利用量子漲落向真空傳聲；比竇娥還冤的動物學家 | 一週科技速覽_風聞

****編輯 |楊凌、韓若冰、顧淼飛、陳航

目  錄

1. 利用量子漲落向真空傳聲

2. 未來，人類需要吃掉多少食物？

3. 比竇娥還冤的動物學家

4. 找到工作，遠離自戀

5. 基金委：科學基金改革將完善6個機制、強化2個重點

1 利用量子漲落向真空傳聲

25年前，一位年輕的學者在伯克利大學參加博士資格考試時，面對一位教授的發問“為什麼你能聽到我坐在桌子對面的聲音？”，他回答到：“那是因為你的聲音通過空氣中振動的分子進行傳播。”

“如果我把所有的空氣分子都吸出這個房間呢？你還能聽到我説話的聲音嗎?”“不能，因為沒有振動的介質。”

25年後，這一結論被這位學者親手推翻。12月11日，伯克利大學講席教授、香港大學校長張翔在《自然》發表文章**[1****]**，通過實驗證實了聲音（聲子）可以通過量子漲落在真空中傳遞。

“現在，你可以對着真空大喊了。”

利用量子糾纏，我們可以像透支信用卡一樣向真空借能量，這在我們之前的文章中進行過討論**[2****]**；現在，利用量子漲落，我們同樣可以像存儲卡充值一樣向真空傳遞能量。這是因為，根據量子理論，量子場從不靜止，而是處於不斷波動的狀態，即使在絕對零度時亦是如此，這就導致量子理論在許多領域都能給出“反直覺”的物理結果，涵蓋從原子物理學 (例如自發輻射和蘭姆位移) 到宇宙學 (例如霍金輻射) 的多個學科。

1948年，卡西米爾根據電磁場的量子漲落描述了一種作用在中性物體之間的力。這種力在量子場論中具有根本理論意義，在納米尺度和微米尺度技術中具有實際重要意義。近期，有人預測卡西米爾效應可以誘導相鄰物體之間的聲子傳遞，甚至可以通過真空間隙傳遞熱量。熱量通常是通過原子或分子的振動或聲子在固體中傳導的，如果卡西米爾效應能夠通過實驗證實，那麼意味着聲音（聲子）確可在真空中傳遞。

張翔課題組設計一種對納米間隙有嚴苛要求的實驗裝置，用以排除諸如電荷-電荷相互作用、倏逝電場和表面聲子極化子等其他效應可能會對實驗現象造成的干擾，以保證這種有趣的量子現象能被觀察到。在實驗中，張翔團隊將兩個相距幾百納米的鍍金氮化硅薄膜置於真空室中。當加熱其中一層膜時，通過卡西米爾效應，另一層膜也被加熱了。通過聲子模式的熱布朗運動，張翔團隊量化了聲子模式的温度變化，實驗結果明確地表明聲子在強卡西米爾聲子耦合機制下產生了熱化效應。實驗結果揭示了一種通過量子真空傳熱的新機制，為使用納米機械裝置研究量子熱力學和量子能量傳輸開闢了新的機制。

張翔説道：“今天，我們發現了一個驚人的新模式，即在沒有介質的真空中導熱，這是通過有趣的量子真空漲落實現的。所以，在25年前的那場考試中，我的回答錯了。”

[1] Phonon heat transfer across a vacuum through quantum fluctuations. King Yan Fong, Hao-Kun Li, Rongkuo Zhao, Sui Yang, Yuan Wang & Xiang Zhang, Nature, volume 576, pages243–247 (2019).

[2] 利用量子糾纏向真空借能量；空氣污染導致脱髮 | 一週科技速覽，https://mp.weixin.qq.com/s/_ZdiSeiJDD0KaX6BK-LSxg。

2 未來，人類需要吃掉多少食物？

未來的人口到底要吃掉多少食物？一直以來，科學家們僅從現狀和人口出發作出過統計預測。日前，哥廷根大學的發展經濟學教授Stephan Klasen和他的學生Lutz Depenbusch 針對這個問題做了更深層次的分析——把人類日益增長的BMI因素和超重問題考慮進去，他們得出了完全不同的全球食物需求預測。這項研究成果已經刊登在《PLOS ONE》上**[1****]**。

眾所周知，一個人長得越高越重（即BMI值和身高值越高），意味着他/她需要更多的基礎代謝，也就是説需要消耗更多的能量。研究人員基於個體維持體重所需要的能量為測量基礎，對全球食物消耗水平做了預測。結果是：正常情況下全球人口的卡路里需求到2100年要增加61.05% （以2010年為基礎）。而考慮身高和BMI的增加，全球食物還要再增加18.73%，這一增量幾乎是印度和尼日利亞2010年全部人口的卡路里需求。對於撒哈拉以南的非洲貧窮國家來説，這恐怕是雪上加霜，因為這些國家恰恰是人口高增長國家。

有些人可能會認為卡路里短缺可以“糾正”BMI和身高過高，但研究表明，食物健康與否並不與BMI過高聯繫在一起，有時候反而是不健康的飲食導致了這些現象。尤其是在中等收入國家和正在城市化的國家裏，人們攝入過多的油脂、甜食、加工穀物等，加之越來越少的運動，使得這些國家出現廣泛的肥胖。假如目前全球人口的BMI都和美國人當前的平均BMI一樣，那麼全世界現在就額外需要相當於4.73億成年人的能量和相應食物。

如果全球食物增產做不到這麼多，研究人員也不認為這樣就可以控制BMI——富人們會保持他們的飲食習慣，非富人則未必縮食，他們會因為營養食物價格高而被迫吃更多富含卡路里但沒有營養成分的廉價食品，這種營養不良可能會導致BMI的進一步惡化。

[1] Lutz Depenbusch, Stephan Klasen. The effect of bigger human bodies on the future global calorie requirements. PLOS ONE (2019). Doi: 10.1371/journal.pone.0223188

3 比竇娥還冤的動物學家

一百多年前，動物學家Herbert Spencer Jennings描述了一種淡水單細胞生物——帶核喇叭蟲 (Stentor roeseli) 複雜多樣的迴避行為。半個多世紀後，由於研究者在類似生物中進行的實驗未能復現他的觀察結果，使得當時的學術界普遍認為Jennings的研究結果無法使人信服，Jennings的結論就這樣被推翻。

然而，12月5日哈佛大學醫學院發表在《當代生物學》雜誌上的研究**[1****]**證實了Jennings在一百多年前觀察到的現象切實可信：視頻記錄顯示，在遇到一股噴出的聚苯乙烯顆粒後，帶核喇叭蟲會改變反應，這表明單細胞生物能夠做出決定，“改變主意”。（相關視頻請點擊“閲讀原文”查看）

哈佛大學醫學院的Jeremy Gunawardena説：“原生生物要在複雜的生態環境中生存，自然也表現出解決問題的複雜行為，例如導航、獵食和尋找交配對象。”他繼續指出，“人們通常認為（Jennings觀察到的）那種自主認知行為發生在具有神經系統的多細胞生物中，但是我們在研究中看到單細胞生物也具有這種能力。”

帶核喇叭蟲是一種無色、喇叭形的原生生物，不用顯微鏡也能看到。帶核喇叭蟲通過拍打成列的螺旋狀纖毛將食物顆粒送入“口”中，大部分時間都將自己固着在藻類或碎石上。

但是，正如Jennings指出的那樣，帶核喇叭蟲能夠對不適刺激做出多種反應。它可以彎曲到一邊，也可以改變纖毛的拍打方向以驅趕刺激物，或者收縮，有時收縮還會使自身從藻類上脱落，然後遊動遠離刺激。Jennings還發現，如果重複施加不適刺激，帶核喇叭蟲的反應往往會以特定的順序發生，並且只有在前兩次嘗試避開刺激失敗後，才會發生收縮和脱離。

先前嘗試複製Jennings觀察的研究未能成功，原因之一正是研究者使用了另一種喇叭蟲。因此在這項新研究中，研究人員確保獲取了正確的物種，並重復Jennings所做的事情。研究人員將含有帶核喇叭蟲的液滴置於可錄製視頻的顯微鏡下，然後用細移液管將聚苯乙烯顆粒**[2****]**懸液噴在它們身上。

在觀察中，喇叭蟲做出了Jennings描述的所有行為。被噴了懸液之後，喇叭蟲“彎腰”避開刺激，改變纖毛的方向，反覆收縮，或者脱落並遊走。然而研究者還發現了不同個體間存在的更大差異，每個個體只有部分行為會按照Jennings提出的特定順序發生。因此，團隊開發了一種統計分析方法，將Jennings提出的特定順序歸納為一般順序。通常情況下，帶核喇叭蟲傾向於彎曲身體和扭轉纖毛作為避開不適刺激的首選策略，並且只有在持續刺激的情況下才發展為收縮行為。

總體而言，研究結果表明Jennings提出的迴避行為層級可能存在，這種層級可被視為連續性決策的一種形式。

該小組的統計分析還表明，至於是收縮還是脱離並遊走，兩種行為發生的幾率幾乎是1:1——好像帶核喇叭蟲是在以擲硬幣的方式做出決定一樣，這對於單個細胞來説是相當驚人的能力。研究團隊希望在未來探索“拋硬幣”式決策的機制，並通過先進的機器學習技術研究這種生物的行為。

[1] Dexter J P, Prabakaran S, Gunawardena J. A Complex Hierarchy of Avoidance Behaviors in a Single-Cell Eukaryote[J]. Current Biology, 2019.

[2] 注：Gunawardena團隊最初採用的胭脂紅等其他懸液效果不佳。

4 找到工作，遠離自戀

對於那些擔心孩子的自戀傾向會不會難以掌控的家長來説，現在可以放心一些了。因為來自密歇根州立大學的研究人員通過一項迄今為止關於自戀的時間最長的研究，揭示了自戀情緒隨時間的變化情況。

這項研究發表在近日的《心理學與衰老》雜誌上**[1****]**，通過對近750人的樣本調查，觀察了自戀情緒在13~70歲之間是如何變化的。密歇根州立大學的心理學副教授，論文第一作者Chopik William説：“在我們的文化慣性思維中，往往會認為一代比一代更自戀，但是沒有人觀察過每一代人的自戀現象，以及自戀程度隨着每個個體年齡的變化情況。”

研究結果表明，有些與自戀相關聯的性格特點隨着年齡增長減弱了，例如以自我為中心、對批評敏感、將自己的觀點強加於人；而另外一些性格特點則隨着年齡漸長變得愈加明顯，例如對自己具有較高的期望值。

按照William的説法，自戀程度降低的最大驅動因素，是人生中找到了第一份工作。“自戀的人往往不願意接受批評，可是生活中總會發生一些事情，讓他們不得不接受負面反饋，這時他們就需要調整對自己的認識——自己並不像之前想象的那麼優秀。他們開始意識到，如果想要擁有朋友或者良好的人際關係，就必須做出改變。” William説。

William發現，自戀情緒變化最快的年齡段是青年階段。他還發現，跟大多數人的想法不同，自戀程度的變化是貫穿一生的，並不會在人生中的某個階段或某個特定的年齡停止。

有了這一新發現， 研究人員希望公眾能更加深入地理解自戀的不同類型，並且重新認識以往沒有進行充分研究的老年人口的自戀現象。另外，如果你擔心身邊的誰誰是個徹頭徹尾的自戀主義者，那麼這項研究無疑是個好消息——等他們年紀大了，就不會那麼自戀了。

[1] Chopik W J, Grimm K J. Longitudinal changes and historic differences in narcissism from adolescence to older adulthood[J]. Psychology and Aging, 2019, 34(8): 1109.

5 基金委：科學基金改革將完善6個機制、強化2個重點

12月5日，國家自然科學基金委員會（以下簡稱自然科學基金委）在北京舉辦“科學基金改革與發展國際研討會”。

自然科學基金委主任李靜海在主旨演講中介紹了自然科學基金委改革方案及最新進展。他表示，未來自然科學基金委以“明確資助導向、完善評審機制、優化學科佈局”三大任務為核心的系統性改革中，將推行完善6個機制、強化2個重點等新舉措，確保改革目標實現。

其中，6個機制包括面向國家重大需求的科學問題凝練機制、面向世界科學前沿的科學問題凝練機制、重大類型項目立項機制、成果應用貫通機制、學科交叉融合機制、多元投入機制；2個重點則包括原創探索計劃、人才資助體系升級計劃。

“自然科學基金委正在通過努力完善管理機制，強化原始創新與人才培養兩大重點，力求建成理念先進、制度規範、公正高效的新時代科學基金體系。”李靜海強調。

據悉，有關這些政策的細則目前正在醖釀中，有望在2020年公佈。

此次會議旨在通過各國科研資助機構會商國際科技發展形勢，探索科研資助工作的改革路徑。來自英國、俄羅斯、美國、德國、瑞士、以色列、日本、韓國、土耳其等21個國家及地區的30所科研資助機構或國際組織的代表與學者共80餘人參加此次會議。

[1] 本文轉載自公眾號：中國科學院院刊（ID：CASbulletin）

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