激光释放海量太空数据
2013年1月，月球勘测轨道飞行器（Lunar Reconnaissance Orbiter）接收到了一个历史性的信号：一张《蒙娜丽莎》的图像。这是科学家首次使用激光将数据发送到月球，这一壮举有望呈指数级增加与太空之间信息流的传输量。
在过去的50年里，航天器一直依靠无线电波与地球通信。但无线电通信存在局限性。无线电波拥挤不堪。信号会随着距离衰减，因此传输需要耗能的发电器和大型天线。聚焦的激光在波长上比无线电波短10,000倍，每秒可以传输更多的波——以及更多的信息。激光可以在长距离内保持信号强度，因此发射器所需的功率更小。携带更小接收器的航天器发射成本也将更低。
10月，月球大气和尘埃环境探测器（Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer, Ladee）又进行了一次成功的测试，它在三个不同的地球接收器之间传输了包含高清视频的激光脉冲。欧洲空间局的Alphasat卫星于7月发射升空，将使用激光从中继观测地球的其他卫星的数据。美国宇航局（NASA）的工程师们已经开始建造下一代系统“激光通信中继演示”（Laser Communications Relay Demonstration），计划于2017年发射。
如果基于太空的激光通信能够成功——而且几乎没有理由相信它不会成功——它将可能改变人类探索太阳系的方式。火星车可以携带更多工具，并回传更复杂的数据。高清视频流可以使科学家能够像在地球上一样追踪土星上的风暴。宇航员甚至可以与家人视频通话。戈达德太空飞行中心激光中继团队的首席研究员戴夫·以色列（Dave Israel）将其比作：“这次飞跃的量级相当于从拨号上网到家庭高速上网的转变。”——丽贝卡·博伊尔（Rebecca Boyle）
2014年1月20日
在此日期，罗塞塔号（Rosetta）航天器将从超过42个月的深空冬眠中苏醒，开始对一颗彗星进行最详细的研究。8月，它将抵达67P彗星，11月，它将部署一个探测器降落在彗核上。
计算机解码我们的大脑
2013年10月7日，在瑞士洛桑联邦理工学院，一项历史上最宏伟的大脑研究项目正式启动。耗资12亿欧元、汇集了250多名研究人员的“人类大脑项目”（Human Brain Project）旨在创建人类大脑的第一个完整计算机模拟。在十年的时间内，我们将知道的关于大脑生物学的一切都将被建模。最终，虚拟神经元甚至将被模拟药物进行测试。
“人类大脑项目”是更大规模、跨学科的大脑研究浪潮的一部分，它吸引了工程师、数据理论家以及其他非神经科学家参与各种研究。在美国，政府牵头的“大脑计划”（Brain Initiative）计划实现其自身的“第一”：绘制一张详细的大脑活动图。其未来潜力范围从近乎诗意的——观察记忆在多组神经元活动流动的过程中形成——到临床实用，例如开发一种可以直接改变这些神经元以可能诊断和治疗疾病的设备。2014年启动的其他项目包括宾夕法尼亚州立大学牵头的一个为期五年、涉及八个机构的计划，旨在用硅模拟视觉皮层。
洛克菲勒大学神经科学家科里·巴格曼（Cori Bargmann）解释了为何这些项目突然获得关注。“我们现在拥有了理解数十亿个单独的神经元、每个神经元在复杂的时标上变得活跃和不活跃所需的计算和统计工具，”她说。因此，虽然2014年不会是大脑被完全绘制、模拟或被控制的一年，但它将是所有这些以及更多工作的探索真正开始的一年。——埃里克·索夫格（Erik Sofge）
止痛药的打击
今年，将对维柯丁（Vicodin）和洛塔博（Lortab）等麻醉性止痛药实行更严格的管制。这些规定旨在减少滥用和过量死亡，后者自1999年以来在美国已翻了四倍。
一线救援机器人将展开竞争
2014年12月，来自约十几个团队的自主机器人将在DARPA机器人挑战赛的最终比赛中角逐，执行模拟灾难中的救援任务。
如何拆解化学武器
今年，美国陆军将建造名为“现场可部署水解系统”（Field Deployable Hydrolysis Systems, FDHS）的移动净化实验室，能够快速中和萨林等散装化学战剂。这项技术可能对像叙利亚这样的国家特别有用，因为这些国家缺乏适当的设施来销毁其化学武器供应。
第一步：在实验室的钛罐中将一定量的化学战剂与水稀释，然后加入漂白剂（次氯酸钠）和碱液（氢氧化钠）。
第二步：将含有混合物的钛罐加热至接近沸点，持续三个小时。在此期间，漂白剂、水和碱液将水解99.9%的化学战剂。
第三步：将副产物转移到罐车中，运往常规危险废物处理厂进行进一步处理。
无人机获得“通行证”
国内无人机时代将在今年年底正式开启。届时，美国联邦航空管理局（FAA）将发布一项规定草案，监管在美国空域使用重量低于55磅的无人机，这一类别包括了大多数商用型号。但在此之前，这些设备就已经在空中翱翔了。计划于2014年进行的飞行测试将塑造未来数年乃至数十年的无人机发展。
截至发稿时，来自24个州的团体正在竞争6个获批测试站点的选址，这些站点将用于评估无人机型号和飞行协议。虽然美国联邦航空管理局预计在其初步指南中将采取限制性措施——可能要求飞行员和无人机系统（UAS）之间保持持续的视线连接，并将高度限制在400英尺——但这些站点的测试将探索更具雄心的能力，包括自主感知和避让系统，这将使无人机能够在更高的高度运行，与载人飞机共享空域。
与此同时，美国联邦航空管理局已经批准了数百家警察部门、公立大学和其他申请者以非营利目的飞行。北卡罗来纳州立大学下一代航空运输中心（NextGen Air Transportation Center）主任凯尔·斯奈德（Kyle Snyder）表示，随着像他这样的中心继续为无人机研究人员和美国联邦航空管理局收集测试数据，无人机活动将在2014年达到前所未有的水平。这对农民、房地产经纪人以及任何希望获得廉价航拍影像的人来说都是个好消息。对于那些仍然对机器人飞越感到担忧的人来说，入侵已经发生。——埃里克·索夫格（Erik Sofge）
气候问题被摆上优先位置
“今天，我们应该拥抱减少碳排放，以此来创造就业机会并加强经济。让我们把它视为一生一次的机会。因为有太多的生命危在旦夕，我们不能不以这种方式拥抱它。”
——吉娜·麦卡锡（Gina McCarthy），美国环境保护局局长（2013年7月任命）
名人进入太空
维珍银河（Virgin Galactic）计划于2014年开始商业运营，将包括流行歌星凯蒂·佩里（Katy Perry）在内的付费乘客送往太空边缘。
“好奇号”火星车驶向夏普山，盖尔撞击坑，火星
如何建造冰墙
日本福岛
去年8月，东京电力公司（Tepco）承认，在地震损坏的福岛核电站的一个储罐中，有超过300吨的污染水泄漏到地下。为防止地下水将其带入海洋，东京电力公司于2014年宣布了建造地下冰墙的计划。
第一步：在核电站周围的地下三到五英尺处安装管道。
第二步：将冷却剂（氯化钙盐水）泵入管道，并通过制冷站持续循环。
第三步：每个管道周围的冻土层连接起来形成一道冰墙，阻止水流。
癌症诊断变得侵入性更小
癌症带来了许多棘手的问题，首先是诊断。组织活检，这是大多数癌症的唯一确诊方法，具有侵入性，疼痛且可能引起感染。它们也往往在症状出现后进行，而那时往往为时已晚。一种新的诊断工具可能会使一些疾病的识别更加容易。
在体内，被称为外泌体的微小囊泡通过血液、尿液和唾液等体液传播。它们在细胞之间传递遗传物质和蛋白质，在细胞交流中起着重要作用。“我们喜欢将其视为身体的联邦快递系统，”Exosome Diagnostics公司首席执行官詹姆斯·麦卡勒（James McCullough）说。
麦卡勒的公司开发了一种测试，用于捕获这些信使并分析它们所含的RNA，标记出指示恶性细胞存在的突变。另一家公司Caris Life Sciences公司则寻找与某些肿瘤相关的外泌体表面的蛋白质。两家公司都在竞相在2014年发布首个商业外泌体测试——Exosome Diagnostics用于前列腺癌，它通过分离尿液中的外泌体来检测；Caris Life Sciences用于前列腺癌和乳腺癌，它通过血液检测来诊断。
重要的临床研究也在进行中。Exosome Diagnostics公司的技术已经在血液中检测出指示脑癌的突变方面显示出希望。今年，18个医疗中心正在进一步评估该方法。Exosome Sciences公司的研究人员将开始早期临床研究，通过尿液中分离的外泌体来检测艾滋病毒（HIV）以及乙型和丙型肝炎。
该技术的潜力是广泛的。淋巴瘤、肺结核和帕金森病都是潜在的诊断目标。外泌体测试还可用于跟踪疾病进展并监测治疗效果。——卡桑德拉·威利亚德（Cassandra Willyard）
萨莉·杰厄尔（Sally Jewell），@SecretaryJewell ，2013年10月29日
科学预算保持低位
美国
2013年，联邦基础研究和开发支出比前一年下降了8%，比2010年的峰值下降了16%。国会2014年的预算并没有大幅恢复，而且“财政悬崖”（sequestration）上限可能会在未来十年内导致资金紧张。美国科学促进会预算项目主任马特·霍里汉（Matt Hourihan）表示，随着科研经费越来越难获得，美国的科学——以及由此带来的创新和增长——可能会放缓。
*科学预算数据由美国科学促进会提供。所有金额均已根据通货膨胀进行调整。2013年的数据为估计值，2014年的数据为拟议预算。众议院2014年对美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）的拨款尚未发布，因此未包含在此。
四项新研究探讨了对新生儿基因组测序所带来的医学益处和实际困境
“这些拨款将使我们能在这项检测广泛应用之前收集有关其伦理、法律和社会影响的信息。目前尚不清楚患者或医疗服务提供者将如何处理这些信息。”
——阿曼德·安托马里亚（Armand Antommaria），辛辛那提儿童医院医疗中心伦理中心主任
风电走向海上
包括科德角风电（Cape Wind，位于马萨诸塞州楠塔基特海峡）和深水风电（Deepwater Wind，位于罗德岛州布洛克岛附近）在内的多个项目正在争夺成为美国首个海上风电场的地位。它们计划于2014年开始建设。
多个新基金专门为比特币设立，使机构投资者能够买卖数字货币股份
“我们正接近一个转折点。比特币成功的催化剂可能是监管清晰化、大型风险投资、一个大国（如中国）的支持，或是提高投资者的可及性。”
——巴里·西尔伯特（Barry Silbert），SecondMarket公司（管理比特币投资信托）创始人兼首席执行官
物理学家创造防间谍代码
隐私保护方面并不是特别顺利的一年。美国国家安全局（NSA）大规模监控行为的曝光，凸显了对更好数据安全性的明显需求。量子密码学的最新突破可能恰好能提供这一点：防间谍加密技术不再局限于实验室或昂贵的工业级成本。
量子密钥分发（QKD）是一种本质上无法破解的加密协议，它利用了量子物理学中最令人费解的原理之一——仅仅观察信息就会改变它。在基于QKD的系统中，随机生成的密钥被编码在光子上，并通过光纤电缆传输，然后用于加密敏感数据。任何试图在传输过程中探测密钥的行为都会改变其光子，表明传输已被拦截，需要新的密钥。
到目前为止，QKD仍然依赖于光纤网络。它还需要大型发射器和探测器，但现在研究人员正在努力使其小型化：诺基亚（Nokia）和英国布里斯托大学（University of Bristol）正在合作开发一种足够小的量子源，可以装入手机；同时，加拿大滑铁卢量子计算研究所（Institute of Quantum Computing）的物理学家正在开发微型卫星，可以跨越全球传输编码光子。
QKD发展势头的最佳证明可能是GridCOM Technologies公司，该公司计划在9月前于圣地亚哥推出首个商用量子加密数据网络。尽管该公司最初的重点是保护基础设施——该网络将保护城市部分电网免受网络攻击——但GridCOM联合创始人、前橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）的物理学家邓肯·厄尔（Duncan Earl）希望将带宽扩展到适合手机和个人电脑的更大范围。“五年内，这项技术将无处不在，”厄尔说。“我们即将进入密码学的时代。为了支持我们所创造的世界，我们必须拥有它。”——埃里克·索夫格（Erik Sofge）
传染病卷土重来
1900年，美国的传染病死亡率是今天的40倍。但尽管上个世纪取得了进步，一些疾病已经开始重新出现。美国疾病控制与预防中心（CDC）主任汤姆·弗里登（Tom Frieden）说：“我们正面临一个脆弱性的完美风暴。”他将日益增长的旅行和食品贸易、未能接种可预防疾病的疫苗以及抗生素管理不善列为原因。
出于多种原因，美国的百日咳病例有所增加。首先，20世纪90年代采用的疫苗比之前的疫苗失效得更快。美国更好的诊断测试也可能导致发病率升高。
麻疹已于2000年在美国消除，但当未接种疫苗的人在国外感染了这种高度传染性疾病后，仍会出现病例。疫情最严重的地方是感染旅行者返回到相对有大量未接种疫苗人群的地区。
随着耐药性增强，可用于对抗淋病的药物越来越少——尽管美国还没有出现治疗失败的病例。特别令人担忧的是，这种细菌的“记忆”很长：即使某种药物不再处方，它仍能保持其耐药性。
美国环保基金会（Environmental Defense Fund）组织的16项研究将确定天然气生产和分销对气候的影响
“如果我们想减少温室气体排放，我们就需要了解其来源，包括来自天然气供应链的甲烷，以及如何最大限度地减少泄漏。如果没有数据，你就无法实现这两个目标。”
——史蒂文·汉堡（Steven Hamburg），美国环保基金会首席科学家
_本文最初发表于《大众科学》2014年1月号。_
