编辑 | 杨凌、韩若冰、顾淼飞、陈航

 

1 利用量子涨落向真空传声

 

25年前，一位年轻的学者在伯克利大学参加博士资格考试时，面对一位教授的发问“为什么你能听到我坐在桌子对面的声音？”，他回答到：“那是因为你的声音通过空气中振动的分子进行传播。”

 

“如果我把所有的空气分子都吸出这个房间呢？你还能听到我说话的声音吗?”“不能，因为没有振动的介质。”

 

25年后，这一结论被这位学者亲手推翻。12月11日，伯克利大学讲席教授、香港大学校长张翔在《自然》发表文章[1]，通过实验证实了声音（声子）可以通过量子涨落在真空中传递。

 

“现在，你可以对着真空大喊了。”

 

利用量子纠缠，我们可以像透支信用卡一样向真空借能量，这在我们之前的文章中进行过讨论[2]；现在，利用量子涨落，我们同样可以像存储卡充值一样向真空传递能量。这是因为，根据量子理论，量子场从不静止，而是处于不断波动的状态，即使在绝对零度时亦是如此，这就导致量子理论在许多领域都能给出“反直觉”的物理结果，涵盖从原子物理学 (例如自发辐射和兰姆位移) 到宇宙学 (例如霍金辐射) 的多个学科。

 

1948年，卡西米尔根据电磁场的量子涨落描述了一种作用在中性物体之间的力。这种力在量子场论中具有根本理论意义，在纳米尺度和微米尺度技术中具有实际重要意义。近期，有人预测卡西米尔效应可以诱导相邻物体之间的声子传递，甚至可以通过真空间隙传递热量。热量通常是通过原子或分子的振动或声子在固体中传导的，如果卡西米尔效应能够通过实验证实，那么意味着声音（声子）确可在真空中传递。

 

张翔课题组设计一种对纳米间隙有严苛要求的实验装置，用以排除诸如电荷-电荷相互作用、倏逝电场和表面声子极化子等其他效应可能会对实验现象造成的干扰，以保证这种有趣的量子现象能被观察到。在实验中，张翔团队将两个相距几百纳米的镀金氮化硅薄膜置于真空室中。当加热其中一层膜时，通过卡西米尔效应，另一层膜也被加热了。通过声子模式的热布朗运动，张翔团队量化了声子模式的温度变化，实验结果明确地表明声子在强卡西米尔声子耦合机制下产生了热化效应。实验结果揭示了一种通过量子真空传热的新机制，为使用纳米机械装置研究量子热力学和量子能量传输开辟了新的机制。

 

张翔说道：“今天，我们发现了一个惊人的新模式，即在没有介质的真空中导热，这是通过有趣的量子真空涨落实现的。所以，在25年前的那场考试中，我的回答错了。”

 

[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] 利用量子纠缠向真空借能量；空气污染导致脱发 | 一周科技速览，https://mp.weixin.qq.com/s/_ZdiSeiJDD0KaX6BK-LSxg 。

 

2 未来，人类需要吃掉多少食物？

 

未来的人口到底要吃掉多少食物？一直以来，科学家们仅从现状和人口出发作出过统计预测。日前，哥廷根大学的发展经济学教授Stephan Klasen和他的学生Lutz Depenbusch 针对这个问题做了更深层次的分析——把人类日益增长的BMI因素和超重问题考虑进去，他们得出了完全不同的全球食物需求预测。这项研究成果已经刊登在《PLOS ONE》上[1]。

 

众所周知，一个人长得越高越重（即BMI值和身高值越高），意味着他/她需要更多的基础代谢，也就是说需要消耗更多的能量。研究人员基于个体维持体重所需要的能量为测量基础，对全球食物消耗水平做了预测。结果是：正常情况下全球人口的卡路里需求到2100年要增加61.05% （以2010年为基础）。而考虑身高和BMI的增加，全球食物还要再增加18.73%，这一增量几乎是印度和尼日利亚2010年全部人口的卡路里需求。对于撒哈拉以南的非洲贫穷国家来说，这恐怕是雪上加霜，因为这些国家恰恰是人口高增长国家。

 

有些人可能会认为卡路里短缺可以“纠正”BMI和身高过高，但研究表明，食物健康与否并不与BMI过高联系在一起，有时候反而是不健康的饮食导致了这些现象。尤其是在中等收入国家和正在城市化的国家里，人们摄入过多的油脂、甜食、加工谷物等，加之越来越少的运动，使得这些国家出现广泛的肥胖。假如目前全球人口的BMI都和美国人当前的平均BMI一样，那么全世界现在就额外需要相当于4.73亿成年人的能量和相应食物。

 

如果全球食物增产做不到这么多，研究人员也不认为这样就可以控制BMI——富人们会保持他们的饮食习惯，非富人则未必缩食，他们会因为营养食物价格高而被迫吃更多富含卡路里但没有营养成分的廉价食品，这种营养不良可能会导致BMI的进一步恶化。

 

[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 比窦娥还冤的动物学家

 

一百多年前，动物学家Herbert Spencer Jennings描述了一种淡水单细胞生物——带核喇叭虫 (Stentor roeseli) 复杂多样的回避行为。半个多世纪后，由于研究者在类似生物中进行的实验未能复现他的观察结果，使得当时的学术界普遍认为Jennings的研究结果无法使人信服，Jennings的结论就这样被推翻。

 

然而，12月5日哈佛大学医学院发表在《当代生物学》杂志上的研究[1]证实了Jennings在一百多年前观察到的现象切实可信：视频记录显示，在遇到一股喷出的聚苯乙烯颗粒后，带核喇叭虫会改变反应，这表明单细胞生物能够做出决定，“改变主意”。

 

哈佛大学医学院的Jeremy Gunawardena说：“原生生物要在复杂的生态环境中生存，自然也表现出解决问题的复杂行为，例如导航、猎食和寻找交配对象。”他继续指出，“人们通常认为（Jennings观察到的）那种自主认知行为发生在具有神经系统的多细胞生物中，但是我们在研究中看到单细胞生物也具有这种能力。”

 

带核喇叭虫是一种无色、喇叭形的原生生物，不用显微镜也能看到。带核喇叭虫通过拍打成列的螺旋状纤毛将食物颗粒送入“口”中，大部分时间都将自己固着在藻类或碎石上。

 

但是，正如Jennings指出的那样，带核喇叭虫能够对不适刺激做出多种反应。它可以弯曲到一边，也可以改变纤毛的拍打方向以驱赶刺激物，或者收缩，有时收缩还会使自身从藻类上脱落，然后游动远离刺激。Jennings还发现，如果重复施加不适刺激，带核喇叭虫的反应往往会以特定的顺序发生，并且只有在前两次尝试避开刺激失败后，才会发生收缩和脱离。

 

先前尝试复制Jennings观察的研究未能成功，原因之一正是研究者使用了另一种喇叭虫。因此在这项新研究中，研究人员确保获取了正确的物种，并重复Jennings所做的事情。研究人员将含有带核喇叭虫的液滴置于可录制视频的显微镜下，然后用细移液管将聚苯乙烯颗粒[2]悬液喷在它们身上。

 

在观察中，喇叭虫做出了Jennings描述的所有行为。被喷了悬液之后，喇叭虫“弯腰”避开刺激，改变纤毛的方向，反复收缩，或者脱落并游走。然而研究者还发现了不同个体间存在的更大差异，每个个体只有部分行为会按照Jennings提出的特定顺序发生。因此，团队开发了一种统计分析方法，将Jennings提出的特定顺序归纳为一般顺序。通常情况下，带核喇叭虫倾向于弯曲身体和扭转纤毛作为避开不适刺激的首选策略，并且只有在持续刺激的情况下才发展为收缩行为。

 

总体而言，研究结果表明Jennings提出的回避行为层级可能存在，这种层级可被视为连续性决策的一种形式。

 

该小组的统计分析还表明，至于是收缩还是脱离并游走，两种行为发生的几率几乎是1:1——好像带核喇叭虫是在以掷硬币的方式做出决定一样，这对于单个细胞来说是相当惊人的能力。研究团队希望在未来探索“抛硬币”式决策的机制，并通过先进的机器学习技术研究这种生物的行为。

 

[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团队最初采用的胭脂红等其他悬液效果不佳。

 

4 找到工作，远离自恋

 

对于那些担心孩子的自恋倾向会不会难以掌控的家长来说，现在可以放心一些了。因为来自密歇根州立大学的研究人员通过一项迄今为止关于自恋的时间最长的研究，揭示了自恋情绪随时间的变化情况。

 

这项研究发表在近日的《心理学与衰老》杂志上[1]，通过对近750人的样本调查，观察了自恋情绪在13~70岁之间是如何变化的。密歇根州立大学的心理学副教授，论文第一作者Chopik William说：“在我们的文化惯性思维中，往往会认为一代比一代更自恋，但是没有人观察过每一代人的自恋现象，以及自恋程度随着每个个体年龄的变化情况。”

 

研究结果表明，有些与自恋相关联的性格特点随着年龄增长减弱了，例如以自我为中心、对批评敏感、将自己的观点强加于人；而另外一些性格特点则随着年龄渐长变得愈加明显，例如对自己具有较高的期望值。

 

按照William的说法，自恋程度降低的最大驱动因素，是人生中找到了第一份工作。“自恋的人往往不愿意接受批评，可是生活中总会发生一些事情，让他们不得不接受负面反馈，这时他们就需要调整对自己的认识——自己并不像之前想象的那么优秀。他们开始意识到，如果想要拥有朋友或者良好的人际关系，就必须做出改变。” William说。

 

William发现，自恋情绪变化最快的年龄段是青年阶段。他还发现，跟大多数人的想法不同，自恋程度的变化是贯穿一生的，并不会在人生中的某个阶段或某个特定的年龄停止。

 

有了这一新发现， 研究人员希望公众能更加深入地理解自恋的不同类型，并且重新认识以往没有进行充分研究的老年人口的自恋现象。另外，如果你担心身边的谁谁是个彻头彻尾的自恋主义者，那么这项研究无疑是个好消息——等他们年纪大了，就不会那么自恋了。

 

[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：科学基金改革将完善6个机制、强化2个重点

 

12月5日，国家自然科学基金委员会（以下简称自然科学基金委）在北京举办“科学基金改革与发展国际研讨会”。

 

自然科学基金委主任李静海在主旨演讲中介绍了自然科学基金委改革方案及最新进展。他表示，未来自然科学基金委以“明确资助导向、完善评审机制、优化学科布局”三大任务为核心的系统性改革中，将推行完善6个机制、强化2个重点等新举措，确保改革目标实现。

 

其中，6个机制包括面向国家重大需求的科学问题凝练机制、面向世界科学前沿的科学问题凝练机制、重大类型项目立项机制、成果应用贯通机制、学科交叉融合机制、多元投入机制；2个重点则包括原创探索计划、人才资助体系升级计划。

 

“自然科学基金委正在通过努力完善管理机制，强化原始创新与人才培养两大重点，力求建成理念先进、制度规范、公正高效的新时代科学基金体系。”李静海强调。

 

据悉，有关这些政策的细则目前正在酝酿中，有望在2020年公布。

 

此次会议旨在通过各国科研资助机构会商国际科技发展形势，探索科研资助工作的改革路径。来自英国、俄罗斯、美国、德国、瑞士、以色列、日本、韩国、土耳其等21个国家及地区的30所科研资助机构或国际组织的代表与学者共80余人参加此次会议。

 

[1] 本文转载自公众号：中国科学院院刊（ID：CASbulletin）