在一篇發表於《iScience》的新論文中，復旦大學天體物理學家白明（Cosimo Bambi）提出一個大膽的構想：發射奈米探測器前往距離地球約 20 至 25 光年的黑洞，進行跨世紀的實驗，以檢驗強重力場下的物理定律與廣義相對論的極限。

黑洞擁有宇宙中最強大的引力場，是測試愛因斯坦理論的理想實驗室。雖然目前人類的技術遠不足以執行這類任務，但白明指出，在未來 20 至 30 年內，相關科技的進展可能使這項「看似瘋狂」的計畫逐漸成為現實。

目前已知距離地球最近的黑洞是 2022 年發現的「Gaia BH1」，距離約 1560 光年。不過理論推算顯示，可能在僅 20 至 25 光年的範圍內就存在隱藏的黑洞。由於黑洞本身不發光，也不反射光，傳統望遠鏡難以直接探測，科學家只能透過觀測其對鄰近恆星的影響或光線的扭曲來推斷。不過，隨著新方法不斷發展，未來十年內找到更近黑洞的可能性並非遙不可及。

利用雷射推壓　可達1/3光速

找到目標後，另一個難題是如何抵達。傳統火箭無法勝任，白明提出「奈米探測器」方案：僅克重的晶片與光帆組成的小型探測器，利用地面雷射的光壓推進，可達光速的三分之一。這樣的速度可望在 70 年內抵達 20 光年外的黑洞，再加上 20 年的數據傳回時間，整個任務約需 80 至 100 年。

若能成功，這將是人類首次在黑洞附近進行實驗，可能回答一些最深刻的物理問題：黑洞是否真的擁有事件視界？物理定律在極端重力下是否改變？廣義相對論是否依然成立？

白明承認，目前僅雷射系統的造價就約一兆歐元，而奈米探測器的製造技術也尚不存在。但他指出，科技發展可能在數十年內大幅降低成本。「一個世紀前，沒人相信能探測到微弱的重力波，如今我們做到了；五十年前，黑洞的影像仍屬科幻，現在我們已有照片。」

這項提案或許遙遠，但它象徵人類探索宇宙極限的雄心，以及科學從不斷突破到實現的可能性。

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首圖來源：Cosimo Bambi(CC BY 4.0) 

圖片來源：iScience (CC BY 4.0) 

參考論文：
1、An interstellar mission to test astrophysical black holesiScience

延伸閱讀：
1、發現宇宙最巨黑洞　質量達360億太陽質量、刷新天文紀錄

<p>The post 奈米探測器飛向黑洞？科學家提構想挑戰極端重力謎題 first appeared on 明日科學.</p>

在我們的想像裡，分子似乎只是冷冰冰的小顆粒，按著化學定律安分地互動。但事實上，它們的行為比我們想像的更熱鬧，甚至能上演「你追我跑」的戲碼。當一種分子 A 喜歡接近分子 B，但 B 卻對 A 退避三舍時，整個系統就會展現出一種自發的「追逐」動態；如果雙方互相吸引或互相排斥，那麼結果通常就是相對靜止的「分家」——形成類似油滴在水中分離的狀態。

這些互動模式，過去被科學家用來理解「生命物質」如何自組織。然而，馬克斯普朗克動態與自組織研究所（MPI-DS）的物理學家蘇若普里亞·薩哈（Suropriya Saha）和戈列斯塔尼安（Ramin Golestanian）提出了全新觀點：如果把「非線性」這個現實中普遍存在的因素加入模型，分子的行為會更複雜、更難以預測。

所謂「非線性」，簡單理解就是關係不再固定比例，而是會隨著環境或條件出現突變。例如，在新模型中，分子 A 原本是追逐者，B 是逃跑者，但系統可能在某個時刻突然翻轉，A 變成被追的一方，而 B 開始主動追逐。這種角色互換讓分子間的關係不再單調，而是隨時可能翻盤。

一邊局部追逐一邊分化　非互惠且非線性

研究結果更令人驚訝：「追逐—逃跑」與「相分離」這兩種狀態不再是二選一，而是能在同一系統中同時存在，甚至互相切換。 這意味著分子集合體可能一邊在局部展開追逐遊戲，一邊又在另一處分化出穩定的分離結構。整體行為看似混亂無章，實際上卻蘊含著複雜的動態規律。

戈列斯塔尼安指出，在真實的生物系統中，這種「非互惠且非線性」的互動其實更像常態，而不是例外。細胞內許多蛋白質的聚合、分散，甚至早期生命的自組織，很可能都依賴這種動態互動。這讓人聯想到生命誕生初期，分子世界或許就是在這樣的混沌遊戲中逐漸形成秩序，進而孕育出更高層次的生命結構。

換句話說，分子的互動並不是單純的「喜歡」或「討厭」，而是一場隨時可能逆轉的「混沌遊戲」。這種模型不僅幫助科學家更好地理解活體系統的複雜性，也為探索生命起源提供新的思路。畢竟，生命的美妙或許正來自這些看似混亂卻充滿創造力的分子舞步。

相關研究刊登在最新一期的《自然通訊》。

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首圖來源：MPI-DS, LMP(CC BY 4.0) 

圖片來源：Nature Communications (CC BY 4.0) 

參考論文：
1、Effervescence in a binary mixture with nonlinear non-reciprocal interactions

Nature Communications

延伸閱讀：
1、哈佛科學家成功使用分子進行量子運算

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你可能聽過「天下沒有白吃的午餐」，物理學家也有一句老話：「熱機的效率不可能超過卡諾極限(Carnot limit)」。這條由法國科學家 Sadi Carnot 在 1824 年立下的規矩，兩百年來被奉為鐵律。但現在，有研究團隊大膽提出：也許我們的午餐真的能「白吃」一回。

這項發表在《Physical Review Letters》的研究，介紹了一台被暱稱為「賭博式卡諾引擎」的新型熱機。顧名思義，這台引擎玩的是一種「資訊博弈」：它利用一個微小的膠體粒子（想像一顆泡在水裡的塑膠小球），再加上來自「麥克斯威惡魔」的幫忙──這個惡魔並非真的長角，而是高速監測粒子位置的雷射與電腦。當粒子因熱運動晃到某個「幸運位置」時，惡魔立刻喊「ALL IN！」，迅速跳過原本耗能的壓縮過程，讓引擎近乎零成本完成工作。

把蒐集資訊的能量算進去依然符合總帳

這種機制和賭場黑傑克頗像：有好牌就押、沒把握就跳過。長期下來，引擎的效率竟能超過卡諾極限，理論上甚至逼近 100%。聽起來像作弊？研究人員解釋：其實並沒有違背熱力學。因為當你把「蒐集與抹除資訊」的能量消耗也算進去，總帳仍舊遵守卡諾規則。只是這一次，資訊成了遊戲裡的籌碼。

這台引擎雖然目前還只存在於數學與模擬，但研究團隊強調：使用的參數都是實驗室能做到的。真正的難題是「手速」──要以每秒十萬次以上的頻率監測與反應，才抓得住粒子的隨機晃動。不然，就像賭徒出手太慢，黃金時刻一閃而逝。

如果未來真的能在實驗室成功打造，這種「賭博式引擎」或許能啟發奈米機器、分子引擎的新設計。兩百年前卡諾定律樹立了熱力學的金科玉律，而如今，科學家們像老練的玩家一樣，試著在規則邊緣找到新玩法。看來，就連宇宙最嚴肅的法則，也難逃一場精心算計的「科學博弈」。

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首圖來源：Édgar Roldán BY 4.0) 

圖片來源：Physical Review Letters(CC BY 4.0) 

參考論文：
1、Gambling Carnot EnginePhysical Review Letters

延伸閱讀：
1、物理學家藉由重新定義「熵」解決「量子力學」與「熱力學」的矛盾

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美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）團隊近日在《Nature》發表突破性研究，成功開發出一種幾乎零耗能的生成式人工智慧（AI）影像系統，有望大幅降低當前生成式 AI 對能源與運算資源的龐大需求。隨著生成式 AI 廣泛應用於藝術創作、程式設計、藥物研發乃至日常溝通，能耗問題日益凸顯，這項新技術提供了一條全新的節能道路。

傳統的 AI 影像生成器仰賴「擴散模型」運作：演算法先將訓練影像逐步加入雜訊，直到畫面完全消失；生成時再從「隨機雜訊」逐步去除干擾，最終還原成所需的影像。雖然效果卓越，但每一次生成都需要龐大的運算資源，若要製作數億張影像，能耗與時間成本極高。

以「光學」取代「數位運算」 省掉數百萬次運算

UCLA 團隊提出的創新之處在於以「光學」取代「數位運算」。研究人員先透過數位編碼器產生初始雜訊，再利用液晶空間光調制器（SLM）將雜訊圖案刻印到雷射光束上，最後通過第二個解碼 SLM 將其直接轉換為完整影像。換言之，原本需要數百萬次數值運算的過程，如今可由光的傳輸與調制即時完成，能耗幾乎可以忽略不計。

研究團隊測試了多種題材，包括名人照片、蝴蝶圖像以及梵谷風格的彩色畫作，結果顯示成品效果與傳統數位生成器相當，但所需能量遠遠更低。第一作者陳世琦指出：「我們的光學生成模型能以極低能耗合成無數影像，為數位 AI 提供一種可擴展、環保的替代方案。」

這項技術的潛在應用十分廣泛，不僅能降低 AI 內容創作的碳足跡，還可能被應用於虛擬實境與擴增實境裝置，即時生成影像與影片，甚至整合進智慧型手機或穿戴式電子產品，如 AI 眼鏡。由於速度快且耗能低，它為生成式 AI 的普及帶來嶄新契機。

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首圖來源：NatureBY 4.0) 

圖片來源：Nature(CC BY 4.0) 

參考論文：
1、Optical generative modelsNature

延伸閱讀：
1、日本研究團隊研發新技術，高效將二氧化碳轉化為燃料

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喝啤酒時，最迷人的畫面之一就是那層雪白、綿密的泡沫。但為什麼有些啤酒的泡沫一喝就塌，有些卻能穩穩地撐住？ETH蘇黎世的科學家們花了七年時間，終於找到答案：比利時的三次發酵啤酒泡沫最耐久，而拉格啤酒的泡沫則最容易消散。

研究發現，啤酒泡沫的祕密不只是蛋白質。以往大家認為，泡沫的穩定靠的是麥芽蛋白讓氣泡表面變得黏稠，就像一層「保護膜」。但對於多次發酵的啤酒，更重要的竟然是「Marangoni效應」——當氣泡表面張力不一時，會產生微小的流動，像是隱形的小水流，不斷幫泡沫修補和加固，讓它更持久。

多次發酵的啤酒泡沫更持久

其中，名叫LTP1的蛋白質是泡沫的「幕後英雄」。在拉格啤酒中，它保持原貌，像小球一樣擠在氣泡表面；第二次發酵後，它被酵母稍微「改造」，變成網狀結構；第三次發酵時，它徹底改頭換面，出現一頭親水、一頭疏水的片段，就像清潔劑裡的界面活性劑，能大幅強化泡沫。這就是為什麼三次發酵的比利時啤酒泡沫特別持久。

研究團隊還提醒，泡沫並不是「越黏越好」。如果隨意增加蛋白質或添加劑，反而可能破壞Marangoni效應，讓泡沫更快消失。啤酒之所以能自然達到最佳平衡，是因為多重機制的巧妙配合。

這項研究不只對啤酒愛好者有意義，也能幫助釀酒廠改良泡沫品質。更有趣的是，這些成果還能應用到汽車潤滑油消泡、環保材料設計，甚至改善牛奶泡沫的穩定性。換句話說，一杯啤酒上的小小泡沫，其實蘊藏著跨足食品、能源到環境工程的科學啟示。

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首圖來源：Pixabay/CC0 Public Domain(BY 4.0) 

圖片來源：Physics of Fluids(CC BY 4.0) 

參考論文：
1、The Hidden Subtlety of Beer Foam Stability: A Blueprint for Advanced Foam FormulationsPhysics of Fluids

延伸閱讀：
1、人工智慧打造絕佳啤酒口感：比利時釀酒新科技

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美國國防部的實驗衛星 STP-Sat6 在地球靜止軌道上收集到的最新數據，揭示了太空中衛星表面放電（Spacecraft Environment Discharges, SEDs）的成因。這類短暫的電性擊穿現象，雖然看似微小，卻可能對精密電子設備及通訊系統造成嚴重損害。

長久以來，科學家知道 SED 存在，但不清楚其與周遭電子環境的直接關聯。洛斯阿拉莫斯國家實驗室研究員 Nag 博士指出，STP-Sat6 同時搭載兩種感測器：一個用於偵測電子數量與能量，另一個則監測無線電頻率訊號。這使研究團隊能同步比對兩組數據，首次確認 放電事件的高峰與電子活動的高峰呈現直接對應。

研究團隊分析超過一年的觀測紀錄，辨識出 270 多次高頻率放電及數百次電子活動高峰。值得注意的是，在約 四分之三的案例中，電子活動的峰值比放電事件早出現 24 至 45 分鐘。這顯示能量累積的過程類似地面上的靜電現象：當低能電子（尤其在 7.9 至 12.2 keV 能量範圍）不斷沉積在衛星表面時，逐步累積電荷，直到達到臨界點才爆發放電。

在特定環境下恐爆發極端高頻 引發威脅

這項發現意義重大。首先，它確認了低能電子是衛星充電與放電的「前奏」。更重要的是，這段 近半小時的提前量 為未來太空任務提供了預警契機。若能發展即時監測與預測工具，衛星操作人員或許能在放電發生前，主動採取保護措施，降低通訊中斷與設備受損的風險。

研究成果已發表於期刊 Advances in Space Research，不僅深化人類對太空環境風險的理解，也為提升衛星任務的安全性與韌性，開啟了新的應用前景。研究刊登在《空間研究進展》。

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首圖來源：Northrop Grumman(CC BY 4.0) 

圖片來源：Advances in Space Research(CC BY 4.0) 

參考論文：
1、Radio frequency transients correlated with electron flux measured on-board the STP-Sat6Advances in Space Research

延伸閱讀：
1、宇宙射線或為閃電觸發關鍵因素，科學家發現雷暴新機制

<p>The post 衛星放電風險找到新線索：電子累積是關鍵推手 first appeared on 明日科學.</p>

光纖是全球數據通訊的「高速公路」，但傳統石英玻璃光纖雖經過數十年的優化，仍有先天限制：訊號在傳輸過程中會逐漸衰減。一般來說，當光纖訊號傳輸約 20 公里後，便會有一半光線流失，必須依靠光學放大器來補強，才能繼續進行跨洲或海底電纜的長距離傳輸。雖然降低訊號損失的方法已有進展，但通常只能針對特定波長範圍，限制了可承載的數據容量，成為數十年來光纖通訊的瓶頸。

南安普敦大學 Francesco Poletti 團隊近日開發出一種全新設計的光纖，有別於傳統實心玻璃核心，他們在纖芯處引入「中空氣核」，並以精細排列的石英玻璃薄環構成微結構，精準引導光線傳輸。這種「微結構中空光纖」在實驗中展現驚人成效：在常用的通訊波長下，每公里的光學損耗僅 0.091 分貝，意味著訊號在需要增幅前可比現有光纖多傳輸約五成距離。

新光纖能傳得更快 傳超出5成距離

更重要的是，新光纖展現了前所未見的寬廣傳輸視窗，代表能同時容納更多不同波長的光訊號，以減少失真並提升資料傳輸量。這對因應未來網際網路、雲端運算、人工智慧和物聯網等龐大數據需求，具有突破性意義。研究團隊指出，若進一步增加中空核心直徑並減少吸收性氣體的殘留，光學損耗還能再降低。

研究作者表示，隨著量產技術、結構精準度和純淨度的提升，這類中空微結構光纖有望成為下一代的關鍵導光技術，為光纖通訊帶來革命性飛躍。這不僅有助於提升跨洲際通訊與海底電纜的效率，也可能在資料中心、高速交易及新興的量子網路應用中發揮關鍵作用。這項成果已刊登於《自然光子學》（Nature Photonics），為未來全球資訊傳輸的基礎設施開啟了新篇章。

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首圖來源：Gemini AI(CC BY 4.0) 

圖片來源:Nature Photonics(CC BY 4.0) 

參考論文：
1、Broadband optical fibre with an attenuation lower than 0.1 decibel per kilometreNature Photonics

延伸閱讀：
1、聽！光纖線竟成蟬聲捕手：高科技揭秘自然界的交響曲

<p>The post 中空氣核光纖問世　傳輸距離延長五成 first appeared on 明日科學.</p>

科學家近期在《Nature Physics》發表最新成果，揭示魔角雙層石墨烯（Magic-angle twisted bilayer graphene, MATBG）在極低溫與強磁場下，展現出兩種強交互作用的拓樸相：對稱性破缺的陳絕緣體（Symmetry-broken Chern insulators, SBCI）與分數量子霍爾態（Fractional quantum Hall states, FQH）。這是霍夫施塔特蝴蝶能譜（Hofstadter spectrum）框架下的重要突破。

MATBG 是由兩層石墨烯以約 1.1° 的「魔角」堆疊而成。此角度下，電子移動速度極慢，導致強關聯效應。當施加外加磁場時，能帶轉化為分形結構，形成霍夫施塔特蝴蝶圖樣。華盛頓大學、佛羅里達州立大學及布里斯托大學團隊使用極高純度樣品進行電傳輸測量，並與最新的哈特里–福克（Hartree–Fock）計算比對，成功捕捉到前所未有的量子態。

包含對稱性破缺的陳絕緣體序列

研究人員首先觀察到一連串 SBCI 態，這些態會自發性放大 moiré 晶格單元面積，並呈現階梯狀的 Chern 數序列，顯示其源自已知的關聯 Chern 絕緣體，卻以規律級聯方式出現，與以往零散的觀察不同。其次，他們在強磁場下記錄到多個 FQH 態，其出現規律符合複合費米子理論的 Jain 序列。但與傳統二維電子氣體系統不同，這些 FQH 態在磁場超過約 10 特斯拉後會突然消失，反映 moiré 週期與磁長尺度的特殊交互作用。

進一步分析指出，這些態可被解釋為在磁場下形成的「分數 Chern 絕緣體」（Fractional Chern insulators, FCI），其能帶具有有限寬度與不均勻的量子幾何特徵，屬於非典型的量子結構。這不僅深化了對 MATBG 物理的理解，也為研究量子拓樸相與關聯電子態提供了新理論框架。研究團隊表示，未來將探索分數 Chern 絕緣體與分數量子霍爾效應之間的關聯，以及以光學手段操控 moiré 超晶格中的新穎量子態。

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首圖來源：Minhao He(CC BY 4.0) 

圖片來源：Minhao He(CC BY 4.0) 

參考論文：
1、Strongly interacting Hofstadter states in magic-angle twisted bilayer grapheneNature Physics 

延伸閱讀：
1、衛星放電風險找到新線索：電子累積是關鍵推手

<p>The post 霍夫施塔特蝴蝶現身：強關聯電子態揭示拓樸新相 first appeared on 明日科學.</p>

韓國蔚山科學技術院（UNIST）團隊近期開發出全球首個高效能 n 型固態熱電化學電池（thermogalvanic cell, TG cell），能夠僅靠人體熱量驅動電子裝置，為電池自由的穿戴式裝置與物聯網感測器商轉開啟新契機。研究成果已發表於《Energy & Environmental Science》。

熱電化學電池能將溫差轉換成電能，例如人體約 36℃ 與周遭空氣 20–25℃ 之間的差異。但由於溫差有限，傳統系統難以輸出足夠電力，無法支援實際應用。UNIST 團隊突破關鍵瓶頸，設計出可在固態環境中維持高離子遷移率的電解質，大幅提升電流輸出與電壓。

核心材料為導電高分子 PEDOT:PSS 與 Fe(ClO₄)₂/₃ 氧化還原對。聚合物中帶負電的磺酸根（–SO₃⁻）能與 Fe²⁺/Fe³⁺ 穩定結合，提供結構支撐，而 ClO₄⁻ 離子則自由移動，強化熱擴散效應並提升發電效能。該電池展現 –40.05 mV/K 的 Seebeck 係數，比傳統 n 型元件高出約五倍，並在 50 次充放電循環後仍維持穩定表現。

熱擴散效應協同作用，有效提升固態熱電化學輸出

研究團隊透過「模組化堆疊」方式將單元串聯：100 顆電池可輸出約 1.5 伏特，等同 AA 電池電壓；16 個模組即可驅動 LED 燈、電子鐘與溫濕度感測器。由於設計完全固態化，不僅避免液態電解質洩漏風險，還兼具安全性與可攜性。

首席研究員張成淵教授指出，這項成果為低溫廢熱能量回收與柔性能源轉換裝置樹立新里程碑。未來，這種自供能方案有望成為穿戴式電子與自主 IoT 裝置的核心電源，僅需依靠人體熱量即可運行，展現可持續能源技術的巨大潛力。

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首圖來源：Energy & Environmental Science(CC BY 4.0) 

圖片來源：Energy & Environmental Science(CC BY 4.0) 

參考論文：
1、Solid-state n-type thermodiffusion-assisted thermogalvanic cells with unprecedented thermal energy conversionEnergy & Environmental Science

延伸閱讀：
1、電力新時代：科學家打造能經歷300次循環而仍保有90%壽命的固態電解質

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