科学平行：探索科学新世界

前言
科学对于人类认识世界和改造世界具有重要意义。科学的发展推动着人类社会的不断进步。科学为人类服务既是科学的初衷，也是科学的最高目的。探索科学新世界，可以让我们遇见更美妙的科学，感知更迷人的技术，激发对科学的热情，从而更好地开拓美好的未来。
在科学无处不在的今天，科学传播的意义也变得更加厚重。如何使用科学的方法探索科学的新世界，是科学传播的重要使命。中国科普研究所科学媒介中心（CSMC）就是承担这一使命的一份子，其一直致力于搭建科学家和媒体之间的沟通平台，共同做好面向公众的科学传播。“科学平行”系列图书出版的意义正在于此。
本书汇集68篇科普文章，涵盖8个前沿、新鲜、多样的热点话题，采取审慎的态度解释科学现象及其背后的科学原理，结合诸多文献资料、考古发现和最新研究成果，探索科学新世界。
本书首先为读者“揭秘‘黑科技’”，从新材料和新技术中感受前沿科技的魅力；“科学新发现”聚焦全球瞩目的新发现、新突破，感受科技的力量；“地心历险记”带领读者穿梭于地表和地心，感受蓝色星球的独特魅力；“医学加油站”着眼于公众日常生活习惯，用科学权威的方法解开种种谜团；“人体观察室”从科学角度出发，探索并解读神奇人体发出的各种信号；“宇宙大冒险”“健康直播间”“疯狂动物城”则延续了本系列图书之前的内容，继续从独特的角度讲述太空、健康、自然领域那些奇奇怪怪的真相，带领大家共同感受科学的魅力。
最后，向本书的编写人员致以诚挚的感谢，他们以自己的智慧学识为“科学平行”系列图书提供了大量专业性素材，感谢他们对科学的热忱和坚持，这是科学媒介中心继续前行的重要基石和动力。
编 者
2023年10月

本书是从中国科普研究所的“科学媒介中心”公众号文章精选出版的一部科普文集，内容包括全球热议的诸多科学话题。希望能以一篇篇科普文章，带你走进科学的世界，感受科学的神奇。

武丹，博士，中国科普研究所副研究员。主要从事媒介科技传播、科普影视动漫、科普数据分析等相关研究。主持及参与科研项目共50余项，公开发表学术论文20余篇。著有《媒介·科技·传播:大众传媒科技传播现状研究》《融媒体科技传播实践研究》等多部论著。             
钟琦，中国科普研究所研究员，长期从事媒体科技传播、科普信息化等研究，著有《媒介·科技·传播，大众传媒科技传播现状研究》《中国科普互联网数据报告》等。

目录
Chapter1 揭秘“黑科技”
01 借助网络可以实现比GPS更精确的定位吗？ 2
02 弯道极限超车、击败人类顶级玩家，索尼AI赛车手称霸赛车游戏 7
03 揭秘冬奥赛场上的“黑科技”冰雪装备 12
04 碱金属遇水会擦出怎样的火花？ 15
05 细菌可用于生产火箭燃料吗？ 19
06 立方砷化硼或是最佳半导体材料 23
07 盘点物理学2021年度十大重点事件 28
Chapter2 科学新发现
01 韦布空间望远镜：探测更深邃宇宙 36
02 中国科学家发现突破性抗衰老物质 39
03 全球首例猪心移植人体手术成功 44
04 发现首个银河系中的“流浪黑洞” 47
05 春日里的消亡：恐龙灭绝时间新发现 50
06 《麻省理工科技评论》公布2022年全球突破性技术 53
07 破译生命天书：最完整的人类基因组测序结果 61
08 中国古籍中发现最早的极光记载 65
09 着“火”一周年，“祝融号”发现“水”迹 69
10 首次发现银河系外休眠黑洞 72
11 《科学》公布2022年度十大科学突破 75
Chapter3 宇宙大冒险
01 寻找太阳系第九颗行星 84
02 月球土壤能种出植物吗？ 88
03 韦布空间望远镜或发现宇宙已知最古老星系 92
04 首次发现有两颗超级水星的恒星 95
05 月亮离地球越来越远了 100
06 我们观测到的黑洞可能是虫洞吗？ 104
Chapter4 地心历险记
01 2021年度考古领域十大发现盘点 110
02 巨石阵作为太阳历是如何运作的？ 114
03 AI利用即时弹性重力信号快速准确预测地震 119
04 超级山脉是否推动了地球早期生命进化？ 124
05 修筑大坝会增加河流下游的洪水风险吗？ 128
06 地球的第一块大陆是怎么形成的？ 132
07 通过地震前地磁场微弱的变化可以预测地震吗？ 136
08 地震引发的滑坡风险可能长期存在吗？ 139
Chapter5 健康直播间
01 间歇性禁食有哪些好处? 144
02 “久坐不动”的危害有多大？ 147
03 为什么老年人深受睡眠困扰？ 150
04 心情不好的时候，花10分钟去跑步吧 153
05 熬夜会给眼睛带来哪些伤害？ 155
06 对衰老过程按下复位键 159
07 《细胞》杂志发布长寿菜单，怎么吃更长寿呢？ 162
08 运动会产生抑制食欲的代谢物吗？ 168
09 乳制品摄入过多会增加健康风险吗？ 172
10 每天究竟应该喝多少杯水？ 177
Chapter6 医学加油站
01 2022年全国癌症报告发布 184
02 现实版“毒液”软体机器人有望应用于医学领域 188
03 乳腺癌细胞在我们睡觉时更活跃吗？ 192
04 为什么抗生素那么多而抗病毒药却这么少？ 195
05 气候变化能使超半数人类病原体恶化吗？ 199
06 常见病毒能引发阿尔茨海默病吗？ 204
07 猪皮制造角膜帮助失明患者恢复视力 208
08 抑制癌细胞扩散转移的新方案 210
09 研究发现可安全抗肿瘤的乳腺癌疫苗 214
Chapter7 人体观察室
01 选面包还是爱情，是由肠道激素决定吗？ 220
02 脑脊液不仅能“洗脑”，还能延缓大脑衰老吗？ 223
03 “气味”相近更容易做朋友吗？ 226
04 男性寿命没有女性长，竟是因为Y染色体丢失了吗？ 230
05 晒太阳会让男性更易变胖吗？ 233
06 声音如何起到镇痛作用？ 236
07 睡眠不足会让人变自私吗？ 240
08 大脑如何将危险信号转化为恐惧感？ 244
09 肠道为什么是一圈一圈生长的？ 248
Chapter8 疯狂动物城
01 为什么猫这么讨厌洗澡？ 254
02 大熊猫竟然是伪装高手 257
03 长颈鹿的脖子为什么那么长？ 261
04 脊椎动物的头部是怎么形成的？ 264
05 小鸭子游泳时为什么要排队？ 267
06 乌龟长寿的秘密是什么？ 270
07 你知道章鱼惯用哪只“手”捕食吗？ 274
08 反气旋涡流中聚集了更多鱼类吗？ 278

本书是从中国科普研究所的“科学媒介中心”公众号文章精选出版的一部科普文集，内容包括全球热议的诸多科学话题。希望能以一篇篇科普文章，带你走进科学的世界，感受科学的神奇。

武丹，博士，中国科普研究所副研究员。主要从事媒介科技传播、科普影视动漫、科普数据分析等相关研究。主持及参与科研项目共50余项，公开发表学术论文20余篇。著有《媒介·科技·传播:大众传媒科技传播现状研究》《融媒体科技传播实践研究》等多部论著。             
钟琦，中国科普研究所研究员，长期从事媒体科技传播、科普信息化等研究，著有《媒介·科技·传播，大众传媒科技传播现状研究》《中国科普互联网数据报告》等。

01借助网络可以实现比GPS更精确的定位吗？
十几年前，我们去到陌生的城市，第一件事就是要购买纸质地图，否则寸步难行。如今，借助智能手机的全球导航卫星系统（GNSS），就可以走遍城市的各个角落，再也不用担心迷路了。这种定位方式通常很准确，但也有失算的时候。例如处于隧道、室内等地，代表我们所在位置的小蓝点有时会出现在距离实际位置很远的地方，这很大程度上是由于卫星信号弱所致，或是多径传播和天空视野被遮挡等原因。荷兰代尔夫特理工大学、阿姆斯特丹自由大学和荷兰国家计量所的研究人员开发了替代定系统——地面网络定位系统（TNPS）。该系统独立于GNSS，利用现有电信基础设施为城市地区、隧道和室内提供分米级定位服务。这项新技术对于未来实施基于位置的应用（如建设智慧城市）至关重要。相关研究于2022年11月16日发表在国际顶级学术期刊《自然》（Nature），论文题目是《一种用于分米级地面定位的混合光学—无线网络》（A hybrid optical-wireless network for decimetre-level terrestrialpositioning）。
全球导航卫星系统
人们已习惯使用智能手机导航，手机地图上的位置信息源自GNSS。GNSS是指能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候三维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统，包括一个或多个卫星星座及其支持特定工作所需的增强系统。GNSS国际委员会公布的全球四大卫星导航系统供应商分别是，美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯导航卫星系统（GLONASS）、欧盟的伽利略导航卫星系统（GALILEO）和中国的北斗导航卫星系统（BDS）。其中，GPS是世界第一个建立并用于导航定位的全球系统，GLONASS经历快速复苏后已成为全球第二大卫星导航系统，二者正处于现代化的更新进程中；GALILEO是第一个完全民用的卫星导航系统，正在试验阶段；BDS是中国自主建设运行的GNSS，为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务。
GNSS在城市地区存在难以克服的局限性：有限的无线电带宽（约20兆赫）意味着多径传播会造成米级定位误差。多径传播是指从发射机天线发射的无线电波（信号），沿两个或多个路径到达接收机天线的传播现象，接收机天线接收到的信号是多个波的合成。多径传播会造成干扰，使得原来的信号失真，或者产生错误，城市地区密集的建筑物最容易反射、干扰定位信号，发生多径传播现象。此外，在封闭场所还易引起卫星信号阻塞、中断，从而影响定位。更严重的是，GNSS还可能遇到人为故意中断的情况。GNSS不仅可用于导航定位，还可用来授时，误差最多为几纳秒。然而，新兴技术（如量子通信）要求（量子）网络节点亚纳秒的时间同步。此外，即使GNSS的误差可以减少1—2个数量级，也存在无线电信号未加密和强度较弱的缺点，这可能被干扰甚至伪造，以传递虚假的时间和位置信息。基于上述不足，以及缺乏相关备份系统，政府和相关网络运营商开始研究可能的替代定位系统。
替代定位系统TNPS
荷兰代尔夫特理工大学、阿姆斯特丹自由大学和荷兰国家计量所的研究人员开发了基于混合光学-无线通信基础设施的TNPS。该系统独立于GNSS运行，将光纤基础设施与地面发射机相结合，使接收机接收到的信号功率比接收到的GNSS信号功率高 100万倍，从而消除了许多与GNSS相关的风险。该系统使用正交频分复用（OFDM）电信技术，利用频谱有效的虚拟宽带信号。这种大的带宽意味着系统可以识别出信号在每个基站和接收机之间被反射的路径，减轻了多径传播的有害影响。基站以3.96KHz的载波频率和160KHz的带宽传输复用信号。确保基站时间同步是所有问题中最具挑战性的分，需要通过光纤把基站连接起来，并用定制的定时协议来解决。
研究表明，将载波的相位信息（信号在任何给定时间内完成的周期数）与接收机中的振荡器的相位进行比较，系统可以定位接收机的位置，定位精度小于一个信号波长，如3.96KHz的波长约是7.6cm。该系统的关键优势是兼容现有的4G和5G电信网络，使用相同类型的多路复用信号。该系统采用高频信号意味着高精度定位，此外，高频信号的波长较短，意味着一定区域可以容纳多的接收机。例如，140KHz信号在同一区域允许容纳的接收机数量是28KHz信号的25倍。有这么多的接收机，可以测量信号的球形波前的曲率，也可以提供有价值的位置信息。
打造智慧城市
光学—无线混合系统的分米级定位系统利用现有的电信基础设施就可以实现，通过采用某些新兴的通信技术，该系统还可以进一步改进。例如，将多个发射机与毫米波长的信号相结合，可以估计信号到达和离开接收机的角度，以及信号在接收机和基站之间传输的时间差。有了这些信息，即使存在基站少和缺乏时间同步等不足，也能保持高精度定位，这是导航系统的理想情况。电信网络的下一步将是引入“智能超表面”（Reconfigurable Intelligent Surface, RIS），这是一种具有实时可编程电磁特性的人工电磁表面结构，该结构可以通过编程，低功耗和低成本地控制无线信号的传播方向。
以上技术将改进现有定位系统，有望应用于未来的“触觉互联网”（TI）网络。基于准确定位，TI通过以触觉捕捉、触觉信息编码、传递和触觉重现为主的传输路径，对物体或对象进行远程控制、诊断和服务，实现毫秒级响应的触觉交互。TI衍生出“智慧城市”。在智慧城市中，无人机可以准确地递送快递包裹，汽车全部自动驾驶，人随时随地进行数字支付，入户空调就会自动打开等。该研究让实现智慧城市更近了一步。