比薩斜塔能扶正嗎？

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幾個世紀以來，除了工程師、歷史學家，所有人都對比薩斜塔這座標誌性的鐘樓捏把冷汗，想著不知哪一天它會倒下來。不過大家可以稍微鬆口氣了，根據最近的調查發現，它的狀況比預期還好，在21年前，工程師們努力嘗試讓它恢復直立之後，它又悄悄地站直了4公分。

這項調查是由 Opera Primaziale Pisana（O₽A）委託土木工程師團隊進行的，該組織是為保護歷史遺跡工程而成立的非營利組織。

O₽A 表示，這個有850年歷史的建築，現在水平傾斜約5米，下沉超過3米，但健康狀況良好。

比薩斜塔於1174年開始建造，在頭幾年，事實上是在建造了頭幾層後就明顯出現問題。它的地基建在了泥、沙和粘土構成的不穩定基礎上，而且南邊的地基比較軟。工程師們試圖修正傾斜，讓上一層的北側比南側高，結果讓這座樓既彎曲又傾斜。有趣的是，正因為地基下的軟土，為地震時提供了一些緩衝作用，讓塔結構在搖晃時具有更長、破壞性更小的自然振動週期。使這座「危樓」竟然在四次地震中仍未倒塌。

1987年，聯合國教育科學文化組織世界遺產委員會決議將其收入世界遺產名錄，編號第395號。多年來，隨著傾斜增加，工程師們想方設法讓這座八層高的塔別倒下來，但有時候卻讓問題更糟。到了1990年代，比薩斜塔已向南傾斜5.5度，達到工程師認為會倒塌的程度。

比薩塔的三維掃描©CyArk/Wikimedia Commons/CC BY-SA 4.0

不久後該塔即停止開放，義大利政府聘請了土木工程師 Michele Jamiolkowski 組成專家團隊來研究如何拯救它。他們曾考慮過在塔下灌注水泥，但又覺得這樣做的風險太大，於是改用 816公噸的重物將北側固定下來，企圖平衡南側的沉降，當這個方法無效時，又改把北側下面稍微挖空，讓塔慢慢一邊轉向，一邊扶正，玩過積木的人就知道這是多麼刺激又令人冒冷汗的舉動。經過長達十年的努力，穩定工程終於在2001年完成，塔樓被扶正了44公分，傾斜約3.99度，仍然是1350年完工時的兩倍。

2013年，澳洲國家科學機構 CSIRO 的研究人員用 3D 掃描儀繪製了該塔的每一個角落，重建比薩斜塔的數位模型，對其修復工作有相當的幫助。

監測小組成員之一的比薩大學岩土力學教授 Nunziante Squeglia 表示，塔樓現在只有很輕微的搖擺，平均每年擺動約半毫米，穩定性比預期好。

在義大利這個古老的國家，比薩斜塔並不是唯一因可能倒塌而受到關切的建築。幾世紀以來，科學家們一直關注米開朗基羅的大衛腳踝上的裂縫，2014年的一篇論文表示，傾斜約5度的裂縫可能導致這座世界上最完美的雕像倒塌，此文一出，大衛的問題立刻受到廣大重視。

雖然大衛的命運仍岌岌可危，但慶幸的是至少比薩斜塔在未來300年內應該安全，一些工程師甚至認為修復工作成功機率很高，比薩斜塔有一天可能會自我扶正。不過這樣一來，我們又面臨另一個問題了：比薩斜塔若真站直了，它還能叫「斜塔」嗎？

世界人口超過80億，我們需要擔心嗎？

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11月15日，地球人口達到80億，比11年前多大約10億。一些環保主義者警告，地球無法養活這麼多人，但也有些科學家不這麼認為。

80億，這個數字是個里程碑，但隱藏在數字之下的是世界變化的趨勢，而這些趨勢真正解釋了世界自70億人至今是如何變化的。兩個例子可以說明，在過去十年裡，生活在極端貧困下的人口比例穩定下降。（2010年，世界上有16.3%的人每天生活費不到2.15美元，而今天只有9%），而印度和中國在過去十年中為世界帶來了最多新生兒，但即使人口激增，人均GDP和預期壽命都在上升。簡單地說，今天有更多人比人類歷史上任何時候都生活得更好。

人口學家認為從趨勢來看，世界人口只會不斷增加，而許多相關報導都認為80億人口將對氣候產生嚴重影響，直觀地說，更多的人口意味著更多的碳排放，但這是在一切不變的前提下。氣候解決方案機構 Project Drawdown 估計，若有更好的計劃生育和教育，2050年時將可減少 689 億噸的二氧化碳排放，大約相當於兩年的化石燃料和工業排放。

我們應當思考，當論及人口過剩時，指的是誰？生活在美國的人，平均每年每人排放大約15噸二氧化碳，2050年時，大部份人口增長將集中在八個國家，但它們的人均排放量只是美國人的一小部份。以剛果民主共和國為例（DRC），預計未來20年將增加超過1.2億人，但每人每年只產生30公斤二氧化碳。溫室氣體的排放是消費的結果，而不僅是人口。

世界上最富有的人也是最大的排放者。一項研究發現，當富裕國家中產階級的排放量下降時，最富有的0.001%的人的排放量卻上升107%。Bath 大學研究行為和氣候變化的心理學家 Lorraine Whitmarsh 表示，我們沒有能力在地球上擁有更多富人，如果真的想減少排放，那麼從降低發達國家的消費著手，是最有意義的。

讓婦女獲得良好的教育和自願的計劃生育是一個有效的做法，因為這將使更多人享受更好的生活。在剛果民主共和國，受過中學以上教育的婦女平均有大約三個子女，而沒有受過同等教育的婦女則有七個以上的子女。

瑞典 Lund 大學氣候科學家 Kimberly Nicholas 表示，只有在相當長期的穩定氣候下才能發展出今日的世界，但若氣候持續惡化，人們將無法繼續擁有基本自由和人權的生活。地球的未來不僅關係著人類的數量，也與他們是否能有好的生活、穩定的政府、獲得醫療保健和基本人權。不能只把人口看成一個數字，一群沒有臉孔的群體而不考慮地位及人性，而解決氣候危機的挑戰之一是必須擴大我們同理心的範圍，而不僅是最親密的家人和朋友。

2017年 Nicholas 發表了一項有關改變生活方式對碳排放影響的研究。從長遠來看，每個人對這項議題所能做出最大的影響就是少生一個孩子，不過她也認為是否生孩子是一項必須維護的基本人權。無論是世界人口是80億還是100億，如何讓每個人都過好日子才是重點，但是預防災難性氣候變化的巴黎協定的努力很快就會耗盡，地球未來的人口容納量完全取決於現在的行動。

WIRED

科學家研發出壽命長、產量高的多年生水稻以因應糧食需求

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世界上主要的糧食作物：水稻、小麥、玉米，在每次收成後都必須重新栽種，這對農民來說是一件繁重的工作，而且可能導致環境問題，例如土壤的侵蝕等。培育壽命長、產量高的多年生作物是解決方案之一，但也充滿挑戰。

中國研究人員發表了一個經過20多年研發出來的新水稻品種「多年生水稻23」（PR23），它是由亞洲水稻的商業品種與非洲的多年生野生稻雜交培育而成。雲南大學研究人員在2018年將PR23提供給農民進行大規模實驗，以了解這種水稻可以收獲多少次，並評估產量及效益。

PR23的產量和普通季節性水稻一樣多，第一年的種植成本也大致相同，但是第二年農民可以省去移栽稻苗的工作，這個辛苦的工作通常落在婦女和兒童身上，省了這個步驟，每季每公頃減少了77人日的工作量，將農民的成本降低一半，而栽種多年生水稻的田地土壤養份也增加，不過到了第五年，產量就會大幅下降，多年生稻也需要重新種植。

在雲南大學和政府的推動下，越來越多農民開始種植 PR23。去年在中國南部的種植面積超過15,000公頃，比2020年增加4倍。和 PR23 類似的品種也正在非洲進行試種，但仍需開發更適應乾燥環境和不夠肥沃土壤的品種，多年生水稻還可以減少東南亞梯田高地的水土流失，不過它也有些問題，譬如雜草和病原體會在長期未被翻種的田地積累，因此需要施用比傳統水稻更多的除草劑，另一個問題則是新品種水稻有可能排放更多含亞硝酸鹽的溫室氣體，不過多年生水稻的低成本和高效益仍為關注的焦點。

Science, 2022 BREAKTHROUGH OF THE YEAR

模型預測，若中國取消清零政策，將出現大規模死亡潮

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雖然中國當局正面臨龐大的反對清零政策抗議，並小心翼翼地採取解封行動，但數學模型顯示，中國對與 SARS-CoV-2 共存仍然準備不足。立即放寬限制可能引發大規模感染潮，醫療體系將不堪重負而崩潰，並造成大量死亡。

紐西蘭惠靈頓的 Otago大學公衛生科學家 Nick Wilson 表示，中國沒有達到很高的疫苗接種率，沒有使用最好的疫苗，而且在解封的準備工作，包括提高疫苗接種率，儲備抗病毒藥物，以及提高特別醫療能力上一直非常緩慢。

激烈的抗議活動使政府不得不在清零政策上採取一些改變。例如，一些省份開始放寬不須COVID-19檢測陰性證明即可進入公共交通、餐館和購物中心，並允許感染者的密切接觸者在家隔離，而不是送到隔離中心。不願透露姓名的中國科學家說，這些措施是小但重要的步驟，接下來應該會有更多放寬，這舉將可緩解一些疫情疲勞，減少經濟和社會的負擔。

但模型說明了為何中國政府仍然希望保持封控。5月發表在《自然醫學》(Nature Medicine) 上的一篇基於3月份疫苗接種率的研究預測，若取消清零封控，6個月內將會產生COVID-19病例海嘯，出現1.12億名有症狀病例，270萬名需進入重症加護病房（ICU），160萬人死亡。對 ICU 床位的高峰需求將達到 100萬床，是可提供容量的15倍以上。這篇由復旦大學研究人員所提出的報告顯示，未接種疫苗人數將佔死亡人數的77%。提高疫苗接種率可以減少死亡人數，但是中國老人一直排拒接種疫苗。即使今日，全國總人口接種兩劑的比例為90%，只有40%的人接種了加強劑，而80歲以上的老人只有66%接種了兩劑疫苗。

以香港為例，今年年初 Omicron 病毒大爆發導致近6,000人死亡，其中96%是60歲以上的人。當時香港疫苗接種率甚至比大陸還低，今年前3個月，香港的COVID-19死亡率為每百萬人37.7人，仍是全國最高。

總部設在倫敦的健康分析公司 Airfinity 於11月28日發佈的一項新研究顯示，中國在抗疫上仍然脆弱，若現在解除清零，可能會在83天內造成1.67億至2.79億病例，130萬至210萬人死亡。

除了疫苗接種率之外，中國所採用的滅活病毒疫苗，效力不如mRNA疫苗。在香港的一項研究中發現，對60歲以上老人，注射三劑任何一種疫苗都對預防重病和死亡都有超過90%的效果，但兩劑mRNA疫苗的效果明顯好於兩劑滅活病毒疫苗。

2021年5月，BioNTech和中國的上海復星醫藥同意成立一個持資各半的合資企業，在中國生產和銷售BioNTech的疫苗，但該產品一直沒有獲得監管部門批准，也許是為了保護中國的國產疫苗。有四家中國公司正在開發mRNA疫苗，但也沒有一家獲得許可。輝瑞公司的COVID-19藥物Paxlovid在中國有售，還有一種本地生產的抗體療法，但不清楚中國有多少劑量。

大陸當局仍然希望提高老年人的疫苗接種率。國家衛生委員會11月29日的發布命令要求地方當局成立小組，挨家挨戶評估病弱者是否可安全接種疫苗，並展開教育活動，降低對疫苗的疑慮。但這些努力都需要時間，耶魯大學公共衛生學院的公共衛生科學家陳曦表示，過早解封將排擠資源，壓垮醫療體系，並造成更多死亡。中國困在了自己製造的陷阱中。

Nature, doi: 10.1126/science.adg1709

物理學家以量子電腦模擬並觀察蟲洞行為

Credit: inqnet/A. Mueller (Caltech)

科學家們首次創建了一個研究蟲洞動力學的量子計算實驗，通過時空的捷徑，可以繞過相對論的宇宙速度限制。

蟲洞一向是科幻小說的熱門題材，從電影《接觸未來》到《星際效應》，都以蟲洞將觀眾帶入時空轉換的奇幻情境。加州理工學院物理學家 Maria Spiropulu 所帶領的團隊則希望從物理學的角度來研究其真實性。

Spiropulu 與加州理工學院物理系的 Shang-Yi Ch'en 教授的團隊，首次在量子電腦上開發出一個實驗來模擬並研究蟲洞動力學。這項實驗並沒有真的創造出蟲洞，但可據此來測試理論蟲洞和量子物理學間的關聯，有關量子引力的預測。量子引力指的是一種嘗試將引力與量子物理學聯繫起來的理論，這兩個在物理學上均已被充份研究的領域，在本質上卻不相容。其中一個大問題是蟲洞傳送是否能遵循已被證實的量子糾纏原理（兩個粒子可以跨越遙遠距離，不受光速限制而保持聯繫的現象）。

蟲洞是時空中兩個遙遠區域間的橋樑，它們還沒有被觀察到，但科學家對它們的存在和特性已透過理論探索近百年。愛因斯坦和Nathan Rosen 在1935年，根據廣義相對論的預測將其描述為穿越時空結構的隧道，並以這兩位物理學家之名命名為「愛因斯坦-羅森橋」(Einstein–Rosen bridges)，而「蟲洞」一詞是則是由物理學家 John Wheeler 在1950年代提出來的。

量子糾纏是由物理學家 Juan Maldacena 與 Leonard Susskind 在2013年首次提出。物理學家推測，蟲洞（ER）等同於糾纏（EPR，Albert Einstein, Boris Podolsky and Nathan Rosen，首次提出此概念）。2017年，Jafferis 與 Ping Gao、Aron Wall 將ER = EPR的想法擴展到不僅是蟲洞，而是可穿越的蟲洞。科學家們假設，若負質量的斥能量使蟲洞開啟夠長的時間，便可形成傳輸的通道，而這種穿越蟲洞的引力描述，等同於利用已獲得證明的量子糾纏訊息傳輸。

為了推動這些想法，2019年 Jafferis 和 Gao 表明，透過兩個糾纏的Sachdev-Ye-Kitaev (SYK) 模型，應該能夠進行蟲洞傳送，並對其進行測量。

後來 Spiropulu 和她的團隊根據以上想法，設計出把量子糾纏應用於蟲洞動力學的電腦計算模型，這個模型基於 Sachdev-Ye-Kitaev (SYK) 的理論框架，能在現有的量子架構中進行編碼，並保留其引力特性。其中最大的挑戰是這個程序必須在量子電腦上執行，而強大的 Google Sycamore 量子處理器在傳統機器學習工具的協助下可以勝任。

實驗中，研究人員在兩個糾纏系統之一的編碼中插入了一個量子位元(qubit)，然後看到它在另一個系統中出現，就好像訊息透過量子糾纏效應，通過可穿越的蟲洞，從一個量子系統（黑洞）傳送到另一個量子系統（黑洞），而且研究小組還發現，當在計算中使用負能量時，蟲洞模擬允許訊息從一個系統流向另一個系統，但在正能量下則不允許，這都與理論預測的蟲洞相符，儘管如此，還是讓研究團隊大感驚訝。

研究人員希望未來能將這項工作擴展到更複雜的量子電路上，雖然真正的量子電腦可能還需要幾年的時間，但團隊計劃繼續在現有的量子計算平台上進行同性質的實驗，以對量子糾纏、時空和量子引力間的關係有進一步的認識。

Nature, Caltech News

月球表面磁場異常現象新解

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自阿波羅時代以來，月球表面的磁場分布異常一直是個難解的問題。由中國科學院地球化學研究所的地球科學家郭壯領導的一項新研究，透過嫦娥5號送回的月球土壤樣本，對月表異常強磁場提出了新的解釋。

郭壯的團隊分析2020年12月由嫦娥5號探測器送回地球的月球土壤，發現了過去在月球土壤樣本中很少見的磁鐵礦顆粒。對於行星科學家來說，磁鐵礦的存在非常重要，它是追溯磁場歷史的重要線索。磁鐵礦是一種強磁性的鐵礦石，在球形硫化鐵微粒中被發現，類似熔融的液滴。

新的研究指出，月球上的磁鐵礦可能是在大型撞擊中產生。研究團隊推測，磁鐵礦可能廣泛分佈在月壤中。由於沒有大氣的保護，月壤在太陽風質子流的持續轟擊下，使鐵較難與氧結合形成礦石。不過從月壤中硫化鐵顆粒型態和氧的分布顯示，大型撞擊下的高溫高壓會使熔體與氣體反應而形成磁鐵礦，並隨撞擊噴濺到遠處，這成功解釋了撞擊點附近的磁場異常現象。

月壤晶粒邊緣一圈等距的純鐵，以及在隕硫鐵（Troilite）和磁黃鐵礦（Pyrrhotite）基質中廣泛分佈的氧化鐵（Mag）和純鐵（Fe0）包裹體©郭壯

Nature Communications

在月球上可以看到埃及金字塔或中國長城？太空人可不這麼認為！

英國、荷蘭、比利時和法國的城市燈光，ISS 攝於 Sep. 15, 2021©NASA

當《星際爭霸戰》中飾演寇克艦長的演員威廉-夏特納（William Shatner）去年踏上太空之旅時，壯麗的景色讓他淚流滿面。他描述回望地球時除了感動，還有一種很特殊的悲痛感，就像剛得知親人死訊。科學家們把這種感覺稱為「總觀效應」(overview effect)，常發生在太空人身上，當他們回望地球時，生出與這個星球和上面的人們強烈的連繫感。

當然，太空旅行者看到什麼，完全取決於他們飛得多高。夏特納和其他太空遊客飛到100公里高處，而國際太空站的太空人則在420公里以上的軌道飛行，少數到達月球的太空人則在離地球364,000公里以外。

近年來有幾位太空人，像英國的 Tim Peake和加拿大的 Chris Hadfield 等人，在媒體上透過照片和描述來分享他們的經驗，讓人們瞭解在太空中到底能看到甚麼景象。

當乘客從飛機的窗戶向外看時，他們可能身處於11~13公里的平流層中，天氣晴朗時可以看到水壩、橋樑、紀念碑和其他人造的結構物。

平流層之上的中氣層高約50至80公里，這裡是雲能形成的最高極限。再往上是增溫層，範圍從海平面以上80至710公里，包括大多數太空計畫公認的太空起點-卡門線（100公里）。

國際太空站的高度約420公里，在增溫層中。太空站中的太空人形容因為每92分鐘就圍繞地球一圈，所以視野總是不斷變化，從國際太空站上可以識別出蜿蜒穿過城市或森林的河流，閃亮的城市燈光，以及看起來像拼接棉被的農田。他們還從溢出海洋的紅色土壤，看到馬達加斯加等地森林被砍伐的情況，也可以發現使水變色的浮游植物群，以及漩渦狀的颱風。透過長焦的相機鏡頭，太空人可以放大城市或窺視埃及金字塔等人造建築；但國際太空站的速度太快，所以只有片刻時間來抓取鏡頭。但如果沒有相機，他們是無法辨識出金字塔或看見中國的長城。

尼爾-阿姆斯壯(Neil Armstrong)打破了從月球上可以看到人造建築的神話。在他的NASA 口述歷史中，他說他只能看得到大陸，特別是格陵蘭島，因為它在藍色海洋中呈現很顯目的白色，非洲也很清楚，當中反光的亮點可能是查德湖。

盡管阿姆斯壯提供了第一手的觀察，但從月球上可以看見金字塔或長城的說法還是一直存在。阿姆斯壯與其他登月太空人，以及國際太空站上的太空人都認為，如果沒有長鏡頭的攝影裝置，他們無法從太空看到這些物體。

顏色的對比是能否從太空中看到某物的關鍵因素。例如，從國際太空站上很容易辨識出穿過淺色地形的深色河流，但長城的顏色與周圍環境相似，因此即使有攝影設備也很難從高空看到它。

盡管長城給地面上的人們留下了深刻印象，但許多太空人將燈光描述為太空中最耀眼的視覺。例如，Jeffery Hoffman 在1985至1996年間進行了五次維護衛星和太空望遠鏡的太空梭飛行任務。Hoffman 表示，在數百公里的高空中飛越太平洋只需要30分鐘，當太空梭接近美國西岸時，打破海洋一片黑暗的城市燈光讓船員們迷眩，拉斯維加斯大道上的燈光亮得離譜，不用任何設備就能看到，他形容從太空俯視這個大城，就像在地球上仰望星空一樣。你被光點所包圍，腳下是燈光，而頭頂則是星光！

Astronomy, Emilie Le Beau Lucchesi