加州理工学院2023年重大科研成果

　　科研成果一：地震和月震的研究

　　加州理工学院的研究者利用现有的地下光纤电缆，获得了关于地震物理学的新见解，这些见解可能会改进早期预警系统。同时，他们研究了加利福尼亚州塞拉内华达山脉东侧的地震群，得出结论认为长谷火山口——一次76万年前火山爆发的遗迹——仅仅是在受到古老事件影响后的自然沉降，而不是在向另一次爆发迈进。

　　更远的月震也在研究之列。研究人员使用了五十年前阿波罗宇航员在月球表面放置的地震仪的数据，借助机器学习，他们发现，月球的震动比地球更频繁且更可预测，主要原因是其无大气层表面经历的极端温度变化。除了这些”热”月震外，还发现每天早晨都会发生规律性的月震，这是由废弃的阿波罗17号月球着陆器结构在表面温度变化时膨胀和收缩引起的震动。

　　加州理工学院的研究人员还支持了一个理论，即月球本身是地球与另一个行星体(称为希娅)碰撞的结果。此外，一项建模研究表明，我们太阳系的内行星和外行星的卫星，以及宇宙中无数的“超级地球”，可能都是一种发生在恒星或行星周围狭窄带内的岩石行星形成机制的结果，在这里，相互竞争的力量将蒸汽转化为固体。

　　科研成果二：宇宙观测和发现新行星

　　感谢加州理工学院领导的Keck Cosmic Web Imager在夏威夷的莫纳克亚山顶的W. M. Keck天文台获取的光谱发射数据，我们能够以前所未有的精度观测到宇宙网，即喂养星系的气体流。加州理工学院的团队还发现了一个热气巨行星，大约是我们木星大小，位于距离我们12000光年的地方，正被它的恒星吞噬(就像我们的太阳将在50亿年后吞噬水星、金星，可能还有地球)。此外，还发现了一个非常不寻常的白矮星，它每15分钟在其轴上旋转一次，向地球基地望远镜展示两个非常不同的面孔，一个主要由氢组成，另一个由氦组成。

　　Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav)使用从监测已死恒星，即脉冲星的射电望远镜获得的数据，增强了加州理工学院天文学家的信心，除了LIGO(位于华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的激光干涉引力波天文台)能探测到的由超大质量事件产生的引力波外，宇宙中还存在着一种背景嗡嗡声，或者说是引力波的缓慢滚动的海洋。而LIGO本身则通过一种称为“压缩”的技术，将其观测扩展到量子极限之外，该技术允许操纵量子噪声以改进即将到来的引力波的检测和分析。

　　在更接近我们的地方，加州理工学院天文物理学中心的地下室在2023年全年作为测试SPHEREx(Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization and Ices Explorer)空间望远镜仪器的场所。SPHEREx计划于2025年发射，将以红外波长绘制整个天空的地图。

　　科研成果三：通过现代科学和古文献了解自己

　　钠是人类的关键营养素，但摄入太少和过多之间有很细微的界限。今年，加州理工学院的生物学家确定了大脑中的区域，这些区域在我们需要时让我们对盐产生食欲，并能够容忍食物和水中高水平的盐分。他们还使用机器学习获得了对愤怒的独特神经机制以及我们对艺术美的感知的洞察。

　　尽管新技术有很大的应用前景和探索能力，但它们无法探究几个世纪前人们的行为。为此，加州理工学院的一位历史学家开发了一种方法，利用当时教会当局收集的记录经济交易、婚姻、离婚、继承、争端等的文档，来更多地了解早期中世纪欧洲的普通人。

　　科研成果四：通过人工智能、可穿戴传感器和人造胚胎改善人类健康

　　2023年，加州理工学院(Caltech)的研究人员继续通过多种方法改善现代医学和人类状况，这些方法包括人工智能(AI)、计算机模型、可穿戴传感器、尖端成像技术等。

　　加州理工学院的研究人员及其同事提出了一种新方法，利用AI帮助外科医生评估和提高他们的表现，同时，加州理工学院的医学工程师进一步增强了可穿戴汗液传感器的功能，这些传感器现在可以监测雌激素和C反应蛋白(一种炎症标志物)的水平，并开发了一种“智能”绷带，承诺通过监测炎症或细菌感染的迹象来改善慢性伤口护理。

　　由干细胞制成的类胚胎模型模仿了人类胚胎发育的第二周，可能很快就会为某些怀孕失败的原因、某些缺陷和疾病的产生提供新见解，并帮助科学家弄清楚如何发展用于移植的合成人体器官。

　　在更小的尺度上，加州理工学院的研究人员调查了一种特定类型的噬菌体(一种针对细菌细胞的微小病毒)称为φX174是如何逃离其细菌宿主并成功感染和摧毁更多细菌细胞的机制。这项工作可能会导致治疗对现有抗生素有抵抗力的细菌感染的新疗法。研究人员开发了一种新的分子成像装置，可以在单分子水平上可视化材料，并设计了一种使用超声波和气囊的新型药物输送平台，显示出更直接针对癌细胞的化疗的前景。

　　在COVID-19方面，加州理工学院的研究人员开发了一种更敏感的在家COVID-19抗原测试，该技术可用于设计其他病原体的测试，并结合了当前COVID-19疫苗中使用的两种不同技术——mRNA技术和蛋白质纳米颗粒技术——制造出一种强效的混合疫苗。在其他工作中，生物学家提出了关于人类免疫缺陷病毒(HIV)在原子尺度上的生物过程的新见解。

　　科研成果五：热浪、空气污染和太空太阳能

　　加州理工学院继续调查气候变化的驱动因素，并开发替代能源。自2014年以来，加州法律要求减少甲烷排放，但加州理工学院的一项研究发现，洛杉矶地区的甲烷排放量下降得比公用事业公司估计的要慢得多。在其他工作中，研究人员显示，洛杉矶县最近的破纪录热浪比富裕地区对低收入地区的影响更大，并开发了新技术，用于理解挥发性有机化合物自然转化为气溶胶的化学过程，这将使科学家能够更好地预测气溶胶对环境和人类健康的影响。

　　在绿色能源方面，2023年1月，加州理工学院太空太阳能项目(SSPP)将一种仪器发射到地球轨道上，该仪器收集太阳能并无线传输到地球。春天，这种仪器，即太空太阳能示范器(SSPD)，成为第一个成功接收太阳能并将其传输到地球的仪器，在加州理工学院校园的戈登和贝蒂·摩尔工程实验室的屋顶上检测到了一个接收器。

　　科研成果六：进化光学、变色塑料和强大的变形机器人

　　加州理工学院的科学家和工程师鉴定、工程化并设计了一系列新设备和材料，有可能重塑我们的世界，包括创造出当应力施加到它们身上时会改变颜色的聚合物，使应力的位置可见;以原子尺度混乱排列的金属3D打印，令人惊讶的是，它们比具有更有序结构的类似尺寸材料强三到五倍;以及3D打印的纳米级光学设备，它们如此之小，可以将不同颜色的光导向相机图像中的单个像素。

　　在更大的尺度上，加州理工学院的工程师创造了M4，即多模态移动形态变形机器人，这是一种受生物启发的机器人，能够进行八种不同类型的运动(包括飞行、滚动和行走)，并能感知即将到来的地形并选择最有效的运动形式。

　　科研成果七：量子声音、量子显微镜、量子擦除器和一个新的量子研究中心

　　加州理工学院作为量子研究的首要中心之一，今年夏天举行了艾伦和夏洛特·金斯堡量子精密测量中心的奠基仪式。该中心将作为精密测量、量子信息和探测引力波(或时空中的波纹)的跨学科家园。

　　在关于量子领域的其他新闻中，一种将电子量子态转换为声音并再次转换回来的新方法被揭示，允许设备将声音(像光一样，既是粒子又是波)存储起来，用于未来的量子计算机。其他研究人员通过量子纠缠将显微镜的分辨率提高了一倍，在量子纠缠中，两个粒子的各自状态即使它们不接近，也会相互联系。纠缠是今年开发的“量子擦除器”的核心，它可以消除量子计算机中某些类型的错误。

　　科研成果八：“蜿蜒、游泳和旋转 – 以数字观察动物的运动

　　最终，在自然界的现象通过数学方式进行映射时，揭示了一些惊人的一致性，包括这样一个发现：当非常不同的动物——如蛇、单细胞生物和魟鱼——通过改变形状来移动时，一个单一的数学算法就能成功描述它们的运动。”

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