達爾文進化理論的新證明；探測地球周邊的暗物質 | 一週科技速覽_風聞

目  錄

1. 搜尋軸子的比賽

2. 絕緣、超導和鐵磁性可以同時實現？三層石墨烯做到了

3. 撕開塑料袋也會產生微塑料

4. 探測地球周邊的暗物質

5. 達爾文進化理論的新證明

6. 科學家模擬印巴核戰爭，結果是全球鬧饑荒

7. 手如何從魚鰭演化而來？

8. 微調碳14定年法可能“改寫”歷史

撰文 | 董唯元、楊凌、顧舒晨、韓若冰、於槐、小破

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搜尋軸子的比賽

軸子（Axion）不僅是宇宙暗物質的理想候選者，也是標準模型擴展工作的核心焦點之一，承載着強CP問題、反物質缺失、宇稱不守恆的來源等許多極為重要的基礎理論問題。（參看《一個對稱性解決三個宇宙學難題》）如果説2012年發現的“上帝粒子”是標準模型1.0版本的最後一塊拼圖，那麼確認軸子的存在將是正式啓動標準模型2.0版本升級之路的第一步。

如此重要的領域，自然吸引着眾多參與者激烈角逐。自2014年以來，美國、歐洲和亞洲的多個研究機構，都紛紛加入搜尋軸子的比賽。僅在上週，《物理評論快報》（PRL）就分別在3月11日和3月13日接連發表了兩篇探尋軸子實驗的結論報告。這兩篇論文分別來自美國華盛頓大學的ADMX實驗室（Axion Dark Matter eXperiment），和韓國基礎科學研究院的CAPP研究中心（Center for Axion and Precision Physics Research）。

兩個研究機構採用的探測方式非常類似，都是採用“張網捕魚”的方式希望捕獲銀河系中的軸子。他們所用的“網”，就是一個置身在強磁場中的微波共振腔。軸子一旦落入這張“網”，就會有一定概率轉化為光子。於是暗物質軸子這種懶惰的小透明，就變身成為可探測的螢火蟲。

不過軸子的質量出奇的微小，只有μeV量級，相當於電子質量的10^-11（千億分之一），所以即使轉化成光子，能量也非常低，探測難度相當大。所以研究團隊不能一次性掃描驗證很多能譜，只能在一次次精心調校設備之後，一小段一小段的摸排軸子的質量範圍。

來自ADMX的論文**[1****]排除了軸子質量範圍在2.81-3.31μeV之內的可能性，加上兩年前ADMX已經驗證過的2.66-2.81μeV質量範圍[2****]**，現在已經排除的總體範圍擴大到了2.66-3.31μeV。

ADMX排除掉的軸子質量範圍 | 來源：[1]

來自韓國CAPP的論文**[3****]**則排除了6.62-6.82μeV這一範圍。有趣的是，CAPP的論文中除了展示自己的成果，還同時將ADMX等其他研究機構先前的成果也一併進行了橫向對比。可惜論文從遞交到發表存在一段時間延遲，所以在CAPP發表於3月13日的論文中，並未包含ADMX剛剛在兩天之前公佈的上述最新成果。

從這些無傷大雅的小小烏龍事件中，搜尋暗物質軸子這場競賽的激烈程度也可見一斑。

[1] DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.101303

[2] N. Du et al. (ADMX Collaboration), Phys. Rev. Lett. 120, 151301 (2018).

[3] DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.101802

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絕緣、超導和鐵磁性可以同時實現？三層石墨烯做到了

通過將三層石墨烯交錯疊加，加州大學伯克利分校王楓課題組和復旦大學張遠波課題組的研究人員製備出了一種器件，可以同時實現三種迥異的性質：絕緣、超導和鐵磁性。這種具有奇特性質的石墨烯器件有望應用於量子計算機等領域。相關研究已於近日發表在《自然》雜誌**[1, 2****]**上。

自2004年石墨烯被發現以來，這種僅由一層碳原子構成的二維材料就展現了諸多出眾的熱學、力學和電學等性質。2016年，兩層石墨烯以“魔角”相互重疊而產生超導特性，更是引爆了“扭轉電子學”（Twistronics）這一領域的熱度。

傳統電路中的磁性材料通常由含有鐵或鈷的合金製成。這種磁性材料如同條形磁鐵一樣自帶南北極，可以作為硬盤存儲數據的方式，磁極的方向代表1或0。但石墨烯由碳原子構成，本身並沒有磁性。那麼，研究人員是如何讓石墨烯材料表現出鐵磁性的呢？

在實驗中，他們將三層石墨烯夾在兩層氮化硼當中，以一定角度交錯疊放，形成摩爾紋的超晶格。當施加門電壓時，電子被驅使沿着相同方向做圓周運動，使得器件具有鐵磁性。

三層石墨烯夾在兩層氮化硼當中形成摩爾紋超晶格，內部具有鐵磁性，邊緣則表現出超導電性 | 來源：Guorui Chen/Berkeley Lab

測量結果表明，石墨烯內部不僅有鐵磁性，而且是絕緣的，但是邊緣卻支持電流毫無阻礙地流動，也就是表現出超導電性。這些都是一種罕見的絕緣體——陳絕緣體（Chern insulator）的特徵，表明材料具有非同一般的拓撲學性質。

進一步的計算表明，石墨烯器件有兩個導電的邊緣，而不是隻有一個，因此，這種器件成為第一個被觀測到的“高階”陳絕緣體（陳數=2），而正是三層石墨烯內部強烈的電子相互作用導致了這種奇特的性質 。

“陳絕緣體”中的“陳”，來自以數學家陳省身名字命名的“陳數（Chern number）”。在二維材料中電子的動量空間上，對電子波函數的Berry相位積分，得到的數就叫陳數。陳數不為零的絕緣體被稱為陳絕緣體。最為人所知的陳絕緣體大概是可以實現整數量子霍爾效應的二維電子氣了。然而，使二維電子氣成為陳絕緣體需要很強的磁場，而此次製備的石墨烯器件並不需要外加磁場。

陳絕緣體有望為操縱量子信息提供潛在的新方式，在量子計算領域，科學家一直專注於尋找陳絕緣體。而這項研究表明，石墨烯不僅有助於對超導的研究，如今也可用於研究二維材料的拓撲物理。

[1] Chen, G., Sharpe, A.L., Fox, E.J. et al. Tunable correlated Chern insulator and ferromagnetism in a moiré superlattice. Nature 579, 56–61 (2020)

[2] https://newscenter.lbl.gov/2020/03/04/2d-material-gets-a-new-gig/

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撕開塑料袋也會產生微塑料

每年人類向環境排放百萬噸級的塑料，而尺寸在1um-5mm的微塑料顆粒能夠進入人體。人們對這些微塑料進入人體的過程並不完全清楚，普遍認為可能來自人類的食物鏈，比如海鮮、蜂蜜、自來水等，也可能來自於從空氣中吸入。一項最新研究告訴我們，若要在生活中控制和減少微塑料的產生，還應該小心撕開塑料袋這類微小的行為。

一般來説，微塑料顆粒的產生有直接和間接兩個源頭，直接源頭來自於工業生產，如化妝品內含有研磨作用的塑料微粒；間接源頭是指一般塑料製品在物理、化學或生物作用下分解成的碎粒。來自哈爾濱工業大學和澳大利亞紐卡斯爾大學的研究者們發現**[1****]**，即使像撕開塑料袋、擰開塑料瓶蓋等這樣的日常行為也會產生微塑料。

科學家們用石英晶體微天枰（QCM）和傅立葉變換紅外光譜儀（FT-IR）查找這些行為過程中產生的微塑料，並用掃描電子顯微鏡（SEM）實際觀察分析了這些微塑料的形態。

科學家們嘗試對不同的塑料物品進行實驗，包括塑料袋、塑料瓶、橡膠手套等，方法包括手撕、剪開、刀割等。各種不同的物品在不同的方法下，會產生不同形狀的微塑料顆粒，產生的多少取決於用力的大小、粗暴的程度以及塑料材料的密度和尺寸等因素。這些微塑料顆粒會隨着風或者水四處擴散和傳播，進入到環境中，而其中的一部分最終會進入到人體，但它們的危險性還有待進一步研究。

[1] https://nature.com/articles/s41598-020-61146-4

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探測地球周邊的暗物質

按目前的認識，我們雖然尚不知道宇宙暗物質具體由哪些物質構成，但它們確定無疑地具有如下兩大特點：一是幾乎不參與電磁相互作用；二是有質量可以產生引力效應。前者是説暗物質可以像嶗山道士一樣穿牆而過，不受到普通物質的任何阻擋。而後者則更有趣，研究者們一直在思考：既然暗物質能夠產生引力，那它們之間是否可以通過相互吸引結成團塊甚至天體呢？

如果暗物質團塊的質量超過月球質量以上，天文學家就可以通過一種稱為“微引力透鏡”的現象發現它們的蹤跡。經過數十年的奮力搜索，現在天文學家已經基本確定，宇宙中不存在質量介於月球質量以上、15個太陽質量以下的暗物質天體。近年來，隨着引力波探測能力的增強，這一結論進一步得到了加強。因為暗物質天體如果與中子星或者其他暗物質天體相互融合，也會輻射引力波，而LIGO至今也從沒有收聽到過這類引力波。

對於更小質量的暗物質團塊，研究者們採用了另外一種方法進行探測：利用暗物質可以與普通物質相互穿透這一特點，捕捉暗物質團塊進入其他普通物質時對重力產生的影響。如果在地球軌道上存在暗物質團塊，那麼隨着地球公轉，就會有暗物質穿過地球。當暗物質處在地球以內這段時間，就會對地表重力產生影響。

美國伯明頓大學的C. J. Horowitz和德國斯圖加特大學的R. Widmer-Schnidrig正是基於這一思路，分析了諸多地球重力的歷史數據。這些數據來自於世界各地的重力監測儀，拜超導技術所賜，這些監測儀器均以極高精度記錄着地球重力場中哪怕極其微小的擾動變化。

經過分析，兩位研究者得出的結論**[1****]**是：地球軌道上不存在質量大於十萬億分之一地球質量的暗物質團塊。看來暗物質似乎是一種非常不團結的物質，雖然能產生引力效應，卻不願意像普通物質一樣互相抱團結合成整坨的團塊。當然地球質量的10^-13仍然是一個比較大的概念，差不多相當於6億噸，比地球上所有活人加在一起的總質量還要多。

[1] arXiv:1912.00940v1 [astro-ph.EP]

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達爾文進化理論的新證明

達爾文進化論中的一條理論首次得到了研究者的證明**[1, 2****]**：動物亞種在進化中起着比以往認為的更重要的作用。一個物種是指一組可以在彼此之間自由繁殖的動物，有的物種包含多個亞種，即生理特徵和繁殖地域有區別的羣體。

《物種起源》一書寫道：包含更多物種的動物譜系也應包含更多的“品種”。這裏的“品種”即現代意義上的亞種。英國劍橋大學的研究人員通過觀察自然學家數百年來收集的數據，證實了達爾文的假設。研究者發現，哺乳動物的物種和亞種之間的進化關係因其棲息地而異。在非陸地和陸地生境中，亞種的形成、多樣化和數量增加的方式有所區別，這影響了亞種最終如何成為物種。

在研究物種豐富度與亞種豐富度之間的關係強度後，研究者還認為，亞種應當被看作是新物種形成的早期階段，但是對於不同的組羣，影響進化的因素不盡相同。

研究者提出了科學警告：人類對動物棲息地的破壞不僅會影響動物當下的生活，還將影響它們未來的進化，這些影響的大小取決於動物的活動和繁殖區域被破壞的程度。動物的亞種常常被忽略，但它們在長期的進化動力學中承擔了重要角色。

這項研究可以用來預測人們應該重點保護哪些物種，以防止它們瀕危或滅絕。

[1] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-03/sjcu-ood031620.php

[2] https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspb.2019.2702

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科學家模擬印巴核戰爭，結果是全球鬧饑荒

自上個世紀的冷戰以來，目前全球有14000顆核彈頭，其中95%都掌握在美國和俄羅斯手中。印度和巴基斯坦大概也各自擁有150顆。如果這兩個國家發生核戰爭，各自發射了50顆廣島級核彈頭，全球會發生什麼？

前一段時間，朝鮮的核試驗引起全球關注。印度和巴基斯坦在1947到1999年打了4場常規戰爭，很多專家更擔憂這一對冤家手裏的核武器。研究者們模擬雙方在2025年發生核戰爭，結果是戰爭會導致1億人直接死亡，而更多的人口將死於隨後而來的全球饑荒。

來自美國哥倫比亞大學和芝加哥大學等機構的科學家進行的這項研究表明**[1****]**，即使兩國發生上述規模的有限核戰爭，核爆炸之後將產生5百萬噸粉塵衝向大氣層，這將吸收大量的太陽光，並導致地球表面温度在接下來的5年中降低1.8攝氏度（3.25F）。全球的4種主要糧食作物，玉米、小麥、大豆、稻米將在此期間減產11%，隨後的5到10年裏才能逐步恢復產量。

這幾種作物主要種植在北緯30度附近，主產區包括美國、加拿大、歐洲、俄羅斯和中國。這些區域温度不高，農作物的生長期較短，因此少量降温就會導致作物無法成熟。玉米在美國預計會減產20%、在俄羅斯減產50%；小麥和大豆也會大量減產；北半球稍南一些的區域以稻米為主，受到的影響會比其他三種作物小一些。在南半球，南美洲和非洲的玉米糧食產區甚至會因為這一變化而增產，但是無法填補北半球糧食作物的巨大減產。

由於全球糧食貿易和發達國家普遍的糧食盈餘，屆時這些盈餘將被留在產糧國保證自身消費，而研究估計南半球將承擔核戰爭引起的饑荒，全球70個最窮國家的13億人口將不得不將口糧減少20%。

[1] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-03/eiac-eal031120.php

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手如何從魚鰭演化而來？

生命起源於海洋，而魚類演化成四足動物登上陸地是生命演化史中的大事件。為了理解手足（四肢）如何從魚鰭演化，填補四足動物登陸的缺失環節，科學家將目光投向肉鰭魚中的希望螈目化石，其中常為人熟知的是提塔利克魚（Tiktaalik）化石。

根據本週《自然》發表的一項研究**[1, 2****]**，一塊擁有手指樣胸鰭的希望螈（Elpistostege watsoni）化石為理解脊椎動物手的起源帶來了新線索。這塊長1.57米的化石同屬於希望螈目，在2010年發現於加拿大魁北克的埃斯屈米納克地層（Escuminac Formation），是迄今發現最完整的希望螈化石標本。

來自澳大利亞弗林德斯大學和加拿大魁北克大學的古生物學研究團隊利用高能斷層掃描技術對這塊約3.8億年前的化石進行研究，完整展示了胸鰭的骨骼結構。胸鰭上存在肱骨、橈骨和尺骨、成排的腕骨和指骨的結構，但同時保留了鰭條。研究人員表示，這種骨骼結構第一次展現了魚鰭和指骨相連的情況，是在魚類化石中發現的最像四足動物的例子，並且認為脊椎動物的手很可能起源於希望螈的胸鰭。

指骨的出現能夠使魚鰭更具有柔韌性，從而支撐魚類的自重，使其能夠在淺水或陸地上短暫活動，適應環境變化。這塊化石為脊椎動物手部進化增添了新證據，將脊椎動物的指骨起源追溯到了魚類。

[1] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-03/fu-aff031420.php

[2] https://www.nature.com/articles/s41586-020-2100-8

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微調碳14定年法可能“改寫”歷史

放射性碳定年法是利用自然中碳14同位素的放射性確定年代的方法，是考古學中精度最高、應用最廣的一種測年方法。放射性碳定年的結果可以用樹輪紀年法來校正。從1986年開始，科學家根據北半球樹木製作出樹木年輪校正曲線並不斷更新。這一曲線一直是歐洲和地中海放射性碳定年的基礎，併為史前史設定了時間框架。但美國康奈爾大學考古學教授Sturd Manning的團隊發現，越來越多的證據表明同一年的放射性碳水平在一些獨立的小區域可能存在差異，因此某些歷史事件的時間斷定也需要微調，這將改變地中海地區歷史上的某些關鍵年代。該研究成果已於3月18日發表於《科學進展》雜誌**[1, 2****]**。

地球上的放射性碳水平隨着季節變動而存在差異，有冬季低、夏季高的特點，並能夠體現在樹木年輪上。由於地區間的季節差異造成的樹木生長期的不同，僅使用單一的標準曲線並不能準確判定所有地區歷史事件發生的年代。通過比較幾千年前北歐和地中海的放射性碳數據，研究人員證實了地中海放射性碳水平存在一些雖然小卻關鍵的變化時期，將導致幾十年的定年誤差。這對地中海地區歷史年表的建立非常關鍵，很可能調和之前由於放射性碳定年與歷史研究不一致而引起的諸多矛盾，如埃及法老圖坦卡蒙死亡和埋葬的時間，以及聖托里尼大規模火山爆發日期的修正等。

這項研究還提出，有必要制定一個更詳細的地中海地區放射性碳的數據庫，以更嚴格地界定地中海考古的時間尺度，這也將有助於研究哪些文化影響了最終發展為古希臘文明的米諾斯和邁錫尼文化。

[1] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-03/cu-frd031820.php

[2] https://advances.sciencemag.org/content/6/12/eaaz1096