科技英语阅读教程翻译-陈勇

Unit1textA福岛的燕子我们对低剂量辐射对生物体和生态系统的影响知之甚少。福岛核灾难四年后，科学家们开始得到一些答案。ByStevenFeatherstone直到1986年4月26日切洛贝利核电站的一个反应堆发生爆炸，在整个北半球扩散了相当于400枚广岛核弹的辐射尘，对于辐射对植被和野生动物的影响科学家几乎一无所知。这场灾难创造了一个活生生的实验室，特别是在爆炸地点周围1100平方英里的地方，被称为禁区。1994年，德克萨斯理工大学生物学教授罗纳德·切斯尔（RonaldChesser）和罗伯特·贝克（RobertBaker）都是首批获准进入该区域的美国科学家。我们抓到了一群田鼠，它们看起来像杂草一样健康。贝克回忆说：“我们开始对它着迷。当贝克和切斯对田鼠的DNA进行测序时，他们没有发现异常突变率。他们还注意到，狼、猞猁和其他曾经稀有的物种在该区域游荡，仿佛它是一个原子野生动物保护区。切洛贝利论坛由联合国一些机构于2003年成立，发表了一份关于切洛贝利利灾难20周年的报告，证实了这一观点，声称“环境改变对该地区的生物群产生了积极影响”，将其转变为“一个独特的生物多样性保护区”。在Baker和Chesser对该地区进行田鼠研究的五年后，TimothyA.Mousseau前往切洛贝利对鸟类进行了计数，发现了相互矛盾的证据。南卡罗来纳大学生物学教授穆索和他的合作者现任巴黎南部大学生态，系统学与进化实验室的研究主任--AndersPapeMoller，特别的研究了常见的乡村谷仓燕（HirundoRustica）。他们发现该地区的燕子少得多，幸存下来的燕子寿命较短，生育力降低（男性），大脑较小，肿瘤，部分白化病（一种基因突变）和白内障发生率较高。Mousseau和Moller在过去13年发表的60多篇论文中表明，暴露于低水平辐射对该区域的整个生物圈（从微生物到哺乳动物，从虫子到鸟类）都有负面影响。Mousseau和Moller有他们的批评者，包括贝克，贝克在2006年《美国科学家》杂志与Chesser合著的文章中指出，该地区“实际上已成为保护区”，Mousseau和Moller的“令人难以置信的结论仅得到间接证据的支持”。关于电离辐射对健康的影响，我们所知道的所有信息几乎都来自正在进行的原子弹幸存者研究，即“寿命跨度研究”（LSS）。辐射暴露的安全标准基于LSS。然而，LSS仍未解决有关低剂量辐射暴露影响的大问题。大多数科学家都同意，无论辐射量多么小，都没有所谓的“安全”剂量。小剂量是我们最不了解的剂量。LSS并没有告诉我们有关100毫西弗（mSv）以下剂量的信息。例如，引起基因突变需要多少辐射，这些突变是可遗传的吗？辐射诱发的疾病（例如癌症）的机制和遗传生物标志物是什么？2001年3月，福岛第一核电站的三重熔毁创造了另一个活着的实验室，Mousseau和Moller可以在这里研究低剂量的辐射，复制切洛贝利的研究成果，让他们“更加相信我们看到的影响与辐射有关，而不是其他因素，”Mousseau说。福岛的310平方英里的禁区比切洛贝利的禁区小，但在其他方面相同。两个区域都包含短距离的废弃区域。而且，几乎可以肯定的是，与科学家进入苏联控制的切洛贝利相比，他们将更快地进入福岛。简而言之，福岛提供了解决辩论的机会。在福岛的几个月内，Mousseau和Moller在燃烧的核电厂以西的受污染的高山森林中对鸟类进行了盘点，但他们无法进入该区域本身以了解燕子的具体情况。最终，2013年6月，Mousseau成为首批获准完全进入福岛禁区的科学家之一。在生物和同一物种的个体中，对辐射的敏感性差异很大，这是重要的一个原因，不要从蝴蝶推断到燕子，从田鼠推断出人类。Mousseau说，蝴蝶对辐射特别敏感。2012年8月，在线杂志《科学报告》发表了一篇论文，研究了福岛的尘埃对浅蓝色蝴蝶的影响。冲绳县琉球大学的生物学教授JojiOtaki透露，灾难发生两个月后，在福岛附近收集的蝴蝶的翅膀，腿和眼睛都出现了畸形。Mousseau和Moller对切洛贝利和福岛的昆虫的调查显示，蝴蝶的数量下降了。但是Otaki的论文增加了重要的新转折。当他用健康的实验室标本培育出突变的福岛蝴蝶时，遗传异常的发生率随着新生代的增加而增加。Mousseau认为，这种现象，即遗传突变的积累，是一种隐藏的暗流，侵蚀着放射性生态系统的健康，偶尔在带有部分白化病的突变蝴蝶或燕子的后代中暴露出来。甚至贝克也同意Mousseau关于Otaki的结论：“显然，蝴蝶是由辐射引起的。多代接触确实导致基因组改变。”我在机场遇见了Mousseau和他的博士后研究员，意大利人叫AndreaBonisoliAlquati，然后我们开车去了福岛发电厂以北的南相马市的旅馆。我们经过了一个空无一人的城镇，然后又穿过了一个荒芜的城镇，向北蜿蜒走向核电站。Mousseau开车时，他扫描了百叶窗的店面和空荡荡的房子，发现谷仓燕窝。家燕是理想的科学学科，因为它们是成虫的，这意味着这些鸟类在一生中倾向于在相同的位置繁殖。在正常条件下，关于它们的知识已为人们所知，它们与其他温血脊椎动物具有相似的遗传，发育和生理特征。燕子是煤矿中众所周知的金丝雀，除了所讨论的煤矿是放射性的。Mousseau数了大约十二个旧巢“疤痕”，它们在屋檐下抹上了月牙形的污点，但没有一个新巢。“第一年就显示出了这样的负面影响，”他说。“我想今年很难找到它们（谷仓燕子）。”“我简直不敢相信这里没有任何活动迹象的燕窝。我没有看到蝴蝶飞舞。也没有看到蜻蜓。这里真是一个死区。”他说。福岛核泄露事故让人们得以一窥生态系统对放射性污染的早期反应，这种机会少之又少。我们对切洛贝利的几代田鼠和家燕了解知之甚少，更不用说其他动物了。坊间的报道指出，有大量动植物死亡，但没有关于它们恢复的迹象。一些物种进化出了修复被辐射损坏的DNA的能力吗?目前，研究福岛的生态系统对于开发预测模型至关重要，这种模型可以解释如何适应低水平的辐射暴露，以及随着时间的推移，基因损伤的积累。Mousseau对他在事故发生后未能立即进入禁区感到遗憾。”在我们到达酒店后，他说:“我们会有更精确的数据来确定到底有多少燕子消失了。”那些回来的谷仓燕子是具有抵抗能力的基因型，还是他们只是在某种程度上很幸运?”第二天，在Mousseau的许可得到验证后，一队警察向我们的车挥手穿过路障，进入隔离区。Mousseau计划沿着海岸平原工作，清点每只燕子的数量，标出每一个鸟巢的位置，并尽可能多地捕捉鸟儿。”我们得到的每一个数据点都是绝对无价的。他对BonisoliAlquati说在离核电站一英里的地方，BonisoliAlquati看到一只家燕栖息在一所房子附近的电线上。一个用新泥做的巢放在车库里的窗台上。辐射水平最高达到每小时330毫西弗，是正常背景辐射的3000多倍，是该地区Mousseau记录以来最高的水平。BonisoliAlquati说:“10个小时后，你就会得到你每年的辐射量。”他指的是美国人一整年所受到的辐射量。Futaba是一座鬼城，除了以前的居民外，所有人都不得进入，他们每月只能回来几个小时，看看家里和企业的情况。小镇商业中心上方的标牌上写着:“核能:能源的光明未来”。主要街道的辐射水平并不比区外许多受污染地区更严重。通过双筒望远镜，Kitamura看到六只燕子在一个被砸坏的体育用品商店附近盘旋。“把网子和杆子立起来!”他喊道Kitamura和BonisoliAlquati蹲在店外，他们之间松散地绑着一张雾网。燕子在头上飞来飞去，叽叽喳喳地叫个不停。一只接一只，花了两个小时才把六只燕子全部捉到并取样。在释放这些鸟之前，Mousseau给它们安装了微型热发光剂量计(TLDs)来跟踪它们的辐射剂量。在辐射水平高出10倍的Futaba火车站附近，他们又捕获了两只燕子。日本政府最初承诺要在2014年3月之前清理福岛县11个污染最严重的城市。根据国际辐射防护委员会的建议，他们的目标是将年剂量降低到1毫西弗，即普通群众能承受的极限。但到目前为止，大部分清理工作都集中在核电站稳定的受损核反应堆上，而核电站继续向太平洋泄漏辐射。日本当局不再有具体的去污时间表。相反，他们设定了每年1毫西弗的长期目标，现在正鼓励8.3万撤离者中的一些人回到年剂量高达20毫西弗的地方，这相当于委员会对核工作人员的剂量限制。日本执政党最近发布了一份报告，承认许多污染地区短时间都无法居住至少一代人。这一目标的转移强调了我们对低剂量辐射影响的认识与公共政策治理之间的差距——还有其他方面——核清理协议。尽管科学家们还没有确定“安全”辐射剂量，但日本政府需要一个目标剂量来制定去污和安置政策，因此他们依赖国际辐射防护委员会(InternationalCommissiononRadiologicalProtection)等咨询机构和LSS等不完善的研究。Brenner的研究表明，癌症发病率的增加与年剂量低至5毫西弗有关。虽然Mousseau和Moller在植物和动物种群中观察到负面影响，但在这个任意的阈值之下，没有确凿的证据支持或反对低剂量辐射会对人类有健康风险。”一旦你接触到这些剂量，你就必须依靠对机理的最佳理解，”Brenner说，“这是非常有限的，”在Namie市郊的一个居民区，BonisoliAlquati发现了一个谷仓燕子窝，它卡在两幢房子之间的一条狭窄小巷里。这是他经历了令人失望的一天，在Futaba、和Namie附近的荒无人烟的地区巡游之后，看到的第一个活跃的鸟窝，还有几十个空巢和疤痕。在被雨水冲走之前对燕窝进行计数对于建立事故发生前燕窝数量的基线至关重要，但Mousseau还需要从活鸟身上提取样本进行实验室工作。巷子里的鸟窝里有三只小鸟，他在里面找到了第一只，还有三只还没孵出来的蛋。”这是一个重要的巢穴，Mousseau说。BonisoliAlquati坐在汽车的前座。他从塑料容器里舀出一只小鸟，用各种工具量了量。他在小鸟翅膀的绒毛下面吹气，露出一小块皮肤，用针刺破了它。一些血液进入毛细管;有些被玻璃幻灯片弄脏了。然后他把小鸟塞进帆布袋里，把它放进“烤箱”里。“烤箱”是用管道捆起来的一堆铅砖磁带。砖块形成了一个屏蔽室，使Mousseau能够在不受背景辐射干扰的情况下测量单个鸟类的全身重量。他说:“我们的目标是能够观察每只鸟一年到第二年的情况，确定它们存活的可能性是否与它们接受的剂量有关。”“如果我们真的想了解遗传变异和辐射敏感性的机制，以及它们如何影响个体，那么有必要进行更精细的剂量测量。”但是这个地方的辐射水平太高，无法精确测量。Mousseau把车开到街上，重新设置了伽马能谱仪。几分钟后，它显示出铯137污染的明显信号，铯137是福岛放射性尘埃中的主要同位素。那是一只一周大，带有放射性的小鸟。燕子在日本是好运的预兆。许多人把小木平台钉在房子的门上以吸引鸟儿。在这个区域，平台和房屋一样，都是空的。隔海区关闭后的每一天，Mousseau和BonisoliAlquati都工作到深夜，在福岛北部洁净地区捕捉谷仓里的燕子，建立一个对照组。清洁是一个相对的术语。Minamisoma的背景辐射在灾难中被疏散，目前仍是正常水平的两倍。尽管如此，在我们在这个区域呆了一整天之后，Minamisoma整洁的社区，与Namie,Futaba和Okuma的社区一模一样，感觉就像一个平行的宇宙。看到谷仓里满是胖胖的、偷窥的小鸟，真奇怪。在Mousseau在日本的最后一天，他在Kashima一条多沙的小街发现了一个活跃的谷仓燕窝。它被贴在一个空房子门廊里的灯具上。Mousseau从邻居那里得到了捕鸟的许可。他是当地河流协会的一名成员，他说他很高兴有人在调查放射性污染，因为政府没有。“政府总是保密的，”他抱怨放射性尘埃被冲进河里。他说，在那里捕捞的锦鲤每公斤铯的含量为24万贝克勒尔（放射性活度单位）。人们不吃这些鱼，这是幸运的，因为在日本，鱼类的辐射上限是每公斤100贝克勒尔。我们当中40%的人有一天会被诊断出某种形式的癌症。如果在这个发人深省的统计数据的噪声中隐藏着一个信号，这个信号可能指向低剂量辐射诱发的癌症，流行病学家听不到它的微弱。关于低剂量辐射的重大问题最终将由研究“辐射诱导的染色体损伤，或辐射诱导的基因表达，或基因组不稳定性”的研究人员来回答，Brenner说。这是Mousseau和Moller在家燕身上开始研究的方向。“不幸的是，肿瘤不能告诉我们它们是由辐射还是其他原因引起的，”Mousseau说。如果他有足够的资金，Mousseau就会对每只在野外安装TLD的燕子进行DNA测序。通过将结果与单个剂量估计值进行比较，他可能能够找到辐射诱发疾病的遗传生物标志物。去年11月，在我陪同他前往福岛18个月后，Mousseau第12次前往福岛。Mousseau和Moller发表了三篇论文展示福岛的鸟类数量急剧下降。Mousseau说，他们准备在《鸟类学杂志》(JournalofOrnithology)上发表的最新人口普查数据为鸟类数量持续下降提供了“相当惊人”的证据，“没有证据表明门槛效应”。但出于某种原因，福岛的核辐射造成鸟类死亡的速度似乎是切洛贝利的两倍。Mousseau说:“也许福岛当地居民缺乏抵抗力，或者辐射敏感性增加。“也许切洛贝利的鸟类在一定程度上进化出了抗药性，或者在过去26年里，那些易受感染的鸟类已经被淘汰了。”我们不知道答案，但我们希望能找到答案。答案可能会在穆萨和博尼BonisoliAlquati在旅行中收集的谷仓燕子的血液中找到。对这些样本的初步分析并没有发现任何证据表明基因损伤显著增加，尽管现在下结论还为时过早。慕斯需要更多来自最受污染地区的家燕样本，这些地区的家燕数量正在锐减。尽管Mousseau和Moller最初的发现负担得起一个令人信服的陷入困境的生态系统在福岛,2014年的报告由联合国科学委员会原子辐射的影响(联合国核辐射效应科学委员会)回声的切洛贝利灾难评估早些时候,宣称辐射影响“非人生物群”在高度污染的地区是“不清楚”和“微不足道”,更少的污染。我们做的是基础科学，不是毒理学，但辐射科委没有费心询问我们的工作，也没有费心找人解释我们的发现，”Mousseau说。“他们为人类健康设定了标准，却忽略了大量潜在的相关信息。”他说，被忽视的证据是大量的。“根据我在切洛诺贝利和现在的福岛的多年经验，我们几乎已经发现了突变率上升的影响信号。我们研究过的每一个物种和每一个生态处理网络，”Mousseau说。“这一切都在那里，只是等待观察、描述和发表。”贝克没有在福岛进行研究的计划，但他最近从切尔诺贝利的另一种田鼠中提取了DNA序列。新的数据似乎支持Mousseau和Otaki的结论，即突变率升高与辐射暴露有关。多代接触的后果还不清楚，它是否会降低动物的健康或繁殖能力，或在后代中导致出生缺陷或癌症。Unit1textB激光融合，有所不同欧洲的激光百万焦耳项目开辟了自己的核心火之路-ByDanielClery对于熟悉激光聚变研究的任何人来说，去年年底在法国大西洋沿岸完成的耗资30亿欧元的研究设施LaserMégajoule（LMJ）的造访，立即引发了人们的关注。这个网站对世界领先的实验室-加利福尼亚的国家点火装置（NIF）来说是致命的一击。LMJ具有相同的体育场大小的建筑物，相同的发亮的白色金属框架，相同的方形束管和10米宽的反应室。咖啡比NIF的咖啡更浓郁，安全性不那么突出，访问者的区域更大且信息量更大。但是，总的来说，走进LMJ的大门就像步入一个平行的世界一样，劳恩斯·利弗-莫里尔国家实验室（运行NIF的美国核武器实验室）已经受到法国的控制。相似之处并非巧合。这两个站点的设计目的都是相同的-在单个目标上训练数十个强大的激光束，使其瞬间受到极端的温度和压力极端影响。这两个实验室进行了广泛的合作，每个实验室的主要任务是军事：以微型复制核爆炸，以便武器科学家可以确保炸弹在需要时可以引爆而无需测试。法国核设施与美国核设施一样，也将在惯性聚变能（IFE）研究中处于副业地位：用激光脉冲将氢同位素的胶囊压碎，使同位素融合成氦，释放出大量的能量，有可能在一天之内利用在发电厂。但是，与NIF的最初方法大相径庭的是，LMJ将绝密武器研究放在首位。NIF在2009年完成后，利弗莫尔大学的研究人员立即着手进行碰撞程序以实现点火-产生自我维持的聚变反应，产生的能量与触发时一样多。他们未能实现这一目标，因此改变了自己的方法。法国的替代能源和原子能委员会（CEA）LMJ也希望实现点火，因为它是武器研究和能源的关键。LMJ项目负责人PierreVivini说：“点火的目标驱动了机器的设计。”但是，由激光聚变产生的功率将留给外部学术研究人员使用，并且他们将在接下来的2年内不会动手使用该机器。当它们这样做时，某些关键的设计差异可能会给LMJ比NIF更好的触发点火的机会。这两个设施的核心近在咫尺。就像在NIF一样，LMJ研究人员使用光纤激光器产生持续数十亿分之一秒的红外光脉冲，而能量只有数十亿焦耳。然后，该弱脉冲进入前置放大器，即掺钕玻璃板，在脉冲通过之前，氙气闪光灯就将其充满能量。他们将能量倾泻到光束中，使其升至约焦耳，然后将光分成许多平行光束并发送至主放大器（相同的钕玻璃和闪光灯，只有更大的）。LMJ有22条主放大器链，分布在建筑物周围的四个宽敞大厅中，每个放大器一次可容纳8条平行光束。在激光射击过程中，八束光通过放大器来回反射四次，以使其能量乘以20,000。精心制作的镜子阵列将176束光束导向球形反应室的所有侧面；然后，最后一组光学器件会将光束从红外光转换为紫外线（UV），并将其聚焦到腔室中心的尖锐点。重新组合所有光束，将1.5兆焦耳的能量传递到位于腔室中心的目标中，这与2吨卡车以每小时140公里的速度行驶时的动能大致相同。NIF的激光发射功率为1.8兆焦耳。由于资金限制，目前只有一个主放大器链在线。CEA核武器主任FrançoisGeleznikoff说：“这足以开始进行核武器研究：“有了八束光束，我们就可以完成出色的物理学。我们不需要所有的横梁来研究武器。”该设施每年将至少再增加两条链条（16根横梁），直到在未来10年的某个时候达到满负荷生产为止。早在此之前，来自欧洲各地的IFE学术研究人员就被承诺至少要使用机器20％的时间。“每年用50张照片，我们真的可以开发出一个严肃的程序，”法国波尔多大学的等离子体物理学家DimitriBatani说。他们的游戏计划包括与NIF策略的一些重大偏离。例如，他们赢得了在LMJ上安装单独激光器的资金，该激光器提供了比NIF所能匹配的任何脉冲更短，更强大的脉冲。PETawatt阿基坦激光器（PETAL）会产生相对较小的3.5焦耳能量的脉冲，但该能量将被挤塞到万亿分之一秒，产生的功率超过一千亿瓦特，是LMJ脉冲的一百倍。PETAL的脉搏不会分散并从各个方向传递；它们将来自单一方向，并与主激光器发出的脉冲重合。在实验中，它们可能会突然提供强大的动力，或者像频闪灯一样用于对发生的事情进行快照。结合PETAL和LMJ进行的实验将模拟恒星和其他天体物体内部的条件。研究人员还将利用强大的激光震荡来加速质子，这种方法可以产生紧凑的加速器来治疗癌症。但是令激光聚变研究人员兴奋的是，PETAL发出的短而锋利的爆炸可能会成为聚变反应的火花塞。希望以这种方式使用PETAL将使IFE研究人员避免某些阻碍NIF的陷阱。任何IFE方案的关键要素都是燃料舱，它是一个塑料球，大小类似于胡椒粉，其中包含冷冻的氘和tri氢的同位素是聚变燃料。放置在反应室中央的胶囊塑料会受到激光脉冲的强烈加热而蒸发，从而导致内爆，从而将燃料压碎成铅密度的100倍并将其加热到1亿K。足以使融合点火。 在NIF和LMJ的武器研究实验中，研究人员通过将胶囊封装在金属罐中间接触发内爆，金属罐由激光加热，然后用X射线轰击胶囊。这种方法具有一些优势-可以消除激光束中的瑕疵，并且在驱动内爆时X射线比UV光要好-但它会使目标复杂且昂贵，而不是您想要的能量生成。NIF研究人员一直在努力使这种方法起作用：在将光转换为X射线的过程中，能量损失了，内爆无法顺利进行。武器实验室外的IFE研究人员希望以不同的方式做事。通过摆脱罐头并将光束直接对准胶囊，它们可以避免将紫外线转换为X射线的复杂性和能量损失。为了获得平滑，对称的内爆，许多人主张更慢地驱动它。但是，压缩后的燃料不会变得足够热，无法自行开始反应。它需要额外的火花才能启动。一种可能的解决方案是使用短而高功率的激光脉冲作为火花，这是PETAL可以产生的那种脉冲，这种火花在日本大阪大学首创，并且是日本首创的。过去十年，欧洲IFE研究人员提议建造一个基于快速点火的示范性IFE反应堆，称为HiPER。当NIF未能实现点火时，该计划失去了一些动力，但其支持者希望LMJ-PETAL能够为其提供新的动力。最近在低功率机器上进行的实验表明，PETAL可能没有装足够的冲头来触发快速点火。但是在纽约罗切斯特大学开创的另一种替代方法可能会节省一天的时间。与其他技术一样，该技术被称为冲击点火，通过来自主激光器的激光脉冲压缩燃料囊。但是在脉冲结束时，激光会增加突然的功率峰值，以产生会聚在燃料中心的冲击波。当冲击达到中心时，突然的压力上升会引发反应。“在欧米茄（罗切斯特激光器）和其他地方的实验令人鼓舞，在这一阶段，激光器（用于冲击点火）的要求看起来比快速点火要好得多，”中央激光设施的融合研究人员克里斯·爱德华兹说。英国卢瑟福·阿普尔顿实验室和HiPER的负责人之一。为了寻求与LMJ-PETAL的聚变能，研究人员也面临着社会学和政治上的挑战。欧洲的IFE社区很小，并不习惯使用如此庞大的机器或武器实验室的安全级别。巴塔尼说：“光是LMJ就象沙漠中的大教堂。”“研究人员对此很感兴趣，但对此表示怀疑。巴塔尼说：“CEA还需要克服其不愿与学术研究人员共享仿真代码的担心，因为它担心会帮助流氓国家开发热核武器，因此，CEA还需要克服它的不愿。巴塔尼说：“我们需要可靠的仿真，但是而且欧洲传统上一直专注于另一种方法，即磁约束聚变，它在不远的地方拥有自己的大教堂：数十亿欧元的ITER，正在法国卡达拉奇建造。巴塔尼说：“如果对LMJ实施震撼点火，政客们可能会变得更加积极。”而欧洲-总是在核聚变能源的这一领域也处于竞争地位-可能只会获得一些夸耀的权利。Unit2textA情感型机器人“对不起，我没听见。”这可能是商业机器的第一次感同身受。20世纪90年代末，波士顿SpeechWorks国际公司开始向公司提供客户服务软件，这些软件被编程用于使用这一短语和其他语言。几乎每个打电话给客户服务的人都会和机器人交谈。数以亿计的人口袋里装着一个聪明的私人助理。

但是机器并不总是响应我们希望他们的方式。语音识别软件出错。机器常常无法理解意图。他们没有感情和幽默，讥讽和冷嘲。如果在我们未来为了花更多的时间与机器互动-无论它们是智能吸尘器还是机器人类人护士-我们需要他们做的不仅仅是理解我们说的话：我们需要他们来帮助我们。换句话说，我们需要他们“理解”和分享人类的情感-拥有同情心。

在我的实验室里，香港科技大学正在开发这样的机器。有感情的机器人对社会有很好的帮助，而不仅仅是的助手-他们会成为同伴的。他们将是友好和温暖的，预料我们的身体和精神需求。他们将从与人类的交流中学习。他们会让我们的生活变得更好，工作更有效率。他们会为自己的错误道歉，并在开始之前请求许可。他们会照顾老人，教我们的孩子。他们甚至会在关键的情况下拯救你的生活，同时在过程中牺牲自己-这是一种终极的同情行为。一些模仿情感的机器人已经上市，其中包括法国公司Aldebaran

Robotics为日本软银移动(Softbank

Mobile)生产的小型仿人机器人Pepper，以及由Speechworks前对话技术总监罗伯托·皮拉奇尼(Roberto

Pieraccini)在内的一群工程师设计的六磅台式机个人助理机器人Jibo。感情机器人领域仍然处于蒸汽机时代，但是那些将大大改善这些机器的工具和算法正在出现。移情模块六年前，当我的研究小组设计了第一个相当于Siri的中文版本时，我对构建移情机器人产生了兴趣。我发现很有趣的是，用户是如何自然地对个人助理系统产生情感反应的，以及当他们的机器无法理解他们试图交流的内容时，他们变得多么沮丧。我意识到制造能够理解人类情感的机器的关键是语音识别算法，就像我25年来职业发展的那些算法一样。

任何智能机器都是这样，在它的核心，一个由模块组成的软件系统，每一部分都担任着各自的任务。一个智能机器人的模块一个可以用于处理人类语音的模块，一个用于识别摄像机捕获的图像中的物体，等等。移情机器人有一颗心，而这颗心是一种叫做移情模块的软件。移情模块分析面部线索、语音中的声学标记以及语音本身的内容，以读取人类的情感，并告诉机器人如何做出反应。当两个人进行交流时，他们会自动使用各种线索来理解对方的情绪状态-他们解释面部手势和肢体语言；他们感知声音的变化；他们理解说话的内容。建立一个移情模块是一个问题，就是识别人类交流的那些特征，机器可以用来识别情感，然后训练算法来识别它们。

当我的研究小组开始训练机器来检测语言中的情感时，我们决定教机器除了识别单词本身的意义之外，还能识别语音的基本声学特征，因为这就是人类所做的事情。我们的大脑通过注意声音信号来检测人的声音中的情绪，这些声音暗示着压力、快乐、恐惧、愤怒、厌恶等等。当我们高兴的时候，我们会说得更快，我们的声音也会提高。当我们感到压力时，我们的声音变得平淡而“枯燥”。利用信号处理技术，计算机可以检测到这些信号，就像测谎仪能测量血压、脉搏和皮肤电导率一样。为了检测压力，我们使用监督学习来训练机器学习算法来识别与压力相关的声波信号。

一个简短的人类语音记录可能只包含几个单词，但我们可以从声音的音调中提取出大量的信号处理数据。我们从教学机器开始，在我所在学校的学生的语音样本中识别负压(苦恼)。我们用英语、普通话和广东话建立了有史以来第一个多语种的自然压力情绪语料库，向学生提出了12个压力越来越大的问题。当我们收集了大约10个小时的数据时，我们的算法能够准确地识别70%的时间压力-与人类听众非常相似。当我们在做这项工作的时候，我组内的另一个团队是训练机器，通过单独分析声波特征来识别音乐中的情绪（即没有注意歌词）。该团队的主演是以主要的欧洲和亚洲语言收集来自所有流派的5000件音乐。这些作品中，有几百名已经被音乐学家分类为14种情绪卡。

我们从每个歌曲声学参数中提取了大约1000个基本信号属性，如能量、基频、谐波等，然后使用标记音乐来训练14个不同的软件“分类器”，每个软件负责确定一首音乐是否属于特定的情绪。例如，一个分类器只听快乐的音乐，另一个分类器只听忧郁的音乐。这14个分类器一起工作，建立在彼此的猜测之上。如果一个“快乐”分类器错误地发现一首忧郁的歌曲是快乐的，那么在下一轮的重新学习中，这个分类器将被重新训练。在每一轮，最弱的分类器被重新训练，整个系统被提升。以这种方式，机器听许多音乐，并学习哪一个属于哪种情绪。随着时间的推移，它能够通过只听音频来分辨任何音乐的情绪，就像我们大多数人所做的那样。理解意图要理解幽默、讽刺、反讽和其他高层次的沟通属性，机器需要做的不仅仅是从声学特征中识别情感，还需要理解言语的基本含义，并将其内容与传递的情感进行比较。

自20世纪80年代以来，研究人员一直在利用人类收集的数据开发出先进的语音识别技术，而今天的技术已经相当成熟。但是，在转录和理解语言之间有着巨大的区别。

想想当一个人和另一个人说话时所发生的一系列认知、神经和肌肉事件：一个人制定她的想法，选择她的话，然后听者破译信息。人和机器之间的语音链是这样的：语音波被转换成数字形式，然后是内部参数。语音识别软件将这些参数转化为单词，而语义解码器则将单词转换成意义。

当我们开始研究移情机器人时，我们意识到类似于从在线评论中提取用户情感的算法可以帮助我们分析语音中的情感。这些机器学习算法在内容中寻找线索。像“悲伤”和“恐惧”这样的关键词意味着孤独。反复使用表露性口语词可以揭示一首歌是精力充沛的。我们还分析了有关说话风格的信息。一个人的答案是肯定的、清晰的还是犹豫不决的，停顿和模糊的词是详尽而详细的，还是简短而简短的回答？

在我们对音乐中情绪识别的研究中，我们训练了算法来挖掘情感线索的歌词。我们没有提取每一首音乐的音频签名，而是从歌曲的歌词中提取单词串，并将它们提供给各个分类器，每个分类器负责确定这串单词是否传达了14种情绪中的任何一种。这样的字串叫做“n-克”。除了字串外，我们还使用这些词的泛词性标记作为歌词“签名”的一部分，用于情绪分类。计算机可以使用n格和部分语音标记来形成任何语言中语法规则的统计近似；这些规则有助于像Siri这样的程序识别语音，并且像Google这样的软件将文本转换成另一种语言。

一旦机器能够理解语音的内容，它就可以将该内容与传递的方式进行比较。如果一个人叹气说，"我很高兴能在周末工作，"算法可以检测情感线索与语句内容之间的不匹配，并计算说话人在挖苦的概率。类似地，能够理解情感和语音内容的机器可以将该信息与其它输入配对以检测更复杂的意图。如果有人说，"我饿了，"机器人可以根据其位置、时间和用户的历史偏好以及其他参数来确定最佳响应。如果机器人及其用户在家并且几乎午餐时间，机器人可能会知道响应："你要我给你做三明治吗"如果机器人及其用户正在途中，机器可能会响应："你想让我去找餐馆吗？"超级机器人-Zara在这一年的开始，我的实验室里的学生和博士后研究人员开始把我们的各种语音识别和情感识别模块拉在一起，成为我们称之为Zara超级女孩的原型。它花费了数百小时的数据来训练Zara，但是今天的程序在一台台式计算机上运行。

当你开始和Zara交谈时，她说，“请等我分析你的脸”；Zara的算法研究由电脑的摄像头捕捉到的图像，确定你的性别和种族。然后她会猜出你说的是哪种语言，然后用你的母语问你几个问题。你最早的记忆是什么？跟我说说你妈妈。你的假期过得怎么样？告诉我一个女人，一只狗和一棵树的故事。通过这个过程，基于你的面部表情，你声音的声学特征和你反应的内容，Zara将以模仿移情的方式回答。在交谈五分钟后，Zara会试着猜测你的性格，并询问你对移情机器的态度。这是我们收集人们对他们互动的反馈的一种方式，这是早期移情机器人的一种方式。

Zara是一个原型，但因为她是基于机器学习的算法，她会变得“更聪明”和更有同情心，因为她与更多的人互动，收集更多的数据。现在说友好机器人时代已经到来还为时过早。我们才刚刚开始开发情感智能机器人所需要的最基本的工具。当Zara的后代开始上市时，我们不应该期望他们是完美的。事实上，我已经开始相信，专注于使机器完美准确和高效是没有意义的。重要的是我们的机器变得更人性化，即使它们有缺陷。毕竟，这就是人类的工作方式。如果我们做得对，移情机器就不会像某些人所害怕的那样成为机器人的霸主。他们将是我们的照顾者，我们的老师和我们的朋友。Unit2textB启动纳米机器人纳米医学研究人员所设想的长期未来包括不可思议的微小治疗剂，它们能自行巧妙地导航到身体任何位置的特定目标——并且这也是它唯一的目标。这些自导式机器到达后，可能会以多种方式发挥作用——从输送药用有效载荷到实时提供有关其疾病治疗进度情况的最新信息。然后，在完成任务后，他们将安全地进行生物降解，几乎不留痕迹。这些所谓的纳米机器人将由生物相容性材料、磁性金属甚至DNA细丝制成：所有材料都经过精心挑选，因为它们在原子尺度上具有有用的性质，并且能够在不受干扰的情况下滑过人体的防御系统，不会引发任何细胞损伤。尽管这一愿景可能需要一两年的时间才能实现，但医学研究人员已经开始着手解决一些技术问题。最大的挑战之一是确保纳米设备能够达到人体内指定的目标波动力如今市场上的大多数药物要么直接注射到血液中，要么从胃肠道吸收到血液中，这使得药物容易在血液中漂浮。但它们最终会到达需要它们的地方，也会导致不必要的并发症。相比之下，复杂的纳米药物被设计成可以引导到肿瘤或其他问题部位，药物载荷可以在这些部位被释放，从而降低副作用的几率。纳米工程学系主任，加利福尼亚大学圣地亚哥分校的杰出教授约瑟夫·王说，磁场和超声波是近期指导纳米医学的主要候选对象。在磁性方法中，研究人员将氧化铁或镍的纳米粒子嵌入特定药物中。然后，他们使用一组位于鼠标或其他对象外部的永磁体，通过操纵各种磁场将金属药物推入或拉出人体，使其到达选定的位置。在超声波方法中，研究人员将声波指向含有药物的纳米气泡，使它们以足够大的力破裂，使气泡中的药物可以穿透目标组织或肿瘤的深处。去年，英国基尔大学(KeeleUniversity)和诺丁汉大学(UniversityofNottingham)的医学研究人员在治疗骨折的工作中，为他们的磁性疗法增加了一个有益的转折。他们将氧化铁纳米颗粒附着到单个干细胞上，然后将该制剂注射到两种不同的实验环境中：胎儿鸡股骨和由组织工程化的胶原蛋白水凝胶制成的合成骨支架。一旦干细胞到达断裂处，研究人员就使用振荡的外部磁场迅速转移纳米颗粒上的机械应力，从而将力传递给干细胞。这种生物力学应力帮助干细胞更有效地分化为骨骼。两种情况下都出现了新的骨骼生长，尽管总体愈合不平衡。基尔科学技术学院医学博士后研究员詹姆斯·亨斯托克说，研究人员最终希望，在富含铁氧化物的干细胞中加入各种生长因子将使修复过程更加顺利。自主纳米医学磁性和声学方法的主要缺点是需要外部引导（这很麻烦），而且磁场和超声波只能穿透体内这么远的事实。开发用于运送治疗性货物的自动“微型电动机”可以解决这些问题。这样的微型电动机将依靠化学反应来推进，但是毒性是一个问题。例如，氧化葡萄糖（一种存在于血液中的糖分子）会生成过氧化氢，可用作燃料。但是研究人员已经知道，这种特定方法从长远来看是行不通的。过氧化氢腐蚀生物组织，体内葡萄糖不能产生足够的过氧化氢来为微型电机提供足够的动力。更有希望的工作是尝试使用其他天然存在的物质，例如胃酸（用于胃部）或水（在血液和组织中含量丰富）作为动力源。但是，这些自走式设备的准确导航可能会更大。仅仅因为纳米粒子可以移动到任何地方并不意味着它们一定会精确地移动到研究人员希望它们移动的地方。自主转向还不是一种选择，但是一种变通办法是确保仅当纳米药物发现自己处于正确的环境中时才起作用。为了达到这个目的，研究人员已经开始使用合成形式的DNA制造纳米机器。通过对分子的亚基进行排序，使其静电荷迫使其折叠成特定的构型，科学家可以对构建体进行工程改造，以执行各种任务。芝加哥大学化学教授YamunaKrishnan说，例如，某些DNA片段可能折叠成容器，只有当包装中遇到对疾病过程重要的蛋白质或遇到肿瘤内部的酸性条件时，这些容器才能打开并释放其内容物。克里希南（Krishnan）和她的同事们设想了由DNA制成的更先进的模块化实体，可以对它们进行编程以完成不同的任务，例如成像或组装其他纳米机器人。然而，合成DNA的价格昂贵，是传统上用于传递药物的材料的100倍以上。克里希南说，目前这种价格阻碍了制药公司将其作为治疗药物的投资。这一切与在1966年的电影《奇幻之旅》中建造让人联想起Proteus的智能潜艇舰队相去甚远。尽管如此，纳米机器人终于朝着这个方向发展。Unit4textA与地球同龄的古老岩石科学家发现了一些古老的岩石，这些岩石或许可以让我们一窥地球的初期阶段和生命涎生之初的景象。努夫亚吉图克绿岩带完全不像-片战场。它位于加拿大哈德逊湾的东北边缘，与最近的人类定居点伊努朱瓦克相距30公里。从海岸线上看，开阔的地面延伸到低矮的山丘上，有些被地衣覆盖，有些被冰河时期的冰川刮得光秃秃的。裸露的岩石伸展和折叠的复杂性是美丽的。有些是灰色和黑色的，布满了浅色的血管。还有一些是粉红色的，点缀着石榴石。在一年的大部分时间里，这里只有驯鹿和蚊子。但是这个宁静的地方确实是一个战场——一个科学的战场。近十年来，相互竞争的地质学家团队一直前往伊努楚克，在那里，他们用独木舟装载露营装备和实验室设备，沿着海岸或海湾跋涉到贝尔提提尔。他们的目标是:证明岩石的年龄。一个由科罗拉多大学地质学家StephenJ.Mojzsis领导的研究小组确定年龄为38亿年。这是相当古老的，虽然没有创造记录。乔纳森·奥尼尔，渥太华大学的另一个团队的负责人，认为努夫亚吉图克岩石形成于44亿年前。这将使它们成为迄今为止地球上发现的最古老的岩石。这还不是最不重要的。如此古老的岩石将告诉我们，地球表面是如何在其狂暴的婴儿期形成的，以及生命是如何在多长时间之后出现的——这是地球历史上的一个关键章节，至今仍遥不可及。从45.68亿年前形成到40亿年前，地球历史上的第一个5亿年是水倾泻而下而形成海洋的时期，是陆地浮出海面形成大陆的时期。那是一个彗星和小行星撞击地球的时代，一个火星大小的失败行星可能与我们地球相撞，从抛出的残骸中形成了月球。但地质学家对这些事件发生的时间先后没有多少线索，比如一些可以表明海洋可能形成于月球之前的矿物斑点。他们发现自己的处境和古希腊哲学家的传记作者差不多，试图从羊皮纸的碎片和二手故事中挖掘尽可能多的意义。如果奥尼尔是对的，努夫亚吉图克的岩石确实有44亿年的历史，那么它们读起来就不会像碎片，而是像整本书。成千上万英亩的矿物正等待着被研究，也许这是长期以来未解之谜的答案。是板块构造很早就开始了呢，还是地球在大陆和海洋地壳开始移动前几亿年就成熟了呢?最年轻的海洋和大气的化学成分是什么?地球形成后多久出现了生命?如果Mojzsis是对的，地球历史上最早的篇章将仍然不得而知。如果奥尼尔是对的，那就是努夫亚吉图克的岩石是地质学最珍贵的宝藏之一.被封印的时光就像构成地壳大部分的岩石一样，努夫亚吉图克的岩石通常以两种方式出现。在某些情况下，细颗粒沉降到海底，在那里它们被逐渐压入沉积岩层。在其他情况下，熔融的岩浆从地幔上升，冷却并结晶成火成岩。地球上的古老地壳，像努夫亚吉图克这样原封不动保存下来的地方屈指可数，而其余的都消失了。一些岩石被雨和风慢慢地侵蚀，然后又被冲回海洋进行新的沉积。许多其他的岩石被地壳构造板块带到了地壳之下，沉入了灼热的地幔，岩石在那里融化，它们原来的身份就像扔进温暖池塘的冰块一样消失了。它们的原子混合在岩浆中，又以新鲜的、年轻的石头的形式出现。早期地球上的岩石也被巨大的小行星摧毁，这些小行星撞击地球并融化了大部分地壳。大约44亿年前的一次碰撞，被称为“大撞击”的灾难将大量的物质抛入轨道，形成了月球。卡耐基科学研究所的理查德·w·卡尔森说:“这次巨大的撞击可能把地球弄得一团糟。你不会想待在这里的，你可能宁愿想从金星上目睹这一切。”考虑到太多的古代岩石以这样或那样的方式被破坏，样本稀少也就不足为奇了。这就是为什么努夫亚吉图克备受珍视和热议的原因。此前，世界上只有少数几个地方检测出了38亿年前的样本。最古老的是来自冻土带的西北地区，可以追溯到39.2亿年以前。早期岩石的稀少促使地质学家寻找其他线索，以了解这颗行星在最初几亿年间是什么样子。其中一些线索来自被称为锆石的微小晶体。这些坚固的锆石矿物有时会在冷却的岩浆中形成。当由此产生的岩石后来被侵蚀时，有些锆石可能仍然完好无损，即使它们重新定居在海洋上，并被并入较年轻的沉积岩中。构成锆石的化学键可以捕获放射性交流比如铀。这些原子的衰变就像一个时钟，地质学家可以用它来测量锆石的年龄。这些晶体还会困住其他化学物质，这就为了解地球形成时的情况提供了一些线索。“锆石是伟大的，因为它们是时间胶囊，”Mojzsis说。在澳大利亚内陆，地质学家们发现了沉积岩，上面散布着大量的古老锆石。有些锆石(但不包括周围的岩石)可以追溯到44亿年前，这使它们成为迄今为止发现的最古老的地质历史遗迹。自2001年被发现以来，科学家们已经从这些微小的宝石中获得了大量的信息。它们的结构表明，它们最初形成的岩石在地表以下约4英里处凝固。Mojzsis和他的同事也在一些澳大利亚锆石中发现了水的化学指纹。科学家们从沉积锆石中提取的信息比没有要好得多，但比他们从锆石生长的原始岩石中获得的信息要少得多。岩石含有许多其他的矿物，这些矿物结合在一起可以揭示更多关于地球形成时的情况。阿尔伯塔大学的LarryHeaman说，除非你有这些岩石，否则你就没有完整的故事。这让我们回到了努夫亚吉图克。纯运气20世纪90年代末，魁北克政府发起了大规模的地质考察，绘制了该省北部地区的第一张详细地图。该地区的地质结构类似于洋葱，古老的大陆地壳核心被年轻的岩石层所包围。大部分的岩石被证明是28亿年前的。但是皮埃尔·纳多，当时是西蒙·弗雷泽的博士研究生英属哥伦比亚大学，带回了一个可以追溯到38亿年前的样本。纯粹是运气好，他被送到了努夫亚吉图克绿石带。“发现这些岩石就像拥有一颗宝石。”其他地质学家开始长途跋涉前往努瓦瓦吉图克。在这些朝圣者中有奥尼尔，他在麦吉尔大学获得博士学位。他被格陵兰岛38亿年前的努夫亚吉图克岩石的化学相似性所震撼。也许他们属于同一块古老的大陆。为了探究其中的化学成分，奥尼尔与卡内基研究所的卡尔森进行了合作。卡尔森是精确测量古代岩石的专家。要想确定努夫亚吉图克的石头是否古老，唯一明确的方法就是确定它的年代。为了做到这一点，科学家们计算了被困在石头里的放射性同位素的水平。放射性同位素是原子的变体，它们是太阳系形成的尘埃云团的一部分。它们变成了固化的行星和陨石，当地球上的岩石结晶时，它们被囚禁在里面。随着时间的推移，同位素逐渐以有规律的、时钟般的速度分解。测量今天剩余的水平揭示了岩石的年龄。在卡内基研究所的实验室里，奥尼尔和卡尔森计算了不同同位素的浓度。就在那时，他们意识到努夫亚吉图克样品有些奇怪。在同位素中有一种叫做钕142。它是由钐146的分解形成的。地球上没有天然的钐146，因为它的半衰期很短，据估计只有6800万年。“它已经消失很久了，”卡尔森说。Sa-marium146在地球形成时就存在了，因为它是由启动太阳系的超新星注入的。但后来它随着我的消失而消失了。卡尔森和他的同事们发现了不同的努夫亚吉图克岩石含有不同比例的钕142和其他钕同位素。只有当这些岩石是在钐146时期形成的地球。奥内尔、卡尔森和他们的同事们比较了这些岩石的比例，以估计这些岩石形成的时间。这个数字是他们谁也没有预料到的:42.8亿年。令他们吃惊的是，他们发现了地球上最古老的岩石。“这完全不是我们期望的结果，”奥尼尔说。他和他的同事在2008年报告了他们的发现。从那时起，他们分析了其他样本，目前，估计努夫亚吉图克岩石有44亿年的历史。最古老的岩石？O’Neil和他的同事首次宣布在温哥华地理发布会上他们的结果，Mojzsis还记得那次震惊听到这个消息，他感到:“我大吃一惊。我环顾四周，人们都是惊呆了。我想，‘这太奇怪了。’”Mojzsis有理由感到惊讶。他是少数几个前往努夫亚吉图克跟进纳多研究的地质学家之一。Mojzsis和他的同事们发现了一个火成岩脉，它在地壳形成后穿过了地壳。结果里面含有锆石。在回科罗拉多，Mojzsis和他的同事们确定了锆石的年龄是37.5亿年——这个结果与之前的一致纳多最初的估计是38亿年。现在，奥尼尔站在Mojzsis和科学界的其他人面前，宣布努夫亚吉图克的岩石比他们检测的早了5亿年。Mojzsis的合作者BernardBourdon来自法国高等师范学院法国里昂的高等院校索要了一些奥尼尔的样品，并再次进行了测试。钕的测量是正确的。然而，“这对我来说没有意义，”Mojzsis说。所以，在2011年，Mojzsis和他的学生回到努夫亚吉图克进一步研究这个网站。他们绘制了O'Neil年代测定样本周围的地形和岩层。据报道，在44亿年前的岩石中，他们看到了明亮的绿色石英岩带。Mojzsis认为，这提供了一种测试方法努夫亚吉图克岩石是地球上最古老的岩石。地质学家在更年轻的岩层中也发现了类似的安排。它们发生在海底火山将熔融的岩石散布到海底的时候。有时火山熄灭，陆地上的沉积物沉积在火成岩的顶部。然后火山再次喷发，将沉积岩掩埋在一层新的火成岩中。如果努夫亚吉图克的情况是这样的话，那么石英岩就是在一次火山间歇期间从一个古老大陆的沉积物中形成的。如果那个石英岩有锆石，那些锆石肯定比周围的火山岩更古老，因为它们的历史要长得多。Mojzsis说:“我们趴在地上爬过许多露头。”经过几天的搜寻，他们发现了两块含有锆石的石英岩，其中一块含有数千种微小的矿物质。当他们把这些锆石带回科罗拉多州时，Mojzsis发现它们有38亿年的历史。这正是他们在过去的岩石中所没有预料到的44亿年前。Mojzsis的团队还从其他科学的角度研究了努夫亚吉图克的年龄问题。例如，他们使用另一个时钟来确定岩石的年代，这是基于镥衰变为铪的基础上得出的。再一次，他们得出了38亿年。所有这些证据使Mojzsis关于努夫亚吉图克有了一个新的说法大约在44亿年前，一些熔岩上升到地球表面并变成固体。当它结晶时，它捕获了一些仍然存在于早期地球上的短寿命放射性钐146。但随后古老的地壳被拉回地幔。这些物质被加热到不再是岩石的程度，但所有的物质都没有混合到周围的地幔中。它的一部分仍然是一个独特的斑点，有自己独特的钕含量。最后，6亿年后，火山活动将这些物质推回到地表，形成了岩石，其中包含了一些古老的斑点，以及这些斑点44亿年前的特征。“那种融化本身就能留下前世的记忆，”Mojzsis说。因此，一块38亿年前的岩石可能看起来有44亿年的历史。锆石神秘解释Mojzsis和他的同事们已经在地质会议上提出了这些结果，有时在ONeil提出相反观点的会议上，ONeil认为这些岩石形成于44亿年前，从那以后就一直存在于地壳中。尼尔的团队已经回到努夫亚吉图克，收集了10到50块古代岩石。这些新数据都没有与最初对该遗址年龄的估计发生冲突。ONeil还反驳了Mojzsis和他的同事们曾经提出的努夫亚吉图克只有38亿年历史的证据。“我们对该地区的地质情况存在严重分歧，”奥尼尔说。以Mojzsis发现锆石的石英岩层为例。在像努夫亚吉图克一样古老的岩层中，要确定是何种岩石构成了一个岩层并不容易，因为它在数十亿年的时间里已经发生了如此多的变形。奥尼尔认为石英岩带根本不是石英岩带。相反，他认为，38亿年前，是一条岩浆脉将自己推入古老的岩石中。因此，锆石的年龄与周围岩石的年龄无关。奥尼尔说，他自己的石头“没有什么稀奇古怪的”。“他们真的很老了。”希曼本人就是古岩石方面的专家，他认为奥尼尔和他的同事提出了一个很好的例子。“我认为他们的证据是令人信服的，”他说。“他们已经做了尽职调查。“但希曼还认为，在科学家们找到另一种确定岩石年代的方法之前，一些不确定性将持续存在。有可能在有争议的努夫亚吉图克岩石中隐藏着一些含有铀和铅的矿物。这种组合是判断古代最可靠的方法，因为科学家们对此有丰富的经验。生命形成的时间？如果努夫亚吉图克岩石确实有44亿年的历史，奥尼尔相信它们有可能为早期地球打开一扇广阔的窗户，因为它们是在地球形成后不久形成的巨大的影响。当时，澳大利亚的锆石也在地幔几英里深处形成。但奥尼尔认为，努夫亚吉图克岩石是在月球表面形成的。他说:“这些岩石的地球化学真的看起来像一个海底。”如果这是真的，它证实了地球在巨大的撞击后不久就形成了海洋。奥尼尔还发现，这些岩石的化学成分与最近形成的海底岩石非常相似。这意味着，当世界上的海洋第一次出现的时候，它们与今天并没有太大的不同。奥尼尔甚至认为，这些岩石显示出板块构造的迹象，表明这一过程在地球的历史上很早就开始了。如果44亿年前在海底形成的努夫亚吉图克岩石能够解释生命的起源，那将是一个更令人兴奋的前景。现在，化石足迹在35亿年前就消失了。在更年轻的岩石中，科学家发现了保存下来的细菌。在比这更古老的岩石中，他们没有发现。但化石并不是生命留下的唯一痕迹。由于细菌以碳为食，它们可以改变环境中碳同位素的平衡，这种不平衡可以保存在当时形成的岩石中。一些研究人员声称，来自格陵兰岛38亿年前的岩石携带着不平衡，这是生命的标志。这仍然没有留下地球存在前7亿年有生命存在的证据。因此，科学家们不能确定地球上的生命是在地球形成后不久迅速开始，还是推迟了几亿年才开始。他们还没有找到地球上生命的起源。一些研究人员认为，生物分子出现在沙漠或潮汐池中。其他人则认为深海热液喷口是最初的托儿所。如果44亿年前在海底形成的努夫亚吉图克岩石是研究这些大问题的完美材料。奥尼尔希望与研究人员合作，看看这些岩石是否可能是在热液喷口形成的。我们不能忽视这些岩石。他说，这是生命形成的理想场所。发现最早的生命痕迹也是莫吉兹的一个痴迷，但他不会在努夫亚吉图克寻找它们。他说:“我将把我的余生都用来追求这种胡说八道的东西。”然而，Mojzsis确实从他与奥尼尔和其他人的分歧中看到了一个重要的好处。当他们在争论的时候，他们正在发展出更好的方法来测定老岩石的年龄。“这真的是一场精彩的辩论，”Mojzsis说。未来的地质学家们冒险到世界的偏远角落，带回神秘的样本，他们将能够使用这些方法，最终揭开早期地球的面纱。至少在这一点上，奥尼尔和莫吉斯是一致的。“所有这些古老岩石的小飞地可能到处都是，”奥尼尔说。“他们真的很容易被忽视。”Unit4textBFossilGPS2009年7月的一个炎热的日子里，一辆四轮驱动的大篷车行驶在在怀俄明州西南部的大分水岭盆地一条模糊不清、尘土覆盖的双行道上，目的地指向“荆棘刺”区域。这次考察是为了在荆棘刺寻找埋葬于地下的宝藏——5500万至5000万年前始新世初期的化石遗迹，那时许多目一级现代哺乳动物的祖先开始取代早先古新世的古老哺乳动物类群。我从1994年起，就带领一个由人类学家、古生物学家和地质学家组成的野外团队考察这个盆地。这些年来，荆棘刺一直是化石的多产地，科学家已经在此找到过好几个化石点。但这次，我们却遇上了麻烦——我带错路了，走上一条我们以前没走过的路。然而，我的错误却让我们撞上了大运。道路渐渐隐没于荆棘和草丛中，我停下了车，走下来看前面的路。我发现有一座小山旁有一大片砂岩，它们离这不远，正好在路边。由于大分水岭盆地的砂岩和美国西部的许多其他沉积盆地经常含有化石，所以我决定在继续向荆棘刺进发前花些时间在这些砂岩中找一找。我们趴在岩石上细细搜寻，一个小时后，我当时的研究生蒂姆·赫尔德(TimHeld)和贾斯汀·任碧希(JustinGish)喊道，他们找到了一对不错的哺乳动物颌骨化石。我兴致勃勃地加入他们。拥有牙齿的颌骨化石是珍贵的，因为它们包含了足够的信息，可以识别出它们来自何种动物，即使在没有其他部分的骨骼存在的情况下也是如此，因为它们能揭示出动物吃什么。接下来发生的事情恐怕是每一个古生物学家的梦想。我的学生们发现了一个化石热点区。普通的热点区不过是从砂岩中风化出来的几块颌骨、几把牙齿，可是这个热点区却非同寻常。他们发现了一个非凡的宝藏，我们现在从这些宝藏中收集了近500具保存完好的颌骨，以及几千枚牙齿和几千块骨头。这些化石来自于大约5000万年前生活在这里的20多种不同的哺乳动物化石。我们称这个地方为“蒂姆告白地”，如今它不仅是我们在大分水岭盆地找到的最佳化石产地，也是整个美国西部地区最丰富的始新世早期哺乳动物化石宝库。我的团队并不是第一个偶然发现化石的团队。古生物学的历史充满了这些意外发现。事实上，脊椎动物古生物学家找到大量化石地址的方式，自我们最早的科学时代以来并没有改变多少。就像我们这个领域19世纪的先驱者一样，我们利用地理学和地形雪的证据来确定我们在哪里可能最有机会找到古代沉积岩侵蚀形成的化石。但除此之外，我们是否能赚到钱在很大程度上还是靠运气，而寻找化石的艰苦工作往往得不到回报。“蒂姆告白地”的经历让我开始思考，是否有更好的方法来确定我的野外工作人员应该把精力花在哪里寻找新的化石地点。我们知道我们感兴趣的化石是在5500万到5000万年前的砂岩中发现的，我们知道盆地中有一些这样的沉积层暴露在什么地方，因此适合勘探。但是，尽管这些信息在一定程度上缩小了我们的搜索范围，但仍留下了数千平方公里的土地要覆盖，还有很大的空手而归的机会。后来在营地的一个晚上，一个想法开始萌芽。在离最近的光污染源几公里远的野外，我们经常看到卫星从头顶飞过。我想知道我们是否能以某种方式结合我们的当地地质、地形和古生物学专业知识，通过卫星看到整个大分水岭盆地1万平方公里的区域，并在自然状态下绘制其可能的化石热点。也许卫星可以“看到”肉眼看不到的陆地特征，这可以帮助我们发现更多裸露的砂岩，和那些没有含有化石的矿石区别开。天眼（分析卫星图像）当然，其他古生物学家也在思考卫星图像是否能提高我们在野外找到化石的能力。作为灵长类和人类进化的化石记录专家，我知道在20世纪90年代，东非大裂谷研究服务中心的BerhaneAsfaw和他的同事们使用这些图像来识别埃塞俄比亚的岩石暴露情况，这些岩石可能会有人类进化的化石。大约在同一时间，丹佛市自然科学博物馆的RichardStucky证明了在Wy区中心富含化石的风河盆地的不同岩石单元可以根据该地区的卫星图像进行区分和绘制。这两个项目都涉及古生物学家和美国宇航局遥感专家的合作，并证明了这种跨学科努力的价值。但我想知道是否有办法从卫星图像中提取更多信息，从而更好地聚焦我们的搜索。我转向地理学家，这篇文章的另一位作者(爱默生)，我们两人很快就草拟了一个计划。我们将从美国地球资源卫星7号和它的所谓的增强型专题成像仪获得免费的盆地图像，增强型专题成像仪能检测到辐射反射或发射波长覆盖地球表面的电磁波谱——从蓝波到红外波——并在八个离散谱带中表示它。这些波带可以用来区分例如，从植被中提取的土壤，或绘制矿藏图。然后，我们将开发出一种方法，使我们能够利用卫星图像对大分水岭盆地已知的大量化石地点的辐射轮廓进行气固分析，并观察它们是否具有可泄露的光谱特征。如果是这样的话，我们就可以从我们的计算机上搜索整个大分水岭盆地，以找到具有这种光谱特征从而有很大的可能性产生化石的新地点。然后，我们可以亲自到这些地方进行详尽的搜索，寻找化石来测试模型。确定我们已知的化石遗址是否共享一个独特的光谱特征并非易事，因为对于每个地点，我们必须将Landsat数据提供的6个波段电磁光谱值组合起来进行评估。我们的问题本质上是多维度的模式识别，这是人类做得不是特别好但计算机擅长的。所以我们采用了所谓的人工神经网络——一种能够学习复杂模式的计算模型。我们的人工神经网络显示，盆地中已知的化石地点确实共享一个光谱特征，能够很容易地将这些砂岩地区与湿地和沙丘等其他类型的地面覆盖区区分开来。但是这个模型有它的局限性。神经网络的本质，分析型“黑盒子”，意思是它们可以区分模式，但它们不能揭示不同的模式得以区分的实际因素。而我们神经网络可以很容易地将化石地区与湿地或沙丘准确区分开,它不能告诉我们不同的土地覆盖的光谱特征在陆地卫星数据的6个波段中是如何不同表现——可以帮助我们进行更有针对性的搜索的信息。神经网络方法的另一个限制是，它完全基于分析单个像素。问题是，225平方米的单个陆地卫星像素，在本质上与化石产地的大小不符:有些地方比单个像素还大;有些更小。因此，神经网络对潜在化石地点的预测并不总是与现实相符。为了克服这些限制，我们需要能够分析多个相邻的和光谱相似的像素，并且能够精确地描述整个区域的独特光谱特征，无论是化石遗址还是森林。我们求助于一种被称为基于地理对象的图像分析技术，以及商业上可用的高分辨率卫星图像，其中单个像素的直径小于1米。与人工神经网络不同，这种方法允许卫星图像被分割成图像对象——一组光谱均匀的像素——能被如平均亮度或中值亮度或纹理的统计参数字符化。这些图像对象更接近地面上感兴趣的点，比如化石遗址或森林。利用这种图像分析技术，我们能够开发出一套关于在哪里找到化石的独立预测。见证奇迹的时刻我们的两个预测模型都绘制出了“大分水岭”的地图，这些地图精确地指出了与已知地区有最接近的光谱特征的未勘探区域。尽管这些模型在预测中表现出了一定程度的重叠，但在某些情况下它们也存在分歧。我们选择关注那些两个模型都认为是优先级高的潜在地点的地方。在2012年和2013年的夏天，我们手拿地图一同前往怀俄明州，看看我们的模型是否能引领我们找到大分水岭盆地的新化石贮藏所。令人欣慰的是，他们确实做到了。人工神经网络模型在识别砂岩矿床方面是非常有效的，因为这个盆地中有很多化石脊椎动物，所以几乎是很值得探索的。2012年7月，它带领我们发现的首批砂岩中，有十多块始新世哺乳动物的化石，其中包括五趾马伊-拉克瑟雷亚(horseI-lyracotherium，早期的灵长类动物Cantius，以及其他一些属于一种已灭绝的蹄类哺乳动物condylarthra的化石。神经网络还引导我们找到了一些水生脊椎动物化石，包括鱼类、鳄鱼和海龟。我们基于地理对象的图像分析模型也将我们带到新的地点。慢慢开始之后在模型指出的前三四处没有发现化石，我们搬到了大分水岭盆地的北部，靠近一个叫货船间隙的地方，用新技术进行了一个星期的密集的“地面搜索”。在一周前带领我们长途跋涉，来到了一个完全没有化石的地方(我们称之为“布莱恩的愚蠢”)的研究生布莱恩·博默斯巴赫(BryanBommersbach)，率先根据模型的预测选择了要调查的地区。几乎就在那一刻，我们开始在这里的许多地方发现骨头。我们在31个独立的地方寻找化石,我们的模型显示这些地点在光谱上与已知的地点相似,在其中的25个地方发现了脊椎动物化石,这比在没有预测地图的帮助下进行勘测的成功率要高得多。玛姆·马尔化石来自其中10个地点，其中一个可以追溯到古新世的最新发现，这是一个极其罕见的发现。我们完全有理由相信，与我们开发的类似的预测模型将在除大分水岭盆地以外的地区发挥作用。事实上，它们应该在世界上任何地方都能工作。在这种方法的保守测试中，我们使用为大分水岭盆地开发的神经网络来预测附近的野牛盆地中含有化石的沉积层的位置。令人鼓舞的是，我们的神经网络预测了野牛盆地已知的三个最有生产力的化石地点。因此，使用我们的预测模型首次探索这一广阔区域的野外工作人员比使用传统调查方法的工作人员发现这些地点的机会要大得多。我们在2012年和2013年间在怀俄明州进行的试验表明，使用卫星图像结合地理空间预测模型大大提高了我们野外工作的效率，帮助我们在更短的时间内找到更多的化石。但我们还有很多事情要做。我们现在专注于精炼模型来更好的描述和区分生产地区的光谱特征。我们相信，在这些模型和工具的帮助下，我们可以让未来的古生物考察更安全、更科学，“找到重要化石”这一结果也会渐渐从“运气使然”走向“成为必然”。只要能实现这一目标，付出多大的努力都值得。Unit7textAOutshiningSilicon一种新材料---钙钛矿---最终可以制造出比目前流行的硅技术更便宜、更高效的太阳能电池。研究生迈克尔·李坐在日本的一家酒吧里，匆匆记下了一份化学成分清单。当天早些时候，横滨台恩大学（ToinUniversityofYokohama）的科学家们慷慨地分享了他们的开创性配方，即用一种叫做钙钛矿的新材料而不是通常的硅制造太阳能电池。这些电池在将阳光转化为电能方面的效率只有3.8%，所以全世界都没有注意到。但是李受到了启发。2011年的实况调查任务结束后，他回到牛津大学的克拉伦登实验室，我们三个人当时都在那里工作，并对配方做了一系列调整。这些变化使第一个钙钛矿电池的效率超过了10%。他的发明引发了相当于石油热潮的清洁能源，全世界的研究人员竞相将钙钛矿电池推得更高。韩国化学技术研究所（KoreaResearchInstituteofChemicalTechnology）2014年11月创下的最新纪录为20.1%，标志着在短短3年内，效率提高了5倍。相比之下，经过几十年的发展，最先进的硅太阳能电池已经稳定在25%左右，像我们这样的钙钛矿研究人员已经瞄准了这个目标。我们也期待着商业上的首次亮相，也许是通过一家分公司，比如我们其中一个（Snaith）共同创立的牛津光电公司。钙钛矿之所以诱人，有几个原因。这些成分非常丰富，研究人员可以在低温下轻松、廉价地将它们结合成具有高度晶体结构的薄膜，这种结构类似于经过昂贵的高温处理后在硅片中获得的。一卷卷薄而有弹性的钙钛矿薄膜，而不是像硅晶圆那样又厚又硬，有一天可以从专用打印机上迅速地卷起来，制成重量轻、可弯曲、甚至五颜六色的薄膜和涂层。不过，要挑战硅的主导地位，钙钛矿电池必须克服一些重大障碍。今天的原型只有指甲那么大；如果要与硅板竞争的话，研究人员必须找到使它们更大的方法。他们还必须大大提高安全和长期稳定的电池的一场艰苦的战斗。赢得效率竞赛现在最好的硅电池的效率是25.6%。为什么太阳能电池不能百分之百地转换太阳光能？为什么钙钛矿能够超越硅的记录呢？这些问题的答案可以在可激发的和不稳定的电子中找到。当太阳电池处于黑暗中时，材料中的电子与它们各自的原子结合在一起。没有电流。但当阳光照射到原子时，它会释放出一些电子。注入能量后，“兴奋”的电子在细胞的晶格中醉酒，直到它们离开原子的一端，被电极作为有用的电流，或者进入障碍物或陷阱，以废热的形式失去能量。晶体质量越高，阻碍电子流动的缺陷就越少。硅电池通常被加热到900摄氏度以消除缺陷。钙钛矿电池即使在低得多的温度下处理，大约100摄氏度，也基本上没有这种缺陷。因此，光激发的电子在离开钙钛矿原子时同样成功，并且它们在与障碍物碰撞时不可能损失尽可能多的能量。因为电池的电功率是离开单元（电流）的电子流和这些电子携带的能量（电压）的产物，所以钙钛矿的效率可以与硅相媲美，而处理工作量要少得多。但是，由硅和钙钛矿等半导体制成的太阳能电池能将多少太阳光能量转换成电能是有上限的。这主要是因为半导体的一个特性，叫做带隙——释放电子所需的最低能量水平。太阳光包括所有波长的光，但只有某些波长超过了能带隙。其他波长只会通过物质，什么也不做。对于不同的半导体，带隙是不同的，它建立了一个基本的平衡：带隙越低，一个原子可以吸收更多的太阳光谱来激发电子，但每个电子所拥有的能量越低。因为电能取决于电子的数量和能量，即使是一个具有理想带隙的原子也只能转换大约33%的太阳能量。虽然硅有一个不理想的固定带隙，但它控制着太阳能产业，因为制造这项技术的有效方法是众所周知的。然而，当制造钙钛矿时，研究人员可以通过调整成分的组合来随意调整带隙，这就增加了超过硅效率的可能性。研究人员还可以将不同带隙的钙钛矿层叠在一起。双层钙钛矿应该能够突破33%的名义上限；一些预测表明，它们可以将46%的太阳能量用于工作。教旧材料新把戏自19世纪以来，矿物学家们就已经知道了地壳中钙钛矿的自然形态。当科学家们认为这些晶体可以形成高温超导体时（一些工作今天仍在继续），这些晶体为1988年这本杂志的封面增色不少。在过去的二十年里，工程师们也用人造的钙钛矿制作了实验电子产品，但他们忽略了这种材料在太阳能电池中的潜在用途。最后，在2009年，台湾大学的一个研究小组将一个人造版本转变成太阳能电池。研究人员将选定的化学物质溶解在溶液中，然后在玻璃片上旋转并干燥。干燥过程中，在玻璃片顶部留下了一层纳米级钙钛矿晶体薄膜。这层薄膜吸收阳光时会产生电子，但不是很好。研究人员在钙钛矿纳米晶体的两侧添加了薄层材料，以帮助它们将电子转移到外部电路中，提供有用的电源。最初的微型电池只有3.8%的效率，而且它们极不稳定，在数小时内降解。李改变了钙钛矿的成分，替换了电池中有问题的那一层，使效率超过了10%。另一组由迈克尔·格雷泽和南圭公园联合领导的调查人员也取得了类似进展。最近由于一些巧妙的创新驱动电池转化率达到20%。创造一个无缺陷的晶体薄膜需要复杂的沉积方法，一个由SangⅡSeok领导的小组设计了一个多步骤的过程，使一个更有序的晶体薄膜通过旋转溶液脱落。经过优化处理，Seok在2014年连续三次实现创纪录的效率，从16.2%提高到20.1%。其他科学家简化了添加材料的分层；最新的钙钛矿电池看起来更像硅电池。在硅的情况下，这种设计使得低成本的大规模