雷射釋放出海量太空數據
2013年1月，月球勘測軌道飛行器接收了歷史性的傳輸訊號：蒙娜麗莎的影像。這是科學家首次使用雷射向月球發送數據，這項壯舉可望倍增往返太空的資訊流量。
過去50年來，太空船一直依賴無線電波與地球通訊。但無線電有其限制。無線電波擁擠，訊號會隨著距離衰減，因此傳輸需要耗電的產生器和大型天線。聚焦雷射的波長比無線電波短1萬倍，每秒鐘可以發出更多的波，從而傳遞更多資訊。雷射訊號在遠距離也能保持強度，因此發射器所需的功率更小。而且，搭載小型接收器的太空船發射成本也更低。
10月份，月球大氣與塵埃環境探測器（Ladee）成功進行了另一次測試，它在三個不同的地球接收器之間發射了包含高清視訊的雷射脈衝。歐洲太空總署的Alphasat衛星在7月發射，它將利用雷射中繼來自其他地球觀測衛星的資料。此外，美國太空總署的工程師們已經開始建造下一代系統——雷射通訊中繼演示系統（LCRD），該系統計劃於2017年發射。
如果天基雷射通訊成功——而且幾乎沒有理由相信它不會成功——它將徹底改變人類探索太陽系的方式。探測車可以攜帶更多工具，並傳回更複雜的數據。高清視訊串流可以讓科學家像在地球上一樣追蹤土星上的風暴。太空人也可以透過Skype與地球聯繫。戈達德太空飛行中心雷射中繼團隊的首席研究員戴夫·以色列這樣說道：「這相當於從撥接上網到高速互聯網接入家庭網路的飛躍。」——麗貝卡·博伊爾
2014年1月20日
在這一天，羅塞塔號探測器將從長達42個月的深空休眠中甦醒，開始對彗星進行迄今為止最詳盡的研究。 8月，它將抵達67P彗星，11月，它將釋放一個探測器著陸於彗核。
電腦解碼我們的大腦
2013年10月7日，在瑞士洛桑聯邦理工學院，一項史上最雄心勃勃的腦科學研究計畫正式啟動。這項名為「人腦計畫」的計畫耗資12億歐元，匯集了250多名研究人員，旨在創建首個完整的人腦電腦模擬模型。在未來十年裡，我們將對大腦生物學的所有已知資訊進行建模。最終，虛擬神經元甚至將接受虛擬藥物的刺激。
人類腦計畫是腦科學跨學科研究浪潮中的一個重要組成部分，這波吸引了工程師、數據理論家和其他非神經科學家參與各種計畫。在美國，政府主導的「腦計畫」旨在實現其「首個」成果：繪製出所有大腦活動的詳細圖譜。其未來潛力巨大，既有近乎詩意的——觀察記憶的形成如何隨著神經元活動在多個迴路中流動而發生——也有臨床應用價值，例如開發一種可以直接改變這些迴路的設備，從而可能用於診斷和治療疾病。其他於2014年啟動的計畫還包括賓州州立大學主導的一項為期五年、由八個機構參與的計劃，旨在用矽模擬視覺皮層。
洛克斐勒大學的神經科學家科里·巴格曼解釋了這類計畫為何突然獲得關注。 「我們現在擁有了所需的計算和統計工具，可以理解數十億個神經元的運作機制，每個神經元都會在複雜的時間尺度上經歷活躍和不活躍的循環，」她說。因此，雖然2014年不會是大腦被完全繪製、模擬或「劫持」的一年，但它將是真正開始探索所有這些——以及更多——的一年。 ——艾瑞克‧索夫格
止痛藥禁令
今年起，對維可丁（Vicodin）和洛他布（Lortab）等麻醉性止痛藥的更嚴格管制措施將正式生效。這些法規旨在減少藥物濫用和過量用藥導致的死亡，自1999年以來，美國的此類死亡人數已增加了四倍。
急救機器人對決
2014 年 12 月，來自約十幾支隊伍的自主機器人將參加 DARPA 機器人挑戰賽的最終賽事，在模擬災難中執行救援行動。
如何拆除化學武器
今年，美國陸軍將建造名為「野戰部署水解系統」（FDHS）的移動式去污實驗室，該系統能夠快速中和沙林等大宗化學戰劑。這項技術對於像敘利亞這樣缺乏銷毀化學武器儲備設施的國家來說尤其有用。
第一步：在實驗室的鈦罐中用水稀釋一定量的化學武器劑，然後加入漂白水（次氯酸鈉）和鹼液（氫氧化鈉）。
步驟二：將裝有混合物的鈦罐加熱至接近沸騰，持續三小時。在此期間，漂白劑、水和鹼液將水解99.9%的化學試劑。
第三步：將副產品轉移到油槽車中，運往正規的危險廢棄物處理廠進行進一步處理。
無人機獲準使用
美國國內無人機時代將於今年底正式開啟。屆時，美國聯邦航空管理局（FAA）將發布一項規則草案，規範重量低於55磅（約25公斤）的無人機在美國空域的使用，這一類別涵蓋了大多數商用機型。但在此之前，這些無人機將會升空。計劃於2014年進行的飛行測試將影響未來數年甚至數十年無人機的發展方向。
截至發稿時，來自24個州的團體正在競相爭取六個經批准的測試場地，這些場地將用於評估無人機型號和飛行規程。儘管美國聯邦航空管理局（FAA）預計其初始指導方針會比較嚴格——可能要求飛行員與無人機系統（UAS）之間保持持續的視線連接，以及飛行高度上限為400英尺——但這些場地的測試將探索更具雄心的能力，包括自主感知和規避系統，這將使無人機能夠在更高的高度運行，與載人飛機共享空域。
同時，美國聯邦航空管理局（FAA）已經批准了數百個警察部門、公立大學和其他申請機構以非營利目的進行無人機飛行。北卡羅來納州立大學下一代航空運輸中心主任凱爾·斯奈德表示，隨著像他所在的中心這樣的機構不斷為無人機系統（UAS）研究人員和FAA收集測試數據，2014年無人機活動將達到前所未有的水平。這對農民、房地產經紀人以及任何希望獲得廉價空拍素材的人來說都是個好消息。而對於那些仍然對無人機飛行感到恐懼的人來說，這場「入侵」已經開始了。 ——艾瑞克‧索夫格
氣候議題優先
“今天，我們應該將減少碳排放視為增加就業和增強經濟實力的一種途徑。讓我們把它視為千載難逢的機會。因為這關係到無數人的生命，我們不能錯過這個機會。”
——吉娜·麥卡錫，環保署署長（2013年7月上任）
名人太空之旅
維珍銀河計劃於 2014 年開始商業運營，將付費乘客（包括流行歌手凱蒂佩芮）送往太空邊緣。
好奇號火星車駛向夏普山和蓋爾隕石坑
如何建造冰牆
日本福島
去年8月，東京電力公司（東電）承認，受地震影響的福島核電廠的一個儲槽洩漏了超過300噸的污水。為了防止污水流入海洋，東電於2014年宣布計畫建造地下冰牆。
第一步：在發電廠周圍的地下安裝管道，管道間距為三到五英尺。
步驟二：將冷凍冷卻劑（氯化鈣鹽水）泵入管道，並使其在冷氣站內持續循環。
第三步：每根管道周圍的凍土匯聚成冰牆，阻擋水流。
癌症診斷變得更加無創
癌症會帶來許多棘手的問題，首先是診斷。組織切片檢查是目前大多數癌症唯一可靠的檢測方法，但它具有侵入性，會引起疼痛，並可能導致感染。而且，活檢通常是在症狀出現後才進行的，那時往往為時已晚。一種新的診斷工具或許能讓某些疾病的診斷變得更容易。
在人體內，被稱為外泌體的微小囊泡穿梭於血液、尿液和唾液等體液中。它們在細胞間傳遞遺傳物質和蛋白質，在細胞通訊中扮演重要角色。 「我們喜歡把它比作人體的聯邦快遞系統，」外泌體診斷公司執行長詹姆斯麥卡洛說。
麥卡洛的公司開發了一種檢測方法，可以捕獲這些信使分子並分析它們所包含的RNA，從而標記指向惡性細胞存在的突變。另一家公司Caris Life Sciences則致力於尋找外泌體表面與特定腫瘤相關的蛋白質。這兩家公司都在競相推出首個商業化的外泌體檢測產品，目標是在2014年上市——Exosome Diagnostics公司開發的用於前列腺癌的檢測產品，透過分離尿液中的外泌體進行診斷；而Caris Life Sciences公司開發的用於前列腺癌和乳腺癌的檢測產品，則透過血液檢測進行檢測。
目前，多項重要的臨床研究正在進行中。 Exosome Diagnostics公司的技術已展現出檢測血液中腦癌相關突變的潛力。今年，已有18家醫療中心對此方法進行進一步評估。 Exosome Sciences公司的研究人員將啟動早期臨床研究，利用從尿液中分離的外泌體檢測HIV以及乙型和丙型肝炎病毒。
這項技術的應用潛力巨大。淋巴瘤、結核病和帕金森氏症都是潛在的診斷標靶。外泌體檢測還可以用於追蹤疾病進展和監測治療效果。 ——卡桑德拉‧威利亞德
Sally Jewell，@SecretaryJewell，2013年10月29日
科學預算仍捉襟見肘
美國
2013年，聯邦政府對基礎研究和開發的撥款比前一年下降了8%，比2010年的高峰下降了16%。國會2014年的預算案並未對此進行太多調整，而自動減支機制可能會使未來十年的資金更加緊張。美國科學促進會預算項目主任馬特·霍里漢表示，隨著研究經費越來越難獲得，美國的科學發展——以及由此帶來的創新和成長——可能會放緩。
*科學預算數據由美國科學促進會提供。所有金額均已根據通貨膨脹進行調整。 2013年的數據為估算值，2014年的數據為擬議預算。未包含眾議院2014年對美國國立衛生研究院的撥款，該撥款在本文付印時尚未公佈。
四項新研究探討新生兒基因體定序的醫學益處和實際難題
「這些撥款將使我們能夠在廣泛應用這項檢測之前，收集有關其倫理、法律和社會影響的資訊。目前尚不清楚患者或醫療服務提供者將如何處理這些資訊。”
——辛辛那提兒童醫院醫療中心倫理中心主任阿曼德‧安托馬裡亞
風向離岸
包括 Cape Wind（位於麻薩諸塞州南塔克特海峽）和 Deepwater Wind（位於羅德島州布洛克島附近）在內的多個項目正在競相成為美國第一個離岸風電場。它們計劃於 2014 年開始建造。
多個專為比特幣設立的新基金使機構投資者能夠購買和交易這種數位貨幣的份額。
“我們正接近一個轉折點。比特幣成功的催化劑可能是監管政策的明朗化、大規模風險投資、像中國這樣的大國的支持，或者投資者准入渠道的改善。”
——巴里·西爾伯特，SecondMarket創始人兼首席執行官，該公司經營比特幣投資信託
物理學家創建防間諜代碼
今年對隱私保護而言並非一片光明。美國國家安全局大規模監控行動的曝光，凸顯了加強資料安全的迫切需求。量子密碼學的最新突破或許能夠滿足這項需求：它能提供防間諜加密技術，不再侷限於實驗室，也不再受限於高昂的工業級價格。
量子金鑰分發（QKD）是一種幾乎無法破解的加密協議，它利用了量子物理學中最令人費解的原理之一——僅僅是觀察資訊就會改變資訊本身。在基於QKD的系統中，隨機產生的金鑰被編碼在光粒子上，並透過光纖電纜傳輸，之後用於加密敏感資料。任何試圖偵測傳輸過程中密鑰的行為都會改變其光子，表明傳輸已被攔截，需要使用新的密鑰。
迄今為止，量子金鑰分發（QKD）仍然依賴光纖網路。它還需要大型發射器和探測器，但現在研究人員正在努力將其小型化：諾基亞和英國布里斯託大學正在合作開發一種小到可以裝進手機的量子源，而位於加拿大安大略省滑鐵盧市量子計算研究所的物理學家們正在開發微型衛星，可以將編碼光子傳輸到世界各地。
量子金鑰分發（QKD）發展勢頭強勁的最佳例證或許是GridCOM Technologies公司。該公司計劃於9月在聖地牙哥推出首個商用量子加密資料網路。儘管該公司初期專注於基礎設施安全——該網路將保護聖地牙哥部分電網免受網路攻擊——但GridCOM聯合創始人、曾任職於橡樹嶺國家實驗室的物理學家鄧肯·厄爾（Duncan Earl）希望將網路頻寬擴展到適用於手機和個人電腦的更高水平。 「五年內，這項技術將無處不在，」厄爾表示，「我們即將進入密碼學時代。為了支撐我們所創造的世界，我們必須擁有它。」——埃里克·索夫格
傳染病捲土重來
1900年，美國傳染病死亡率是現在的40倍。但儘管上個世紀取得了進步，一些疾病卻開始捲土重來。 「我們正面臨著一場脆弱性的完美風暴，」美國疾病管制與預防中心主任湯姆·弗里登說道，他指出，旅行和食品貿易的增加、未能接種疫苗預防可預防疾病以及抗生素管理不善都是造成這一局面的原因。
百日咳病例在美國激增，原因有幾個。首先，90年代採用的疫苗比先前的疫苗失效得更快。其次，美國更先進的診斷檢測方法也可能是導致百日咳高發生率的原因之一。
麻疹已於2000年在美國消滅，但當未接種疫苗的人在國外感染這種傳染性極強的疾病時，病例仍會不時出現。在感染者返回未接種疫苗者相對集中的地區，疫情爆發最為嚴重。
隨著淋病對抗生素產生抗藥性，可用於治療的藥物越來越少——儘管美國目前還沒有治療失敗的病例。尤其令人擔憂的是淋病菌的「記憶力」：即使某種特定藥物停用後，它仍然保留著抗藥性。
由環境保護基金會組織的十六項研究將確定天然氣生產和輸送對氣候的影響。
“如果我們想要減少溫室氣體排放，就需要了解排放源，包括天然氣供應鏈中的甲烷，以及最大限度減少洩漏的方案。如果沒有數據，這兩個目標就無法實現。”
——史蒂文·漢堡，環境保衛基金會首席科學家
本文原刊於 2014 年 1 月的《大眾科學》雜誌。
