新的暗物質候選粒子；治療新冠的關鍵策略 |一週科技速覽_風聞

目 錄

1. 新的暗物質候選粒子

2. 鸚鵡“懂概率”能啓發AI研究嗎？

3. 為什麼男的更短命？要怪Y染色體

4. 薛定諤之貓的逆問題

5. 隔桌有耳：黑客可以利用超聲波“勾搭”你的手機

6. 老藥新用有望成為治療新冠感染的關鍵策略

7. 鳥叫與體型之間不得不説的秘密

8. 八億年前生命差點“窒息”

撰文 | 董唯元、楊凌、顧舒晨、韓若冰、太閣爾、姬智女孩

1 新的暗物質候選粒子

暗物質是當代宇宙學最重要的謎題之一，這種總量6倍於普通物質的神秘存在，僅通過自身質量顯示出引力效應，卻從不參與任何形式的電磁相互作用，既不發光也不吸收光，完全就是宇宙中的隱形壯漢。對暗物質的構成，目前有許多猜測，比如弱相互作用大質量粒子（WIMP）、軸子、惰性中微子等等。不過這些候選粒子的質量能標不是太大就是太小，目前很難通過實驗直接驗證。

最近，英國研究者M. Bashkanov和D.P. Watts又提出一種全新的猜測**[1]。他們認為一種由6個夸克組成的重型玻色子，d*(2380)，很可能是暗物質的最佳候選者。這種粒子最早由美國物理學家Robert Jaffe在1977年提出[2]，並在2014年由德國研究者在實驗中確認[3]**，其命名來源於2380 MeV的質量。這個能標大略相當於兩個質子或中子的質量。

如果這一理論能夠得到驗證，那麼神秘的暗物質瞬間就可以變成中學生都可以理解的存在：由3個夸克組成的質子或中子，因為帶有電荷或色荷，所以活躍地參與着各種相互作用，搭建起形形色色的普通物質；而6個夸克形成的d*(2380)，因為總體電荷和色荷均為零，所以就成了孤僻懶惰的暗物質。

科學家之所以沒有更早意識到d*(2380)的候選者身份，是因為正常情況下這種粒子的存在時間只有10^-23秒。而今年2月M. Bashkanov所發表的論文**[1]**，恰恰是想到了一種使d*(2380)能夠在宇宙中長期存在的機制——玻色-愛因斯坦凝聚。

這種被稱為“物質第五狀態”的物理現象，最早由玻色和愛因斯坦在1924年左右預言，是玻色子在低温條件下出現的一種特殊狀態。由這種特殊狀態產生的超導和超流現象早已被社會熟知。作為其背後的核心機制，玻色-愛因斯坦凝聚也自然是凝聚態物理研究者司空見慣的日常之一。

不過，僅依靠玻愛凝聚並不能解釋d*(2380)的來源問題。雖然理論上大質量天體在坍塌過程中，有可能形成一定量的d*(2380)，但考慮到普通物質總共只有暗物質的1/6，顯然沒辦法依靠普通物質演化慢慢生產如此多的暗物質。但是如果假設d*(2380)是形成於宇宙初期，那麼必須面對高温條件下如何形成玻色-愛因斯坦凝聚的問題。

M. Bashkanov真正的大膽腦洞，就在於其嘗試了在早期宇宙高温高能條件下，d*(2380)發生玻色-愛因斯坦凝聚的可能性。這對大多數聽到玻愛凝聚就自然聯想到低温的人來説，絕對是出乎意料。M. Bashkanov在論文中的計算顯示出他的猜測雖然大膽但並不荒唐，宇宙早期的高能標條件下，確實有可能產生d*(2380)的玻色-愛因斯坦凝聚。

M. Bashkanov在論文還同時分析了d*(2380)衰變過程可能產生的一些可觀測跡象，其特徵譜的能標範圍均在0.5GeV以內。也許我們的觀測天文學家們很快就可以找到證據，來驗證這一全新猜測。

[1] M. Bashkanov (2020). “A new possibility for light-quark dark matter”. Journal of Physics G. 47 (3).

[2] R. L. Jaffe (1977). “Perhaps a Stable Dihyperon?”. Physical Review Letters. 38 (5): 195–198. Bibcode:1977PhRvL..38..195J. doi:10.1103/PhysRevLett.38.195

[3] P. Adlarson; et al. (2014). “Evidence for a New Resonance from Polarized Neutron-Proton Scattering”. Physical Review Letters. 112 (2): 202301. arXiv:1402.6844. Bibcode:2014PhRvL.112t2301A. doi:10.1103/PhysRevLett.112.202301

2 鸚鵡“懂概率”能啓發AI研究嗎？

人類和動物的智能模式到底有何區別？有人認為動物的智能模式是專用模式，只能用於解決特定的問題，而人類的智能模式是通用模式，能夠解決各類問題。通用模式似乎依賴於人類的語言能力，而人類有能力把不同領域的信息進行轉換、加工或合併，這就產生了人類智能的通用模式。

然而發表在《自然通訊》雜誌**[1]**上的新研究顯示，似乎並不只有人類和黑猩猩才擁有真正的統計推斷能力。新西蘭奧克蘭大學的科學家設計了三類實驗來考察啄羊鸚鵡的智能模式。這種鸚鵡因為經常啄牧民的羊而得名，憑藉好奇心和高智商在新西蘭家喻户曉。研究人員首先培養鸚鵡的獎勵偏好，鸚鵡如果選中黑色夾子就會得到食物獎勵，而選橙色則沒有獎勵。

在測試中，研究人員將兩個罐子裝滿黑色夾子和橙色夾子，並且兩種夾子的比例各不相同。測試者雙手從兩個罐子裏各自隨機取出一個夾子並緊握手中，再讓啄羊鸚鵡選擇其中一隻手。

實驗1，a. 場景1中，鸚鵡會選擇左邊罐子，這説明鸚鵡是根據相對佔比來做出推斷；b. 場景2中，兩個罐子的黑色夾子數量都是20個，但左邊罐子的橙色夾子只有4個，鸚鵡選擇了左邊罐子，這反映出鸚鵡並不按照絕對數量來進行推斷；c. 場景3中，兩個罐子橙色的夾子都是63個，但左邊的罐子裏只有3個黑色的夾子，所有的鸚鵡都選擇了右邊的罐子，也就是厭惡數量佔比較低的罐子。

實驗2，罐子的中間都加了一層隔板，研究人員和鸚鵡都能看到隔板下方的夾子，但觸碰不到。d. 場景1中，左邊罐子隔板上下方均是20個橙色夾子和20個黑色夾子，右邊罐子隔板上方是20個黑色夾子和4個橙色夾子，隔板下方是20個黑色夾子和36個橙色夾子；e. 場景2中，其他情況和場景1相同，只是把右邊罐子隔板上下方對換了一下，即右邊罐子隔板上方20個黑色和36個橙色，隔板下方20個黑色和4個橙色。啄羊鸚鵡能發現隔板這種物理限制，並選擇可拿取黑色小棍概率最高的罐子。

實驗3，安排兩位測試人員A和B，A扮演偏袒者，總是從罐子裏拿出黑色的夾子給鸚鵡；B扮演公平者，隨機從罐子裏取夾子給鸚鵡。研究人員對鸚鵡進行訓練，直到能夠識別A和B兩人。實驗中左右兩個罐子比例完全相同，但鸚鵡似乎更傾向於選擇A持有的罐子，也就是那位經常對鸚鵡進行偏袒的人。

實驗一的三個場景證明，啄羊鸚鵡的概率推斷能力類似於人類和猩猩，是按照相對佔比來進行概率推算，而不像捲尾猴那樣只關心物體的絕對數量。實驗二證明，鸚鵡做出推斷的時候，只考慮罐子隔板上面空間裏的夾子的相對比例，這説明鸚鵡在推斷時有能力融入物理環境信息。而通過實驗三，研究人員認為鸚鵡在進行概率推斷的時候會考慮到社會信息。

這三組實驗表明，啄羊鸚鵡的概率推斷方式和人類以及黑猩猩高度相似，而鳥類和人類在距今3億年前的時候朝着不同的方向演化。鳥類的大腦比人類小的多，結構也完全不同，神經系統密度要大的多。

該研究提出了通用模式的智能可能不僅僅在一個演化分支下存在，或者説，通用智能模式並不僅僅存在於類似於人類的多層大腦皮層結構中。這一發現不僅對我們理解智力如何進化有重要意義，而且對強人工智能研究也有關鍵啓示——AI研究到底應在多大程度上倚重對哺乳動物大腦結構和處理模式的模仿，還有待科學家深入瞭解大自然藴含的各種通用智能模式。

[1] https://www.nature.com/articles/s41467-020-14695-1

3 為什麼男的更短命？要怪Y染色體

調查顯示，男性的壽命比女性更短。現在流行的理論解釋為男性往往從事更危險的工作，承擔更大的風險，更愛抽煙喝酒還不願聽醫生的話。然而，這種性別的差異可能從孃胎裏就開始了。澳大利亞新南威爾士大學的科學家們發表在《生物學快報》上的一項研究**[1, 2]**表明，男性短命的真正原因可能與人類行為關係不大，而更多地與性染色體類型，也就是常説的X染色體與Y染色體相關。

在大多數動物中，性染色體決定了個體的性別。在哺乳動物中，雌性通常有兩條相同的X染色體，稱為同型配子；而雄性有一條X染色體和一條更小的Y染色體，稱為異型配子。在這項研究中，科學家們第一次在動物分類學中全面驗證了“X染色體保護機制缺失”（unguarded X）假説，即由於異型配子中Y染色體比X染色體小，而且在某些情況下是缺失的，導致X染色體的有害突變更容易在個體中表達，從而引起壽命變短；而同型配子因為有另一條健康的X染色體可以替代缺陷，因此個體壽命更長。

研究人員分析了229個物種的壽命數據，發現異型配子比同型配子平均短命17.6%。有意思的是，在鳥類、蝴蝶、飛蛾等物種中，雌性反而比雄性短命，因為雄性有着標記為ZZ的性染色體的同型配子，而雌性則是標記為ZW的異型配子。

該研究在統計過程中還發現了一個有趣的現象，在雄性為異型配子的物種中（如人類），雌性比雄性長壽21%，而在雌性為異型配子的物種中（如鳥類），雄性只比雌性長壽7%。這似乎意味着，任何一個物種的雄性成員仍然存在其他縮短壽命的因素。

這項研究驗證了“X染色體保護機制缺失”假説，説明了性染色體在異性壽命差別中的重要性，也加深了我們對生物體壽命形成機制基本理論的理解**[3]**，有助於我們進一步探索影響衰老的各種因素。

[1] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-03/uons-wdm030320.php

[2] Xirocostas ZA, Everingham SE, Moles AT. The sex with the reduced sex chromosome dies earlier: a comparison across the tree of life. Biol Lett. 2020;16(3):20190867. doi:10.1098/rsbl.2019.0867

[3] Trivers R. 1985 Social evolution. Menlo Park, CA: Benjamin/Cummings.

4 薛定諤之貓的逆問題

測量問題，一直是理解量子理論的重要階梯。諸多混淆、誤解和學術爭論都發端於此，同時很多理論構建和應用實踐，也越來越要求我們更深入、更清晰的認識量子測量問題。

目前無爭議的基本事實是，量子測量過程中，系統將發生一種特殊的演化，這個過程被稱為“塌縮”或“退相干”。在此過程中原本由若干分量組成的態，會退化塌縮為其中某一分量，而將其他分量拋棄。這個過程很像一位具備若干潛質的畢業生，一旦選定一份工作之後，也就自然失去了其他的工作機會。一個量子系統就像這樣一位畢業生，而對這個量子系統的測量，就像這位學生進入社會的過程。

這種認識雖然簡明，但並不夠細緻，對某些特殊情況下的測量過程，還是無法給出清晰的預判。理想量子測量（Ideal Quantum Measurement）就是一個典型的灰色地帶，僅依靠前述的認知根本無法認清。

早在1932年，年輕的馮·諾依曼就認識到：同一個宏觀測量結果，有可能同時對應多個基矢分量，那麼這種情況的塌縮結果，是否保留有部分的疊加態呢？這便是理想量子測量問題**[1]**。

關於理想量子測量問題的爭論，主要在馮諾依曼和另外一名德國物理學家Lüders之間展開。馮諾依曼認為觀測過程必然破壞所有疊加態，系統只能塌縮到最基本的基矢分量；而Lüders則持不同觀點，他認為一些疊加關係可以在測量之後仍然保留下來**[2]**。

如果深入理解這個問題，會發現在某種程度上，這是薛定諤之貓問題的逆向問題。薛定諤的貓説明了宏觀可區分的狀態，在量子層面居然可以統一共存。而理想量子測量問題則是在問：是否存在量子層面分立的不同態，對應於宏觀上不可區分的統一狀態？馮諾依曼答“是”，Lüders答“否”。雖然馮諾依曼的答案更具對稱美，但可惜後來的研究表明，Lüders的看法更貼合已知的物理事實。

近幾十年的理論研究中，有關理想量子測量的問題一直未受到太多關注，人們將其視為理論分支末端的一些必然結論而已。然而近來隨着量子計算的發展，理想測量問題開始變得重要起來。尤其是近來興起的三態量子計算研究**[3]**，更需要理想測量動力學方面的加持才能得以快速進展。因為相較於

這樣的二態qubit，形式如

的三態qutrit無疑將更頻繁地涉及理想測量問題。

2020年2月底，一個歐洲研究團隊發表了他們的實驗成果**[4]**，在理想量子測量的動力學研究方面吹響了進攻的號角。作為後續一系列計劃工作的前置工作，該研究小組本次發表的成果，主要是利用熒光檢測技術，對離子阱中的三態系統演化過程進行跟蹤描述，並確認其過程非常符合理論上的理想量子測量過程。從而為他們自己以及其他研究團隊展開後續研究，提供了技術和實驗數據方面的重要參考依據。

[1] J. von Neumann, Mathematische Grundlagen der Quantenmechanik (Springer-Verlag, Berlin, 1932); [English translation Mathematical Foundations of Quantum Mechanics (Princeton University Press, Princeton, NJ, 1955)], in particular, Chap. 5, Sec. I.

[2] G. Lüders, Über die Zustandsänderung durch den Meßprozeß, Ann. Phys. (Berlin) 443, 322 (1950); [English translation Concerning the state-change due to the measurement process, Ann. Phys. (Berlin) 15, 663 (2006)].

[3] 根據信息熵理論計算，e進制數字的信息處理效率最高，三進制比二進制更接近e進制這個理論上限。三態qutrit天生具備三進制的優勢。

[4] DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.080401

5 隔桌有耳：黑客可以利用超聲波“勾搭”你的手機

黑掉手機早就不是什麼新聞了，研究人員此前就已經發現，超聲波可以通過空氣傳遞信息。但華盛頓大學的研究人員進一步揭示出**[1, 2]**，雖然人耳聽不到超聲波，但超聲波可以在你不知情的情況下，透過桌子，喚醒你手機上的siri，從而撥打電話，提取照片，甚至把短信內容念給陌生人。

超聲波是頻率高於人耳聽力範圍（大約20-20000赫茲）的聲波。雖然這些聲音人耳聽不到，但手機的麥克風卻既能聽到，並且會忠實地記錄這些聲音。華盛頓大學計算機系的助理教授Ning Zhang等人發現，只需要一些很便宜的硬件做為協助，超聲波就可以穿透許多種固體表面，並激活手機的聲音識別系統，這一過程被稱為“超聲波入侵” (surfing attack) 。

研究小組設計了一系列實驗，來驗證超聲波是否能夠透過物體表面來傳輸這些指令。實驗中，手機放在桌上，桌子的下面安裝了一個麥克風和一個壓電換能器（PZT），用來將電信號轉化為超聲波。而在遠離手機（和其主人的注意）的地方，藏着一台波形發生器，用來產生超聲波所需的電信號。

超聲波入侵示意圖 | 圖片來源[1]

在實驗中，研究人員們偷偷坐在手機主人的桌子旁邊，然後向手機發送了一條語音指令。通過藉助一個安裝的很隱蔽的麥克風，研究人員與手機之間“眉來眼去”往返交流，最終從遠處控制了手機。

進行了兩次實驗。在第一個實驗中，他們首先遠程讓手機的語音助手將音量調小，然後讓銀行向手機發出一條帶驗證碼的短信，當銀行的短信發到手機後，黑客設備發出一條“讀短信”的語音指令給手機。結果手機讀出了短信內容，且音量很小，只能夠讓桌子下面的麥克風接收到，手機主人毫無知覺。在第二個測試中，研究人員給手機發送了“用揚聲器給Sam打電話”的語音指令。電話接通後，通過粘在桌下的麥克風，研究人員成功和Sam進行了通話。

研究人員測試了17款不同的手機，包括當下比較常見的iPhone,、三星galaxy以及Moto等。其中只有兩款倖免。

Ning Zhang介紹説，這種超聲波入侵揭示了網絡攻擊和現實物理世界之間的聯繫，而這是我們常常忽略的。通常，媒體總是會報道電子設備如何影響我們所處的世界：手機是不是會壞眼睛？耳機會損壞聽力嗎？誰又應該為自動駕駛汽車的事故負責？但電子產品所涉及的物理問題沒有得到足夠的重視。要理解對於電子產品和宏觀世界的網絡攻擊，這將成為關鍵問題。通過這個研究，他們希望能提高全社會對於這種危險的防範意識。

對於如何防範這種網絡攻擊，研究小組也提出了一些策略。例如，可以開發一些手機軟件來分析所接收到的聲波信號，從而區分超聲波和真正的語音。此外，還可以改變手機的設計（比如麥克風的位置）來削弱超聲波，從而阻止聲波攻擊。而一種簡單的方法則是，用柔軟的織布來提供所謂的“阻抗不匹配”，從而讓聲波無法有效的傳播到手機中，換句話來説，把手機放到桌布上就好啦！

[1] https://surfingattack.github.io/papers/NDSS-surfingattack.pdf

[2]https://source.wustl.edu/2020/02/surfing-attack-hacks-siri-google-with-ultrasonic-waves/

6 老藥新用有望成為治療新冠感染的關鍵策略

新型冠狀病毒依然在肆虐，目前，全球感染人數已經超過9萬，然而疫苗和特效藥還未出現。近日，來自歐洲的研究團隊線上發表在 《國際傳染病雜誌》上的研究表明：由於研發新型藥物並不能一蹴而就，往往需要耗費數月甚至是數年的時間，因此，從“老藥”中快速尋找到有效的藥物，可能是治療新型病毒感染的關鍵策略**[1, 2]**。

該研究的作者解釋説：“藥物再利用是一種對現有藥物進行研究，以開發除其本身所針對疾病之外價值的策略。“他們表示，鑑於目前尚無新型治療方法的出現，這些已經通過測試證明對人體安全的廣譜抗病毒藥物有望成為治療COVID-19的候選藥物。藥物再利用的好處在於此類藥物研發的所有細節，包括從化學合成、放大生產工藝以及有關臨牀不同階段的實驗數據都是已知的。與開發全新的藥物和疫苗相比，此過程大大降低了成本和時間，成功推向市場的可能性更大。

這篇研究回顧了有關廣譜抗病毒藥物（BSAAs）的研發信息，同時總結了120種已經在前期實驗中被證明對人類安全的此類藥物，並創建了一個可免費訪問的數據庫**[3]**。在這些藥物中，有31種有望作為預防和治療COVID-19感染的候選藥物。同時，已有團隊正在對其中五種藥物進行臨牀研究。

[1] Andersen PI, Ianevski A, Lysvand H, Vitkauskiene A, Oksenych V, Bjøras M, Telling K, Lutsar I, Dampis U, Irie Y, Tenson T, Kantele A, Kainov DE, Discovery and development of safe-in-man broad-spectrum antiviral agents, International Journal of Infectious Diseases (2020), doi: https://doi.org/10.1016/j.ijid.2020.02.018

[2] Existing drugs may offer a first-line treatment for coronavirus outbreak，https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-02/nuos-edm022620.php

[3] https://drugvirus.info/

7 鳥叫與體型之間不得不説的秘密

2007年去世的帕瓦羅蒂是世界著名三大男高音之一，他標誌性的大鬍子，渾厚的嗓音和敦實的身材都給人們留下了很深的印象。事實上，很多男女高音歌唱家都普遍身材豐滿敦實。而另一方面，許多樂器，例如笛子、鼓、吉他等，都是通過聲音在腔體中的共振而發出美妙的聲音，由此可見，音樂與共振密不可分，而共振又與腔體的尺寸、形態等特徵息息相關。這不禁讓我們猜測，高音歌唱家們的聲音和身材之間有關係嗎？

帕瓦羅蒂 | 圖片來源於網絡

説到音樂，我們很容易會想到婉轉清澈的鳥鳴。研究鳥鳴的學者們將鳥分成兩類：一類是抄襲別的同類叫聲的“學聲鳥”，還有一類是通過自己的直覺和能力自學成才的“天生歌手”。研究人員一直很想知道，對於這些天生會鳴叫的鳥，其歌聲是否與身體大小等身體特徵相關。

最近，阿根廷布宜諾斯艾利斯大學的Gabriel Mindlin和同事的一項研究結果**[1, 2]**表明，對於一種叫做白喙刈草鳥的南美特有的鳥類，確實可以從它們的鳴叫聲中推測出其身體的大小。

白喙刈草鳥 | 圖片來源：Wikipedia

大多數的鳥是通過讓空氣流經聲帶，使之發生振動而鳴叫，這和人發聲的方法是一樣的。但Mindlin和同事們則推測，白喙刈草鳥並不是這樣發聲，而是讓聲帶閉合，使得空氣在聲帶後端累積。當累積的壓強足夠大時，聲帶突然張開，像爆炸一樣釋放出一股能量，並在一個叫做“鳥食管腔”的空間內發生共振。白喙刈草鳥是人類目前已知的唯一一種利用尖鋭的空氣脈衝來鳴叫的動物。

Mindlin等人的模型表明，鳥叫聲的頻率與食管腔的特徵頻率相關，它取決於這個食管腔的大小。因此，研究人員就可以從鳥叫聲中推測出鳥體型的大小了。

想像一下，只聽一個人的聲音，就能聽出ta的高矮胖瘦，也是挺恐怖的事情。不過或許電話相親的時候會有些用處，少點被騙的可能？而白喙刈草鳥為什麼會在歌聲中透露出它的身材特徵呢？難道這也是擇偶的一種出奇制勝的方法？（“聽我的歌聲多麼醇厚，所以我是多麼的偉岸啊！”）

[1] https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.124.098101

[2] Gonzalo Uribarri et al. Unusual Avian Vocal Mechanism Facilitates Encoding of Body Size. Phys. Rev. Lett. 124, 098101 (2020)

8 八億年前生命差點“窒息”

在八億多年前的地球上，海洋中的浮游植物源源不斷釋放氧氣，使得地球大氣呈富氧狀態，這樣的環境為複雜生命的出現鋪平了道路。

然而一支國際團隊的最新研究**[1, 2]**表明，在新元古代時期（至今10億到8億年前），海洋中發生的化學變化“鎖住”了磷元素，這限制了浮游植物的生長，並差點摧毀了當時的富氧環境。

浮游植物在光合作用中分解二氧化碳並釋放出氧氣。在植物死亡後，體內的積累的碳被掩埋，無法與氧氣再結合形成二氧化碳。

對生命而言，磷是一種不可或缺的營養物質。研究者稱，海洋的化學環境在那個時期變得富含鐵質。通過分析海洋沉積物，研究者發現鐵礦物質對去除水中的磷非常有效。儘管當時磷元素有限，光合作用減少、有機碳沉積減少，但該研究表明，生物可利用的磷量仍然能夠支撐植物產氧，維持了大氣中的氧含量沒有巨幅下降，不至於使地球返回到十億多年以前的貧氧狀態。

英國埃克塞特大學全球系統研究所所長Tim Lenton教授指出，關於複雜生命為什麼沒有更快出現，兩個可能的原因包括缺氧和缺乏營養。該研究表明，在新元古代早期存在的可能正是這兩種情況。

Lenton 解釋説：“如果那時海水中的磷含量下降到任何更低的水平，就有可能使整個世界重新陷入一種適合細菌但不適合複雜生命的貧氧大氣中。”

[1] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-03/uoe-oca030220.php

[2] https://www.nature.com/articles/s41561-020-0548-7

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