短，政治和意识形态障碍依然存在，迷幻疗法的主流推广需要大量投资。

即便如此，尤其是在精神健康问题的“传统”药物干预措施相对停滞不前的情况下，对迷幻药的安全性、效力和益处的重新评估可能会改变世界。

作者：迪恩·伯内特博士（神经科学家兼作家；《为什么你的父母总是盯着你的手机看，以及该如何应对》一书的作者）

21. 单细胞基因组学

人体由近40万亿个细胞组成，传统观点认为这些细胞可分为约200种类型。在单细胞基因组学出现之前，我们的技术只能对大量细胞进行研究，提供数千个细胞的平均读数，而无法分辨单个细胞的身份。

人体，就像所有多细胞生物一样，同一组织内存在不同类型的细胞，它们各自发挥着不同的作用：肌肉组织包含肌肉细胞的亚型，但也包含血管、神经元、免疫细胞等等。

如果不了解这种复杂性，就无法确定不同器官中的细胞亚群是如何相互关联的，以及疾病会如何改变它们。

癌症中，单个细胞的DNA发生突变，使其不受控制地增殖，最终形成肿瘤。肿瘤细胞随后与微环境中的其他细胞相互作用，导致癌症扩散。

单细胞基因组学能够解析单个细胞类型和细胞状态，揭示促进肿瘤生长的通路，从而开发靶向疗法。

克罗恩病是另一个例子，通过对健康组织和患病组织在单细胞水平上的比较，揭示了某些患者对治疗没有反应的原因。

疫情期间，单细胞基因组学被用于确定哪些细胞易受感染，后续研究又确定了哪些器官受影响最大以及原因。这些只是单细胞基因组学应用的几个例子，其应用范围还在不断扩展。

全球超过3000名科学家正在构建人类细胞图谱（HCA），旨在提供人体所有器官的完整单细胞图谱。这项计划已经彻底改变了人们对正常细胞功能的理解，并为理解疾病的发生机制奠定了基础。

目前取得的进展将带来更好的诊断和治疗。

单细胞分析技术发展至今还不到十年，HCA（高通量细胞分析）推出也只有六年时间。单细胞基因组学的下一个十年有望更加令人振奋。

作者：凯·戴维斯女爵士（牛津大学李氏解剖学荣誉退休教授）

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22.CT扫描

一个多世纪前，纽约的古生物学家切开了霸王龙的头骨，以便观察其脑腔内部。这在当时是一项大胆的举动，因为他们不得不破坏一些无价的化石。但他们认为这样做是值得的，因为这是他们了解这种最具代表性的恐龙如何感知世界的唯一途径。

快进到千禧年之交，新技术使这些具有破坏性的古老手术过时了。

2000年，克里斯托弗·布罗丘教授发表了一项关于霸王龙大脑、智力和感官的精彩研究。他没有使用锯子，而是使用了X射线。布罗丘将一具霸王龙化石头骨放入计算机断层扫描（CT）扫描仪中。

克里斯托弗·布罗丘教授对霸王龙头骨进行了CT扫描，这标志着他在恐龙研究领域迈出了重要一步。——图片来源：Alamy

由于头骨足有浴缸那么大，他需要说服波音公司的工程师们让他使用他们用来扫描飞机发动机以寻找缺陷的机器。虽然体积庞大，但这种扫描仪的工作原理与医生在医院使用的扫描仪类似，它通过一系列X光片构建头骨内部结构的三维数字模型。

研究表明，霸王龙拥有巨大的大脑和庞大的嗅球，这赋予了这种标志性掠食者敏锐的嗅觉。布罗丘的研究并非首例化石CT扫描，但它轰动全球，并引发了大量新的研究。

突然间，所有人都开始把化石放进CT扫描仪里扫描。如今，这项技术已经非常普及，许多古生物学家的实验室里都配备了CT扫描仪。

我们利用它们做很多事情：识别仍包裹在岩石中的化石碎片，或者描述骨骼内部的微观纹理和生长痕迹，以了解古代生物的生长和新陈代谢方式。它们还可以帮助我们制作数字模型，用于计算机模拟，测试恐龙的进食和运动方式。

在我看来，CT扫描是过去25年来古生物学领域最大的突破。

作者：史蒂夫·布鲁萨特教授 （爱丁堡大学古生物学与进化论教授； 《恐龙的兴衰》作者）

23. 美国宇航局的好奇号火星车

按照我们对NASA一贯的公关策略，他们并没有淡化“好奇号”火星车登陆火星的难度。相反，他们称之为“恐怖的七分钟”，并解释说，在这420秒内，火星车必须从接近21000公里/小时（13000英里/小时）的速度降至零，才能安全降落在火星表面。

当他们实现这一目标时，这项任务在历史上的地位几乎已经稳固，尤其因为他们使用了创新的“空中起重机”着陆系统，该系统引导探测车比以往任何行星探测任务都更加精确地着陆。

然后，科学出现了。

“好奇号”火星车回望拍摄了马卡班德山谷的照片，并在那里发现了古代湖泊的痕迹。——图片来源：NASA/JPL

自 2012 年以来，“好奇号”火星车在火星上取得了突破性发现，有助于更详细地了解火星过去的环境、以前的宜居性，甚至现在维持生命的能力。

它在盖尔陨石坑中发现了化学物质和矿物质，表明过去这里曾存在液态水，这显然是生命存在的先决条件。随后，它还发现了多种有机分子，这些分子是生命的组成单元，并且可以被微生物用作食物。

虽然它们不能证明地球上曾经存在生命，但至少表明当时存在正确的分子。

但或许探测车最引人入胜的发现是探测到火星地表下甲烷的季节性释放。每年火星夏季，这种气体都会从盖尔陨石坑涌出。

虽然水岩相互作用可能是造成这一现象的原因，但科学家也不能排除生物活动的可能性。下一代火星探测车，例如欧洲航天局的“罗莎琳德·富兰克林”号，将携带地下钻探设备进行更深入的研究。

总而言之，“好奇号”的持久运行及其非凡的科学成果极大地增进了我们对火星的了解，为未来的人类任务和寻找地外生命铺平了道路。

为了巩固其在 21 世纪文化中的地位，“好奇号”火星车还拍了一张自拍照。

作者：斯图尔特·克拉克博士（天文学家、科学记者、作家；《寻找地球孪生兄弟》一书的作者）

24. NASA 的 DART 任务

这次撞击产生了巨大的影响，无论从字面意义还是象征意义上来说都是如此。2022年9月26日，NASA的双小行星重定向测试（DART）任务撞击了小行星迪莫弗斯。

这次碰撞彻底摧毁了航天器，并改变了小行星的轨道——这一切都是人为设定的。DART 是一项开创性的测试，旨在检验我们改变小型小行星轨道的能力，以便在探测到可能与地球相撞的小行星时能够进行干预——而它取得了巨大的成功。

人类历史上第一次改变了天体的运行轨迹，并由此证明了避免自然灾害的一种方法。

这颗小行星是双小行星系统中较小的那颗。较大的那颗名为迪迪莫斯（Didymos）。迪迪莫斯最初于1996年被发现，是一块尺寸约为851米×848米×620米（2792英尺×2782英尺×2034英尺）的岩石。

它的同伴最终被命名为“双型齿兽”（Dimorphos），于 2003 年得到确认。它的尺寸仅为 177 x 174 x 116 米（580 x 570 x 38 英尺），是该任务的完美测试对象。

由于被锁定在迪迪莫斯小行星的轨道上，它的移动量会反映在它绕这颗较大小行星运行所需时间的变化上。

撞击前，迪莫弗斯小行星绕迪迪莫斯小行星运行一周需要不到12小时。撞击后，这一时间缩短了半个多小时，这表明了一种可行的偏转潜在危险小行星、使其远离地球的方法。

DART 的成就远不止于行星防御。

该任务提供了有关小行星成分和撞击力学的关键数据，更不用说它还通过以每秒公里的速度撞击直径100米（328英尺）的目标，实现了天文导航，而此时探测器已飞行了数百万公里。

25. SpaceX的可重复使用火箭

SpaceX的可重复使用火箭正在降低将人员和科技送入太空的成本。——图片来源：Getty Images

几十年来，探索和利用太空的最大障碍一直是向太空发射物体和人员的成本。

20 世纪 60 年代和 70 年代，巨大的土星五号火箭曾用于将宇航员送上月球，其每公斤送入太空的成本约为 5,000 美元（约 3,950 英镑），但自 20 世纪 90 年代以来，较小的一次性火箭每公斤的成本仅达到约 10,000 美元（约 7,900 英镑）。

SpaceX 已经远远超越了这个数字，目前正在彻底改变太空飞行方式。而真正具有变革意义的是2015 年猎鹰 9 号可重复使用火箭的问世。

随着能够返回地球并垂直着陆的第一级助推器的出现，将人员、物资和技术送入太空的成本开始大幅下降。

可重复使用性使得发射更加频繁，从而进一步拓展了太空的商业和科学应用前景。例如，它使SpaceX的星链项目成为可能。该项目旨在将数千颗小型卫星送入近地轨道，以提供不间断的全球互联网覆盖。

使用猎鹰9号火箭，将有效载荷送入轨道的成本约为每公斤2000美元（1500英镑）。而SpaceX公司目前正在进行试飞的巨型星舰火箭，预计将把成本大幅降低至每公斤200美元（158英镑）。

SpaceX的成就重塑了全球航空航天业，标志着人类向着永久扩展其在太阳系中的存在迈出了关键一步。但这样的进步并非没有代价。

向太空发射如此多的物体可能会大幅增加太空碎片的数量，这会危及正在运行的卫星，并干扰对夜空的天文观测。

因此，必须从“环境破坏”的角度来理解这些火箭所带来的创新，因为环境破坏可能会对地球轨道和整个夜空造成影响。

然而，SpaceX 确实为我们带来了一个真正的分水岭，不仅在科学领域，而且在人类历史上也是如此。