正文
病毒能够感染动物、植物和微生物等一切生物细胞，在改变个体有机体命运甚至在地球的生态系统中起着潜在的关键作用。与其他微生物或人类相比，病毒的物理大小、基因数量和整体基因组大小都非常微小，但它们在繁殖速度和绝对数量上都要压倒所有其他形式的生命体。病毒调制着一切生物的功能和进化，但这种调制作用的具体程度仍然未知。
未来的研究目标是要系统了解病毒与自然生态系统的相互作用，也就是要建立病毒-宿主生物学与生态系统生态学两大学科领域间的深入联系，形成一门量化的、可预测的病毒生态学。这将需要建立一个以病毒为中心的研究者互联网络，包括病毒学家、微生物学家、分子生物学家、生态学者、工程师、生态系统建模师等研究人员在内。目前得到各机构重点支持的仍是与人类疾病相关的病毒学领域，而病毒-微生物动力学研究并没有得到充分重视，但这恰恰是能够大大推进人类对地球碳循环动态认识的关键领域。
八、检测暗物质（Detecting Dark Matter）
如何在实验室中成功实现对暗物质的检测是进一步研究暗物质的基础。需要在地下进行（能够隔绝来自宇宙射线、太阳活动和地面辐射的污染）的寻找弱相互作用重粒子（weakly interacting massive particles，WIMPs）的实验就是其中之一。大型地下氙实验（Large Underground Xenon，LUX）是这类实验中的一个。LUX在南达科塔州的荷马斯塔克（Homestake）的矿井内进行，实验中使用一个充满10吨纯氙气的大容器，并配以高度敏感的光点探测器，当巨大质量的WIMP与氙原子相撞时，会使其速度增加至声速的700倍，直至与另一个氙原子相撞而发出可被探测到的光束。LUX团队宣布在2014—2016年的实验运行中没有看到任何的可疑信号。
被称为轴子的理论粒子是另一个经常被提及的暗物质候选粒子。华盛顿大学西雅图分校开展的轴子暗物质实验（Axion Dark Matter Experiment，ADMX）通过寻找由轴子在强磁场条件下转变而成的微波光子而探测到轴子。ADMX是一项国际合作实验，有多方面的经费来源，但仍然需要进一步的资助才能够完成其对暗物质的探查。这些实验具备发现一种新形态物质的潜力，将为基础物理开启一片全新领域，并加深人们对宇宙的认识。
九、测量宇宙微波辐射变化（Measure Variations in the Microwave Background）
宇宙形成后很快就发出宇宙微波辐射，通过测量遍布太空的宇宙微波辐射能够知晓140亿年前所发生的事情。宇宙微波背景辐射测量的第二代实验业已开启。由于一种名为辐射热测量计（bolometer）的超灵敏超导探测器的成功开发，新一代宇宙微波探测器的灵敏度显著提高，并且其制造成本低，易于规模化生产。然而，要部署这些微波探测器需要足够宽度的焦平面的新型望远镜来容纳数量巨大的探测器。并且望远镜需放置在高海拔且极干燥的地点，以减少大气中水汽对入射光子的干扰。
目前，两处已经在进行微波背景辐射观测的地点（南极地区的南极高原和智利的阿塔卡马高原）是计划中的望远镜安置点， 中国西藏和格陵兰岛也作为安置点正在考虑中。总之，需要约10台专门望远镜进行为期5年的运作才能完成第二代宇宙微波辐射得测量目标。同时，从事这项研究的科学团队也需要在制造技术和测试能力上进行大幅升级。
十、寻找新的中微子（Hunt for a New Neutrino）
科学家早在50多年前就掌握了如何在反应堆和催速剂中产生中微子的方法，但至今仍对其知之甚少。在过去的20年中，科学家在已知的3种中微子的研究中发现了一系列异常现象，显示可能存在第4种“惰性”中微子（sterile neutrino）。IsoDAR（Isotope-Decay-At-Rest）计划是探查第4种中微子的前沿研究，该计划需要创建一个射速电流为商用回旋加速器10倍的高级回旋加速器。通过这一加速器所产生的反中微子穿过屏蔽物和地下隧道壁流入到日本现有的KamLAND中微子探测器中，与密集中微子源距离极为贴近的探测器能够探测到中微子流的振荡情况，从而进一步确认其中是否存在新的中微子。建设这一计划预计要耗费3年时间。只需运转6个月，该实验就能够确定现有的异常现象是否是由新的中微子引起。运转5年后，就可以精确地绘制出振荡波，从而确定出造成这一振荡的新型中微子的实际数量。
十一、创造新型催化剂（Create Novel Catalysts）
能否用空气和阳光制成不会造成气候变化的廉价燃料和肥料？催化剂是这一挑战中的核心问题。人类反复试验至今仍没有找到足够好的办法。大多数传统的催化剂无法区分不同的化学物类中介物，或无法在化学反应的过程中抑制不良产物的生成。未来最有希望的方法就是模仿自然界中的催化剂——酶，因为酶的三维特性更适合解决这些问题，加之人类对材料成分进行纳米级控制的能力逐渐增强，这种先进催化剂的制造也将成为可能。
先进催化剂的研制需要创建和整合多学科的知识，包括材料科学、电化学、光化学、计算科学和化学工程学等。这一研究的挑战就在于要让普通材料实现超常规的性能，因此研究需要团结前所未有的计算能力来进行量子计算，需要运用前所未有的纳米级控制手段来合成材料，需要运用超速光、X射线和其他先进光谱技术来探查原型催化剂的特性，需要运用先进的质谱仪器和其他工具来检验材料并精确描述反应产物的特征，还需要设计和建立第一个试验反应堆来演示催化剂的预期功能等等。新型纳米级催化剂材料的发现和合成将在经济中发挥更广泛的影响，将为更加洁净高效和蕴含巨大价值的工业复兴奠定基础。
十二、创建北极早期预警系统（Create the Arctic Early Warning System）
了解气候变化对北冰洋的影响是21世纪的重大挑战之一。囿于极端环境所造成的高昂物流成本，北极研究的开展一直非常有限。幸运的是，监测北冰洋并测度其性状的新方法正在逐渐出现。滑翔机、冰层分析器（ice-tethered profiler）以及远程无人自导车等自主平台可与以船舶为基地的研究平台相互补充，使得对北冰洋的全年观测更为有效。此外人类还开发了更小型、更节能的传感器用于测度北冰洋的化学和生物性状。这些设备所收集的数据加上以船舶为基地的探险研究，将有助于科学家了解气候变化对北极生态系统的影响。
未来需要进一步投入经费扩展现有的技术、加速新技术开发，以创建一个能够全年采集数据的高效海盆尺度观测体系，将此观测体系与探险考察相结合，更为细致地观察那些用传感器无法充分描述的过程。这些工作将能够创建出一个监测系统，不仅能够跟踪北极气候环境演变动态，还能够提高人类预测变化、降低灾难影响的能力，最大限度减少其给人类活动带来的危险。
十三、创建新一代自适应光学（Creating Next Generation Adaptive Optics）
视觉系统观察穿过湍流介质中的光波时会失真，而自适应光学（adaptive optics，AO）成像技术就是用来矫正失真、提高视觉系统性能的技术。这一技术已经给眼科、视觉科学和激光通信等领域带来了革新。在天文学领域，AO利用快速计算机控制的可变形尖端镜面对地球大气湍流所造成的失真进行实时矫正。装备有AO的望远镜观察遥远的天文物体时能够达到前所未有的清晰度和敏锐度。但是由于大气模糊的影响，当前的AO系统只能纠正部分失真，而且只能在望远镜对准特定方向时才能做到。新一代AO技术就是要克服这些局限性，为天空中出现的一切大气模糊提供精确矫正。对于下一代超大型望远镜来说，新一代AO技术将尤为关键，将成为红外天文学以及光学天文学未来发展的关键。
对AO技术的投资将有助于为其他关键科技产业建设一支强大的人才队伍，因为该领域的许多学生正积极投入到激光通信、生物医学光学、金融和商业大数据分析、政府和国防应用的图像监测和成像光学以及航天工业等领域。经费充足的欧洲研究团队已经意识到AO的强大威力并正在开发具有竞争力的系统，因此美国需要足够的经费资助才能够开发出全新标准的二代AO技术，从而保持美国的技术领先地位。
