相對論時空結構的極限考驗；尋找超高能宇宙線中微子丨一週科技速覽_風聞

返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2020-04-05 14:24

2020-04-05

目錄

1. 相對論時空結構的極限考驗

2. 揭開塵封的巴西噬菌體療法

3. 研究發現近視的三種遺傳機制

4. 雷達回波尋找超高能宇宙線中微子

5. 大魚吃得越多，魚的種類越少

6. 中國防控措施或已避免70萬例新冠感染

7. 刷手機總是晚睡？有害心血管健康

8. 幾納米粗的導線有發熱熔化的危險嗎？

9. 量子效應觸發的材料反常膨脹

********************撰文 |********************董唯元、楊凌、韓若冰、顧舒晨、劉天同、於槐、太閣爾、姜小滿、徐穎

相對論時空結構的極限考驗

物理學家總是喜歡在極端條件下尋找物理定律的破綻，從而發現理論改進的線索或者驗證新理論是否成立。

在地球引力場中，愛因斯坦的相對論其實跟牛頓定律並沒什麼區別。無論是水星近日點的進動，還是光線經過太陽邊緣時的彎折角度，這些支持相對論的實際觀測結果，都得拜太陽的強引力場所賜。至於近來才觀測到的引力波，更是需要類似黑洞合併這樣的極端事件幫忙。

如今諸如量子引力理論或者弦理論等一批新理論，也必須尋找足夠極端的環境，才能發現當前理論描述與實際觀測的偏差，並藉此驗證新理論的種種預言。

在試圖統一相對論和量子理論的模型中，有些理論將時空的和諧對稱視為一種宏觀近似，預言在足夠微觀的尺度上不再有滿足洛倫茲協變性的時空結構，即產生所謂LIV（Lorentz invariance violation，洛倫茲不變性的破壞）。尤其是在量子引力的理論中，如果時空本身可以被量子化，那麼幾乎必然意味着洛倫茲不變性將在某個小尺度上被破壞。如果能夠通過觀測接近這一尺度，無疑將對相關理論驗證提供諸多直接證據。

不過想要觸及此類理論預言的極限並非易事，據推算只有在能量接近100TeV量級的光子身上，才能表現出與現有理論的明顯差異。這種能量級別比現有對撞機的能量上限還要大一兩個數量級。不過好在除了在地球上大興土木地建設高能對撞機之外，那些來自宇宙深處的神秘高能射線，也是我們天然的極限條件實驗場。

位於墨西哥塞拉內格拉火山的HAWC天文台，就是這樣一座專門觀測高能宇宙射線的觀測站。HAWC是High Altitude Water Cherenkov的縮寫，顧名思義就是在高海拔地區觀測水中的切倫科夫輻射，從而尋找超高能射線的蹤跡。

2020年3月，HAWC的一個美國和墨西哥聯合研究組，在《物理評論快報》（PRL）上發表了他們的最新觀測結論**[1****]**。在這篇署名作者近百位的論文中，研究者共觀測了來自4個不同源頭的宇宙高能γ射線，並對能量範圍為10-100TeV的數據進行了分析。很遺憾在所有這些高能射線中，都沒有出現LIV的預期證據。

圖中四個不同顏色的曲線表示來自4個不同源頭的宇宙高能γ射線分佈密度（相應的淺色條帶表示不確定度），虛線表示預期高能光子的LIV跡象，它們在實際數據中並沒有出現 | 圖片來源[1]

看來相對論時空的和諧對稱之美，還將繼續堅守在物理學中。有可能引力的量子化尺度比我們原本預期的更小，也有可能那些弦理論和量子引力的反對者是對的——引力根本無法量子化。

[1] arXiv:1911.08070v2 [astro-ph.HE]

揭開塵封的巴西噬菌體療法

新冠病毒肆虐全球，人們 “談毒色變”，但其實病毒大家族中存在一些對人類有益的成員，比如“噬菌體”。噬菌體能夠感染細菌導致其死亡，從而保護人體免受致病菌傷害。利用噬菌體治療細菌感染的方法被稱為“噬菌體療法”（Phage Therapy）。早在1920年，法國巴黎就開始使用噬菌體療法，但隨着抗生素的普及，這一療法漸漸地從西方世界消失。如今抗生素耐藥性問題日益嚴重，噬菌體療法的復興被認為是解決這一危機的可行方法。

3月出版的《柳葉刀傳染病》雜誌刊登了芬蘭于韋斯屈萊大學對巴西噬菌體療法的歷史回顧性研究**[1, 2****]**，揭示了由於語言障礙而被國際社會忽視的噬菌體療法熱點，對醫學史和噬菌體研究都具有重要意義。

葡萄牙語的歷史醫療記錄（1915-1952）顯示，巴西在噬菌體使用方面有着悠久的歷史，是噬菌體治療的重要踐行者，但由於語言障礙迄今鮮為人知。回顧歷史可知，從最初對噬菌體產品的大規模檢測到常規使用，巴西已經發現了噬菌體治療痢疾和葡萄球菌感染的安全使用細節。文獻中所記載的實際臨牀數據對於形成現代噬菌體療法、對抗急性腸道感染和對抗耐藥病原體都至關重要。這份關於巴西噬菌體療法的歷史回顧填補了我們對噬菌體治療的知識空白，為現代研究提供了有用的經驗。

[1] https://www.jyu.fi/en/current/archive/2020/03/forgotten-tale-of-phage-therapy-history-revealed-2013-phage-therapy-was-succesfully-used-against-dysentery-and-staphylococcal-infections

[2] Almeida GMF, Sundberg LR. The forgotten tale of Brazilian phage therapy [published online ahead of print, 2020 Mar 23]. Lancet Infect Dis. 2020;S1473-3099(20)30060-8. doi:10.1016/S1473-3099(20)30060-8

研究發現近視的三種遺傳機制

近視是一種極其複雜的疾病，通常由父母遺傳給孩子。根據《自然-遺傳學》雜誌發表的一篇新研究**[1****]**，現在我們終於得到了足夠的“碎片”，可以拼出近視的遺傳學全景。

該研究分析了超過50萬名志願者中與視力和近視度數有關的DNA，發現了近450個基因的大約1000個遺傳變異，這些變異似乎是眾多的中度到重度近視病例的原因。

這項研究發現，近視可能是由光信號通過視網膜傳輸到大腦的機制引起的。同時，與晝夜節律有關的基因可能是近視的一個重要因素，晝夜節律即調節24小時長睡眠和喚醒週期的內部生物鐘。研究者稱，以往已經觀察到在户外時間較少的人中，近視的發生更為普遍，而晝夜節律的變化很可能就是該現象的解釋。

除了參與維持晝夜節律的基因，負責眼睛、頭髮和皮膚色素沉着的基因也與近視有關。研究者稱，以往已經發現一些影響色素沉着的嚴重遺傳疾病會引起眼底變化，並導致嚴重的近視，但是在更廣泛的人羣中，色素沉着與近視之間也存在着驚人的關聯。

如果患者遺傳了足夠多的遺傳變異，就會發展出近視。基於研究發現的DNA變異的遺傳模型，研究者首次成功預測了參與者中75％的近視。

研究者稱，遺傳標誌物的發現在未來可能有助於預測兒童的病情。如果能夠研發出近視的預防方法，這些發現或許能夠幫助我們識別出風險最高、最需要採取預防措施的人。

[1] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-03/kcl-gpt033120.php

雷達回波尋找超高能宇宙線中微子

在南極冰面下兩公里處，坐落着全球最大的中微子觀測站——冰立方（IceCube）。自2013年冰立方合作組公佈累計觀測到28個超高能宇宙線中微子後，中微子天文學觀測的新時代正式開啓。在冰立方中，中微子與核子撞擊產生帶電粒子，這些帶電粒子的速度甚至會超過光在介質中的速度，從而產生切倫科夫輻射，發出藍色的光學衝擊波，科學家據此可以確認中微子行經的痕跡。然而，這種觀測方式的有效能量範圍在TeV（10^12 eV）到PeV（10^15eV）之間，要觀測更高能量級的中微子，就需要新的觀測手段。

近日，在一篇發表於《物理學評論快報》（PRL）的文章**[1****]**中，俄亥俄州州立大學的Steven Prohira研究組運用雷達回波技術，首次在實驗室中實現了對模擬中微子事件的確定探測，將現有中微子能量的探測區間推廣到了10 PeV以上。

當超高能宇宙線中微子穿過物質時，有時會與物質中的原子核相互作用，形成快速移動的帶電粒子簇，這種現象被稱為級聯。隨着這些粒子的速度變慢，它們會使介質中的原子發生電離，留下一團電荷雲，通過雷達觀測這個電荷雲就可以探測中微子。

不過由於中微子被捕捉的幾率很小，為快速檢驗這種概念的可行性，研究人員在美國SLAC國家加速器實驗室模擬了高能中微子撞擊原子核的級聯反應，而不是等待中微子觀測站的偶然事件。他們精心選擇電子脈衝的能量，使得由此產生的級聯與能量為 10^19 eV量級的中微子與冰中原子核相互作用產生的粒子級聯相當。同時，在垂直於電子束的方向上，他們向級聯產生的電荷雲持續發射無線電波，並通過多個接收天線監視雷達反射的信號。在扣除掉背景噪聲之後，研究人員最終確認了級聯的證據。

高能粒子級聯中的雷達回波 | 圖片來源[2]

這項實驗成功實現了對單個粒子級聯的雷達回波測量，是非常有突破性的一次實驗嘗試。接下來要做的，就是將實驗室中的新技術應用於真實的自然環境。

[1] Observation of Radar Echoes from High-Energy Particle Cascades”, S. Prohira et al. PHYSICAL REVIEW LETTERS 124, 091101 (2020)

[2] https://physics.aps.org/articles/v13/33#

大魚吃得越多，魚的種類越少

生物相互作用（biotic interactions）包括捕食、競爭、寄生、共生等。

早在1887年，生物地理學家華萊士（Wallace）就提出，由於低緯度冰川的消失，生物相互作用讓更多的物種得以出現和繁殖。之後百年間的類似構想無不圍繞兩個基本假設：1）捕食作用（predation）在赤道附近最為劇烈；2）捕食強度與物種豐富度成正相關**[1, 2****]**。

然而，最近發表在《自然-通訊》上的一項研究為駁斥這兩條假設提供了證據。研究者發現：1）遠洋魚類的捕食強度在温帶（而非熱帶）最為激烈；2）捕食強度與海洋中魚類的物種豐富度成負相關。至少對於遠洋魚類，經典的物種相互作用與緯度之間的關係也許並不適用**[3****]**。

研究人員獲取了多個海洋過去55年間遠洋延繩捕魚的數據，並將海洋區域劃分為5°×5°（經度×緯度）的方形區域進行比較，發現温帶地區的捕食作用比熱帶地區更為劇烈，而且在南半球較為顯著。雖然這些年間過度捕撈導致總體捕食強度有所降低，但温帶>熱帶的模式並沒有太多變化。

1960-2014年間不同海洋區域大型魚類相對捕食強度的比較：通過把海洋劃分為多個方形區域進行比較，研究人員發現温帶地區的捕食作用更為激烈，且這一特點在南半球較為顯著 | 圖片來源[3]

此外，在南緯40°至北緯40°之間（該區域遠洋魚類為主要捕食者），除西太平洋外，東太平洋、印度洋和大西洋中魚類物種的數量與大魚捕食的強度均呈明顯的負相關，而非之前認為的正相關。

此類研究將為物種豐富度的產生和維持提供新的研究方向和思路。

[1] Schemske DW, Mittelbach GG, Cornell HV, Sobel JM, Roy K. Is There a Latitudinal Gradient in the Importance of Biotic Interactions? Annu Rev Ecol Evol Syst. 2009 Dec;40(1):245–269.

[2] Coley PD, Kursar TA. Ecology. On tropical forests and their pests. Science. 2014 Jan 3;343(6166):35–36.

[3] Roesti M, Anstett DN, Freeman BG, Lee-Yaw JA, Schluter D, Chavarie L, et al. Pelagic fish predation is stronger at temperate latitudes than near the equator. Nat Commun. 2020 Dec;11(1):1527.

中國後期防控措施或已避免70萬例新冠感染

自2019年12月新冠病毒疫情暴發以來，截至2020年4月3日，全世界已有205個國家和地區出現新冠感染病例，累計確診1010702例，死亡51688例**[1****]。目前，各國防控力度不一。2020年3月31日，北京師範大學田懷玉研究團隊聯合普林斯頓大學以及牛津大學等科研團隊在《科學》雜誌發表研究性論文[2, 3****]**，明確指出實施封城、禁止公眾集會等干預措施能夠有效遏制新冠病毒的傳播。

該研究根據我國發布的新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）疫情數據中的病例報告、人員流動和公共衞生干預措施等相關數據，調查了實施干預措施的類型和時間對COVID-19的傳播和控制的影響。研究發現，武漢封城措施減緩了病毒向其他城市的傳播（2.91天）。與暴發後才開始實施干預措施的城市相比，及早採取措施的城市在疫情暴發的第一週的病例平均減少33%。暫停市內公共交通，關閉娛樂場所和禁止公共聚會等措施能夠有效減少病例的發生。全國應急響應減緩了新冠病毒在中國的傳播速度，減少了新冠病例的數量，並限制了流行的規模，截至2月19日（第50天）避免了全國範圍內超過七十萬病例的發生。

這一結果對仍處於COVID-19暴發早期階段的國傢俱有參考意義。此外，儘管中國國內的疫情現狀已相對明朗，但仍不能放鬆管控，以免疫情死灰復燃。

[1] https://mp.weixin.qq.com/s/0NiOfcY0CgWl0c3vdfAt9A

[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-03/ps-ccm033120.php

[3] https://science.sciencemag.org/content/early/2020/03/30/science.abb61

刷手機總是晚睡？有害心血管健康

睡眠不足會導致各種健康問題，每天至少7個小時睡眠對健康的意義已經是科學常識。可是，在一個流行刷朋友圈點讚的世界裏，在一個居家辦公24小時在線的世界裏，在一個被筆記本/平板電腦/手機等移動設備包圍的世界裏，我們很難對拖延睡眠説No。

不僅缺覺會誘發各類疾病，而且根據美國聖母大學的最新研究**[1, 2****]**，每天不能按時入睡也會對健康產生影響。研究人員利用可穿戴設備，在4年中收集了聖母大學557名學生的255,736條睡眠數據。通過對睡眠時間的規律性和靜息心率之間的關係進行分析，研究人員發現，即使只比正常入睡時間晚睡30分鐘，靜息心率也會顯著的升高，這種升高在隨後的幾天也會持續。而且，當人們比正常時間越晚入睡，其靜息心率在隨後的幾天裏就會越高。正常入睡時間定義為一個人平常就寢時間的前後半個小時。

那麼早睡會如何？結果令人驚訝，早睡也會導致這一現象。若只是早睡半個小時，這種影響很輕微，但若是早睡半小時以上，則會顯著提高靜息心率。早睡的影響相對晚睡來説要小一些，在睡眠過程中靜息心率的變化會得到恢復。

研究者稱，即便每天保證7小時的睡眠，但如果不是每天在相對固定的時間點就寢，靜息心率就會上升。因此，尤其對於需要倒班或者經常國際旅行的人來説，保證正常的作息時間表很重要。

[1] https://news.nd.edu/news/past-your-bedtime-inconsistency-may-increase-risk-to-cardiovascular-health/

[2] https://www.nature.com/articles/s41746-020-0250-6

幾納米粗的導線有發熱熔化的危險嗎？

隨着科學技術的不斷進步，電子芯片中元件的尺寸越來越小，正在逐漸逼近摩爾定律的極限，這帶來了很多技術上的難題。例如，金屬導線在電流通過的時候會發熱，因此會產生極輕微的熱膨脹。對於宏觀物體來説這可能並不是什麼嚴重的事情，但工程師們擔心，在導線只有幾納米粗的時候，這種熱膨脹帶來的壓力可能會讓納米尺度的金表現出液體的性質，進而影響器件的可靠性。

電路芯片 | 圖片來源[1]

但近日斯坦福大學的研究人員在發表於PRL的一項研究中表明**[2****]**，4 nm大小的金納米顆粒在高壓下仍然體現出固體的特性。研究者們首先借鑑鐵砧，設計了一個叫做“鑽石砧”的裝置，從而能夠給金納米顆粒施加7.5GPa的壓強（約等於7萬個大氣壓），並原位測量其結構受損情況。

金納米顆粒中的原子就像摩天大樓一樣層層堆疊，在鑽石和砧板的強大擠壓下，金晶格中的一些原子會脱位形成缺陷。而當照射X光時，未經擠壓的和有缺陷的金納米顆粒對X光的反射角度不同，根據這一點我們就可以測量擠壓後金納米顆粒的形變。一個重要的結果是，撤去壓力後金納米顆粒中的缺陷仍舊存在，這説明在這樣的尺度和壓力下，金納米顆粒仍然是固體，而沒有發生之前人們擔心的液化現象。因此，在可預見的將來，芯片製造商們似乎仍然可以繼續使用金來製作芯片中的導線。

[1] https://www.militaryaerospace.com/trusted-computing/article/14035222/trusted-computing-microelectronics-manufacturing

[2] Parakh et al., Nucleation of Dislocations in 3.9 nm Nanocrystals at High Pressure.Phys. Rev. Lett. 124, 106104

量子效應觸發的材料反常膨脹

水在結冰後體積會增加，可是飛機上的很多金屬部件會面臨相反的問題——在高海拔（低温）下它們會收縮。為了避免這種收縮帶來的災難，工程師將具有相反膨脹係數的材料製成合金，來平衡不同温度下的體積變化。

雖然水是一種最為常見的材料，但像水一樣隨着温度降低反而膨脹（負熱膨脹）的材料事實上非常少見。近日，一種材料負熱膨脹的機理得以闡明**[1, 2****]**，這種材料就是釔（Y）摻雜的硫化釤（SmS）。隨着外界温度、壓力等條件的不同，這種材料既可以是金色的金屬，電子在其中自由移動，也可以是黑色的半導體，只允許部分電子移動。其中金色的金屬態會在低温下膨脹。

X射線衍射實驗説明，當温度降低時，材料中的原子會相互遠離，造成最多達3%的體積膨脹。而X射線吸收光譜揭示出，之所以出現這種膨脹，是由於材料中的電子會進入釤原子的最外層，使得電子雲因此變大，造成體積膨脹。

這一現象可以由“近藤效應（Kondo effect）”解釋。該效應指出，電子會與磁性雜質作用，使電子自身的自旋與磁性雜質的磁矩方向相反，從而抵消磁矩。在硫化釤中，釤的最外層電子接近半滿，每一個釤原子就類似一個磁性雜質，而金屬態中的自由電子就可以接近並抵消這些磁矩。