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越吃越瘦,从丰盛的早餐开始 | 科技速览

 

编辑 | 韩若冰 琵思佛
 
编译 | 董唯元 顾舒晨 刘航 洪俊贤 姜丽佳
 
1 引力如何拯救薛定谔的猫?
 
量子叠加态的诡异,被薛定谔提出的那只既死又活的猫表达得淋漓尽致。一方面,在量子尺度上代表不同可能性的多种量子态同时存在;另一方面,每种微观量子态所对应的宏观状态却无法同时存在。这一被称为QSMDS(quantum superpositions of macroscopically distinct states,宏观可区分态在量子尺度的叠加)的古怪事实,逼迫着研究者们不断提出各种理论解释。
 
除了多世界理论、哥本哈根诠释、隐变量理论等各类解读,还有一类名为客观塌缩的理论。这类理论认为,所谓的波函数“塌缩”过程,其实是从量子尺度到宏观尺度的“演化”过程。就像干细胞演化成不同的组织细胞一样,量子尺度的叠加态也会自发地演化为不同的本征态,从而与那些宏观经典态严格对应。
 
最早提出量子态可以自发塌缩的是Giancarlo Ghirardi、Alberto Rimini和Tullio Weber,他们在1985年提出的这一理论,就以三位研究者的首字母命名为GRW理论[1, 2]。后来这一理论在解决了对称性方面的问题之后,在1990年左右发展为CSL(continuous spontaneous localization,连续自发投影)理论[3]。
 
与GRW/CSL理论并列的另一个客观塌缩诠释,来自于著名学者彭罗斯(Roger Penrose)。他受到量子引力方面研究工作的启发,在1996年左右提出:引力会导致波函数塌缩[4]。他还勇敢地将这一非常前沿的认识写入了面向大众的科普读物《皇帝新脑》,以致于很多非相关专业的读者如坠烟雾,一片茫然。
 
客观塌缩诠释的最新理论进展,来自于法国学者Franck Laloë。他在今年2月发表的论文[5]中,综合吸收了GRW/CSL理论和彭罗斯理论的研究思路,提出了非常清晰易懂的由引力作用造成波函数塌缩的理论模型。具体而言,就是在引力常数中添加一个很小的虚数部分,就可以直观地推导出波函数演化过程。
 
作为解决QSMDS问题的实例,Franck Laloë在论文中甚至直接计算出薛定谔之猫的塌缩时间大约为10-6秒。过程如此之短,难怪我们从未在宏观世界中遇到过一只处于既死又活叠加状态的猫。
 
当然客观塌缩理论的研究目的,并不只是为了解救这只可怜的小猫。其更为深远的意义,在于帮助我们改善对量子世界种种奇特属性的理解和认识。如果不依靠玄不可及的平行世界,也可以符合逻辑的理解所有自然规律,也许会令科幻迷们略感失望,但对物理学家来说则肯定是一种福音。
 
[1] Ghirardi, G.C., Rimini, A., and Weber, T. (1985). "A Model for a Unified Quantum Description of Macroscopic and Microscopic Systems". Quantum Probability and Applications, L. Accardi et al. (eds), Springer, Berlin.
 
[2] Ghirardi, G.C., Rimini, A., and Weber, T. (1986). "Unified dynamics for microscopic and macroscopic systems". Physical Review D. 34: 470. Bibcode:1986PhRvD..34..470G. doi:10.1103/PhysRevD.34.470.
 
[3] Ghirardi, Gian Carlo; Pearle, Philip; Rimini, Alberto (1990-07-01). "Markov processes in Hilbert space and continuous spontaneous localization of systems of identical particles". Physical Review A. 42 (1): 78–89. Bibcode:1990PhRvA..42...78G. doi:10.1103/PhysRevA.42.78. Retrieved 2013-10-07.
 
[4] Penrose, Roger (1996). "On Gravity's Role in Quantum State Reduction". General Relativity and Gravitation. 28 (5): 581–600. Bibcode:1996GReGr..28..581P. doi:10.1007/BF02105068.
 
[5] Laloë, F. A model of quantum collapse induced by gravity. Eur. Phys. J. D 74, 25 (2020). https://doi.org/10.1140/epjd/e2019-100434-1
 
2 持久反社会,大脑有问题
 
《柳叶刀-精神病学》杂志上的新研究[1, 2]表明,在一生中持久表现偷窃、暴力、欺凌或说谎等反社会行为的人,脑部结构特征存在异常。
 
该研究利用了672名45岁参与者的MRI脑部扫描图像。根据来自家人、照看者、教师及本人报告的品行问题,参与者被分为表现出长久反社会行为、青少年时期反社会行为和无反社会行为的三类。
 
研究者比较了三类参与者的平均大脑皮质厚度和皮质表面积(体现灰质大小),同时分析了360个不同皮质区域的厚度和表面积。研究发现,长久反社会个体的平均皮质厚度和表面积比无反社会行为的个体的更小,而且在前者的360个脑区中,282个的表面积和11个的皮质厚度都减小了。在以往的研究中,这些异常区域中的大多数都被认为与反社会行为相关。
 
然而,仅在青春期表现出反社会行为的个体中,没有观察到广泛的脑结构异常。
 
首席作者、英国伦敦大学学院的Christina Carlisi博士说,持久反社会行为者的大脑结构可能存在差异,这使得他们难以发展社交技能,从而无法停止反社会行为。
 
论文合作者、美国杜克大学的 Terrie Moffitt同时强调,该研究绝不推荐将脑部扫描图像用于区分青少年犯罪的性质以制定相应的惩罚手段,因为目前我们对脑部结构的理解还不足以支撑具体到个人层面的应用。
 
[1] Carlisi C O, Moffitt T E, Knodt A R, et al. Associations between life-course-persistent antisocial behaviour and brain structure in a population-representative longitudinal birth cohort[J]. The Lancet Psychiatry, 2020.
 
[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-02/tl-pss021420.php
 
3 电子:我也可以像软物质
 
电子是种很有趣的粒子,它们能根据所处的环境改变自身的行为。通常,材料中的电子之间相互作用比较弱,它们可以自由移动,从而使材料导电,表现为导体。但是,同样是这些电子,它们在某些情况下相互作用会变强,使电子的行动受到限制,材料就变成了绝缘体。材料性质在金属和绝缘体之间的这种转变被称作莫特转变(Mott transition)。莫特转变过程中会出现高温超导、巨磁阻等现象,在工业上有极大的应用前景。
 
最近一组来自日本的科学家对电子做了进一步研究。他们基于准二维有机莫特绝缘体κ-(ET)2Cu[N(CN)2]Cl,分别通过X光照射和施加压力,改变材料的无序性和电子相互作用强度。当用X光对材料照射500小时后发现,电子的运动减慢了约百万至万万分之一,表现出长程的自组织和慢动力学,这种状态可由软物质领域的 “格里菲斯相(electronic Griffiths phase)”概念描述。此时的关联电子表现得像是软物质(如聚合物、凝胶、奶油等)中的组成粒子。当再对这种状态下的材料施加压力,电子的行为马上回复到正常状态。
 
 
基于这项实验,科学家们得出结论,为了使固体中的电子表现得像软物质中的粒子,需要两个必要因素:其一,材料必须处于金属-莫特绝缘体的转变边界;其二,材料在温度和能量极低时必须仍具有无序性(quenched disorder)。这项研究[2]发表于最近的《物理评论快报》(Physical Review Letters)。
 
长期以来,固体物理和软物质物理领域独立发展,几乎没有物理概念上的交流。通过最近这项研究人们认识到,固体物质中处于莫特转变附近的关联电子,在特定条件下可以表现出类似“结构化流体”的行为。这项研究为物理学这两个独立领域之间搭建了一座桥梁,也为开发物理学新领域打开了一扇机会之门。
 
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Mott_transition
 
[2] Riku Yamamoto, Tetsuya Furukawa, Kazuya Miyagawa, Takahiko Sasaki, Kazushi Kanoda, and Tetsuaki Itou, Phys. Rev. Lett. 124, 046404
 
4 新技术让我们听见癌细胞之间的悄悄话
 
发表在《自然方法》杂志上的研究介绍了一项新技术,可以让科学家实现对数百万个细胞的“监听”[1, 2]。这是科学家首次能够同时分析肿瘤类器官中单个细胞的不同信号分子,破译肿瘤细胞是如何相互相沟通的。
 
类器官是由多种细胞所组成的具有3D结构的微型器官,能够在体外环境下更准确地模拟癌症的发生。科学家优化了一种检测和分析蛋白质分子的大规模细胞分析技术,并在类器官中进行了测试。科学家将类器官分解成单个细胞后,加入重金属标记的抗体,这些抗体将针对性地与相对应的信号分子结合。在对这些细胞进行雾化并使重金属原子带电后,科学家就能够通过分析磁场以区分不同的信号分子,并对其进行监测。
 
这项技术有助于我们更好地理解癌细胞或其他细胞之间的复杂交流,揭示癌症复发或扩散的秘密,帮助科学家理解肿瘤免疫逃逸以及产生抗药性的原因。该技术虽然目前还处于开发的早期阶段,但有望在未来帮助我们实现更精细的个性化治疗,帮助更多的人战胜癌症。
 
[1] https://www.nature.com/articles/s41592-020-0737-8
 
[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-02/cru-nta021420.php
 
5 出乎意料的K介子衰变事件会导向超出标准模型的新物理吗?
 
标准模型是描述强力、弱力及电磁力这三种基本相互作用,及组成所有物质基本粒子的理论。然而,作为理论物理学的最大成就之一,标准模型并不是对自然的完整描述。要寻找超出标准模型的新物理,一种最佳方法是寻找标准模型理论预言的稀有事例的信号,观察到少量此类事件即可构成新物理的有力证据[1, 2]。
 
 
对于这些出乎意料的衰变事件,来自佛罗里达州立大学的科学家Kohsaku Tobioka 等人尝试用三种不同的新物理的模型去分析和解释实验结果:第一种可能的解释是,一些额外的有效相互作用让 KL0的衰变发生的更频繁。其他两种解释则牵涉到新的粒子。他们认为,粒子有时会衰变为π介子和一个不可见的X粒子,而这个过程被误判为 KL0 到π介子和两个中微子的衰变事件,由于KOTO比其他探测器小,如果新粒子在衰变之前行经了很长距离,它可能无法完全捕获中性K介子的所有衰变产物。还有一种可能的解释是,KOTO实验探测到的是一种未知粒子的衰变而不是K介子的衰变。
 
如果进一步的实验证实了这种稀有的K介子衰变,可能会迫使物理学家修改标准模型[4]。
 
[1] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-02/aps-ats_2021820.php
 
[2] https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.124.071801
 
[3] S. Shinohara, Search for the rare decay KL → π0νν ̄ at J-PARC KOTO experiment, KAON2019, Perugia, Italy, 2019.
 
[4] https://www.particlebites.com/?p=6630
 
6 越吃越瘦,从丰盛的早餐开始
 
“光吃不胖”是许多人的梦想。近日,德国吕贝克大学的研究人员发表在《内分泌学会临床内分泌与代谢杂志》上的一项研究表明,早餐产生的热量消耗是晚餐的两倍,丰盛的早餐或许可以预防和缓解肥胖问题[1, 2]。
 
研究人员利用食物生热效应(diet-induced thermogenesis,DIT)开展研究,这一效应指食物发生消化、吸收、转运等生理过程时,我们的机体会额外消耗更多的热量。食物生热效应可以用来衡量机体的代谢水平,其强度也可能因进餐时间的差异而有所不同。
 
研究中16名男性受试者被要求保持进食低热量的早餐和高热量的晚餐,一轮实验为期三天;之后转为进食高热量早餐和低热量晚餐,进行第二轮实验。结果发现,在食物热量相等的情况下,早餐的食物生热效应总是晚餐的2.5倍。此外与晚餐相比,早餐后食物引起的血糖升高和胰岛素浓度增加都会减少;而进食低热量的早餐时,人们的食欲、尤其是对于甜食的欲望则有所增加。
 
“无论总热量多少,早餐进食后都会产生相当于同样晚餐两倍的热量消耗,”本项研究的通讯作者Juliane Richter博士介绍道,“这一发现揭示了吃早餐的重要性,对我们每个人来说都很有意义。”Richter也因此推荐肥胖病人和健康人都吃更丰盛的早餐和更少量的晚餐,这有助于减轻体重并预防糖尿病等营养代谢性疾病。
 
爱美爱健康的朋友们,不妨试试从一顿丰盛的早餐开始?
 
[1] Juliane Richter, Nina Herzog, Simon Janka, Thalke Baumann, Alina Kistenmacher, Kerstin M Oltmanns, Twice as High Diet-Induced Thermogenesis After Breakfast vs Dinner On High-Calorie as Well as Low-Calorie Meals, The Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism, Volume 105, Issue 3, March 2020, dgz311, https://doi.org/10.1210/clinem/dgz311
 
[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-02/tes-pwe021820.php

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