编辑 | 韩若冰 琵思佛

 

编译 | 董唯元 杨凌、 顾淼飞 顾舒晨 刘航

 

1 暗物质根本不存在？

 

追溯宇宙暗物质的提出，最初是为了解释星系边缘的星体运动速度过快的现象。按照引力理论推算，银河系中所有可观测到的天体总质量，不足以维系住其边缘地带那些快速运动的星体。早在20世纪30年代，天文学家就发现了这一现象，但直到1980年左右，这一结论才被天文学家广泛接受。随后的十几年中，各种版本的暗物质理论也相继出炉。

 

所有暗物质理论都是在承认现有引力理论的前提下，希望寻找“尚未观测到的物质”来填补所需要的那部分质量空缺。据估算，所需空缺质量是现已观测到的普通物质总质量的6~7倍。

 

1983年，以色列物理学家Mordehai Milgrom另辟蹊径，他设想也许并不存在质量空缺，而是我们所认识的引力理论需要修正，MOND（Modified Newtonian Dynamics）理论由此诞生。著名的Jacob Bekenstein，就是最早认识到黑洞熵的那位Jacob Bekenstein，他也很快加入了MOND的研究，并为完善这一理论假设做了颇多贡献。

 

 

在上世纪末和本世纪初，修改现有引力理论的具体实施方案迅速发展出了很多种形式，这些理论被统称为MOND理论。后来随着引力透镜等其他观测证据的出现，一部分MOND理论被排除。尤其是2017年引力波速度被测定确认为光速后，大部分MOND模型都被淘汰，但仍有一些理论模型屹立不倒。

 

大约十年前，曾有一个日本研究团队对星系的形成过程进行了计算机仿真模拟。他们声称，如果不引入暗物质，星系就无法形成，并以此作为暗物质存在的佐证之一。但实际上，如果不引入暗物质，而是适当调整引力作用的模型，也可以得到类似的仿真结果。

 

最近，一个由德国、捷克和法国研究者组成的研究团队，便基于MOND理论进行了仿真模拟。在没有暗物质的条件下，仿真模拟成功地完成了由宇宙尘埃到圆盘状星系的演化过程。研究团队在论文[1]中详细展示了仿真模型设计，以及星系演化过程中各阶段的状态，令人信服地证明了“不依靠暗物质，通过修改引力理论也可以解释星系运行状态”。

 

当然，作为旨在排除暗物质可能性的理论，MOND理论目前还面临其他难题有待解决。其中最重要的就是猎户座子弹星云，其所展示的星系对撞过程中质量分布与发光星体分布的严重偏离，一直被视为暗物质存在的事实铁证。而MOND理论目前对此现象还无法提供任何解释。

 

 

不过也有研究者试图将MOND理论与暗物质兼收并蓄，而不是将其视为非此即彼的竞争性理论。也许宇宙暗物质确实存在，只不过没有我们原本推算的那么多。同时，现有引力理论也确实需要在宇宙大尺度上做出修正，从而“抵消”一部分预期中的质量缺口。

 

无论如何，涉及引力理论的修改对天文学，乃至整个物理学都事关重大。如果某天MOND得以验证实锤，必然对整个宇宙结构和演化的认识都带来颠覆性影响。

 

[1] Wittenburg N, Kroupa P, Famaey B. The formation of exponential disk galaxies in MOND[J]. arXiv preprint arXiv:2002.01941, 2020.

 

2 术语越多越专业，听众越怕越远离

 

当科学家和政客经常用内行的专业术语和大众沟通时，对大众的负面效果可不仅仅是感觉像听天书。发表在《语言和社会心理学期刊》上的最新的研究[1]表明，对于类似于自动驾驶、手术机器人一类的话题，若受众听到或看到大量的专业术语，他们会表示对这些技术不够感兴趣，而且倾向于认为自己不擅长科学，缺乏对科学的了解，且没有参与科学讨论的资格。

 

不仅如此，即使给这些专业词汇加上注释，读者也会和阅读没加注释的文章一样感到受挫。

 

俄亥俄州立大学传播学助理教授、该研究的第一作者Hillary Shulman说，问题在于专业词汇向读者传递了一种不鼓励的信号。使用艰深、专业的词语会让读者觉得这些文章不是写给他们看的，即使给这些术语加上注释也于事无补。

 

“我首先从政治方面着手研究，”Shulman解释说。“我们发现和人们进行像移民政策之类的沟通时，使用的口语化语言越多，人们就会对政治越感兴趣，对政治信息的理解能力也变得更强，对自己的政治观点也变得更有自信。”

 

Shulman和她的同事们研究了20多个不同的政治和科学主题中的语言使用和公共参与度的关系，结果全部和上述结论一样。如果科学家和政客等相关专业人士在和民众沟通时，能够用易于理解的语言表达复杂的科学或政治问题，就会获得民众更高的参与度。

 

这项研究邀请了650个成年人参与，每人被要求阅读三篇科技类的文章，分别关于自动驾驶、手术机器人和3D生物打印。其中一半的读者拿到的文章版本中没有专业词汇，另一半读者拿到的版本富含专业词汇。例如，关于手术机器人的一版文章写道：“系统工作原理基于在运动缩放和颤抖抑制过程中的AI整合。”而另一版没有专业词汇的文章则写道：“系统通过编程使机器人的动作更加精确，并减少了动作颤抖。”研究者还为拿到专业词汇版本的那一组参与者提供了术语的解释，当他们把鼠标放在术语上就会出现浮窗，其中的解释和没有专业词汇那一版文章中的一模一样。

 

当阅读完一篇文章之后，参与者被要求对阅读内容的难易程度打分。当三篇文章全部读完之后，参与者被要求完成一项在线调研，以衡量他们对科学的兴趣以及认为自己对科学的了解程度。

 

和预期一致，拿到富含专业词汇版本的那一组认为自己不太明白文章在说什么，尽管他们可以看到专业词汇的解释。因此，给不给定义和解释对读者而言没什么区别，难懂就是难懂。但是阅读没有专业词汇的版本则让读者感到鼓舞，他们更愿意说自己读懂了，因为自己是相信科学、喜爱科学的人，并认为自己知识丰富。

 

受众广泛接触艰涩的专业词汇还带来了一个更严重的问题。早先发表在《公众理解科学》期刊上的一项研究[2]表明，阅读专业词汇导致大众不再信任科学。

 

“当读者难以理解这些术语的时候，他们会开始逆反，讨厌这些文章。当文章易于阅读时，读者会更容易被说服，更愿意支持文章提到的技术，”Shulman说。“可见，在和大众沟通气候变化或疫苗等复杂的科学话题时，选择清晰的沟通方式有多么重要。”

 

Shulman 还表示，当和科学素养较高的受众沟通时，使用专业词汇没什么问题，但若面向公众进行沟通，就要使用合适的语言，第一步就是剔除专业词汇。很多人认为，为公众提供专业词汇的注释或定义就可以了，而该研究证明这远远不够。

 

[1] Shulman H C, Dixon G N, Bullock O M, et al. The Effects of Jargon on Processing Fluency, Self-Perceptions, and Scientific Engagement[J]. Journal of Language and Social Psychology, 2020: 0261927X20902177.

 

[2] Bullock O M, Colón Amill D, Shulman H C, et al. Jargon as a barrier to effective science communication: Evidence from metacognition[J]. Public Understanding of Science, 2019, 28(7): 845-853.

 

3 氢甲酰化领域50年来的第一次重要发现

 

美国路易斯安那州立大学化学教授George Stanley和他的同事发现了一种用于氢甲酰化反应的新型钴阳离子双膦配位催化剂，可以实现很高的催化活性和强大的催化效果。这项研究发表在近日的《科学》杂志上[1]。

 

催化剂的作用颇有几分“点石成金”的意思。它在化学反应过程中“协助”反应物转化成产物，而自己不发生任何改变。钴具有良好的接受其他原子的能力，非常容易形成复杂分子，易于促进复杂的分子间转化。

 

目前，工业上约75%的氢甲酰化工艺使用的都是铑基催化剂。这种生产工艺的优势在于无须高压条件，车间建造成本也比较低。但是Stanley认为，钴基催化剂不仅产出更可观（对于某些特定的醛类产物），而且经济上也更加划算。“尽管钴阳离子双膦配位催化剂的催化速率相较于最好的铑基催化剂只有1/20，但是它的价格却是后者的万分之一。”考虑到仅仅路易斯安那州一地就有埃克森美孚、壳牌、陶氏化学三大化工巨头设立的大型氢甲酰化装置，这种高效、经济的新型催化剂的工业应用前景可见一斑。

 

氢甲酰化反应是一种将烯烃、一氧化碳和氢气转化成复杂有机产品的催化反应，常用的增塑剂和洗涤剂就是氢甲酰化反应的产物。

 

值得一提的是，这种新型钴基催化剂对于较难发生氢甲酰化反应的内支链分子具有优异的活性和选择性。这一特性在工业中具有独特的应用，例如，洗涤剂由于分子的线性结构而难溶于冷水，使用这种新型催化剂，可以制备出结构上具有更多“分支”的洗涤剂分子，从而能够与水反应。

 

Stanley说，这是氢甲酰化领域近50年来的第一次重要发现。他说：“最让我感到激动的，是这项发现具有切实的工业应用价值。提出一种高效的、绿色的、能够实现大规模工业化的催化剂，是每一位化学家的梦想。”

 

[1] Hood D M, Johnson R A, Carpenter A E, et al. Highly active cationic cobalt (II) hydroformylation catalysts[J]. Science, 2020, 367(6477): 542-548.

 

4 你的个性肠子说了算

 

俗话说“性格决定命运”，然而又是什么决定了性格呢？牛津大学实验心理学博士Katerina Johnson的最新研究发现，很可能是肠道菌群的组成与多样性决定了人类性格的差异。

 

正常的人体肠道菌群所包含的细菌数量近100万亿，分布在100至1500个不同种类，对人体健康的影响巨大。近年来，有关肠道菌群的研究已经成为最热门的生物学研究方向之一。这些微生物可能不单单决定了你最爱的食物是什么[1]，还决定了你患自闭症的风险有多大[2]。

 

在先前的研究中，科学家们已经鉴定出与自闭症相关的多种肠道菌群。Johnson的新研究发现，这些菌群不仅能导致自闭症患者的极端行为，还可能导致普通人社会行为的改变，从而影响人的社交能力[3, 4]。这类跨领域的研究将有助于开发自闭症和抑郁症的新疗法。

 

这项研究还第一次发现，人类的社交能力与肠道微生物的多样性有关。社交网络广泛的人拥有更丰富的肠道菌种，而压力较大或焦虑程度较高的人，肠道菌群的多样性就相对匮乏。

 

此外，该研究也提出了其他值得关注的新发现。例如：喝配方奶的儿童在成年后肠道菌群的多样性相对缺乏，这表明婴儿时期的营养可能对肠道健康有着长期的影响。肠道菌群多样性还与国际旅游的频率成正比，这或许是因为出游的人有更多机会接触新的饮食和微生物。喜欢冒险的食客的肠道微生物菌群更为多样，而不吃奶制品的人则多样性较低。食用更多天然来源的益生菌（来自发酵奶酪、酸菜、泡菜等）和益生元(来自香蕉、豆类、全谷类、芦笋、洋葱、韭菜等)的人群拥有更丰富多样的肠道菌群。然而，通过吃保健品来补充益生菌或益生元的人，肠道菌群多样性的改变似乎并不明显。

 

现代人的生活方式，比如生活压力过大、社交活动减少、饮食中缺乏纤维素、缺少与大自然的接触、依赖过度清洁的生活环境和抗生素等等，不仅容易导致肠道菌群失调，还可能影响我们的行为和心理健康。所以，改善个性，改变命运，你知道该怎么做了么？

 

[1] Wong AC, Wang QP, Morimoto J, et al. Gut Microbiota Modifies Olfactory-Guided Microbial Preferences and Foraging Decisions in Drosophila. Curr Biol. 2017;27(15):2397–2404.e4. doi:10.1016/j.cub.2017.07.022

 

[2] Sharon G, Cruz NJ, Kang DW, et al. Human Gut Microbiota from Autism Spectrum Disorder Promote Behavioral Symptoms in Mice. Cell. 2019;177(6):1600–1618.e17. doi:10.1016/j.cell.2019.05.004

 

[3]https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-02/uoo-gfg021220.php

 

[4] Johnson KV. Gut microbiome composition and diversity are related to human personality traits. Human Microbiome Journal. Volume 15; March 2020;100069. https://doi.org/10.1016/j.humic.2019.100069

 

5 看见光回流

 

量子回流（Quantum backflow）是一种违反直觉的现象，向前传播的量子粒子可以局部向后传播。1969年， Allcock在探讨量子理论中的到达时间问题时最早提出了这个问题。Allcock发现，即使对于正的动量量子态，局部量子概率流也可能变为负值，因此不能作为到达时间的有效量度。1994年，Bracken和Melloy 对这一现象进行了详细研究，他们发现回流的总量是有限的。这导致他们引入了一个新的无量纲量子数，其数值在随后的几年中得到了更准确的再现。

 

最近，人们对回流现象产生了新的兴趣，各种研究重新介绍和探索了该现象的各个方面。日前，特拉维夫大学（TAU）的研究人员首次观测到了向前传播的光的回流现象[1, 2]。在此之前，科学家从未在任何实验中观察到与这种微妙的干扰现象相关的实际反向传播特性[3, 4]。

 

量子回流和超振荡（superoscillation）有着密切的关系。超振荡是指对于有限带宽的波，其局域振荡速度比其最快的傅立叶分量快。

 

例如，对于超振荡函数的一个简单示例：

对于有限带宽的波，通过选择合适的系数an, 就能构造出一个局域振荡速度比其最快的傅立叶分量还快的振荡波，如下图所示。

通过选择合适的系数an得到蓝色实线表示的波函数，黑色虚线则表示最高频率的分量函数。选择合适的系数an，可以使得在x=0处，振荡频率是最高频率的数倍。

 

同理，举一个最简单的光回流的例子。考虑最简单的波形

在一个周期内，a<1会发生回流。当a逐渐变小，回流区间会变大，而回流程度减小。

两个波叠加的局部波数，水平的黑色粗线表示回流区域。其中（a）a=0.01，（b）a=0.2，（c）a=0.5，（d）a=0.9。可以看到，随着a的增加，回流区域减小，而回流程度增加，即波数 k 会变为更大的负值。

 

领导了这项研究的TAU电气工程学院物理电子学系的Alon Bahabad博士解释说：“这种‘回流’现象非常微妙，需要对粒子状态进行精确控制，因此其成功演示停滞了半个世纪。这一现象揭示了由波组成的系统的一种违反人类直觉的行为，这种波既可以是量子力学中的一个粒子，也可以是一束光。”

 

光与量子粒子的相似之处在于两者都可以由相干波构成。将多个波形加在一起产生一个新波形，这种结构被称为叠加。如果构造一个由向前传播的波叠加形成的特殊的波，则整个波就有可能实现所谓的“光学回流”。

 

研究人员使用全息术来清晰显示回流效应。在全息照相实验中，他们将光束分解并重新叠加成以相对于轴成正角传播的光波的形式。这需要非常仔细地构造不同的光束，并为其强度和延迟指定精确的值。创建好叠加的波之后，设置一个小缝并垂直于光束移动，以便有效地测量光束在不同位置的方向。

 

结果发现，从缝隙逸出的光在大多数位置都是以正角移动时显示出来。但是在某些位置，逃离狭缝的光却以负角传播，即使射向狭缝另一侧的光是由全部以沿正角传播的光束叠加而成。

 

如果以一种特殊的方式构造全部沿一个方向传播的相干波，并且要测量整个波在特定位置和时间的传播方向，可能会发现波向后退。这种令人惊讶的行为违反了我们从宏观物体运动的日常经验中得出的任何直觉。尽管如此，它仍然服从自然规律。另外，此次试验只是实现了横向光回流现象，要实现与反向传播这一初始概念更为接近的纵向光回流，仍然是一项艰巨的挑战。

 

这项研究并不只是演示了一种奇妙的量子现象，事实上，通过发射激光束并诱导其从定点向后传播，可以帮助我们探测大气。此外，这项技术也可以应用于需要对光场进行精细控制的情况，例如高分辨度的光学显微镜、光学镊子等。

 

[1]https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-02/afot-tau020620.php

 

[2]https://www.osapublishing.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-7-1-72&id=425921

 

[3]M. Berry, “Quantum backflow, negative kinetic energy, and optical retro-propagation,” J. Phys. A 43, 415302 (2010).

 

[4] Huang, Fu Min; Zheludev, Nikolay; Chen, Yifang; Javier Garcia De Abajo, F. (2007). "Focusing of light by a nanohole array". Applied Physics Letters. 90 (9): 091119.