撰文 | 董唯元、顾舒晨、刘航、洪俊贤、姜小满、陈航、韩若冰

 

1 光电作用中的新粒子

 

了解引力定律和空气阻尼是一回事，计算一片树叶飘落的时间和落点则是另一回事。当简洁优雅的基础理论应用于凝聚态物理中的具体问题时，类似的情况就会出现，各种各样的修正项会使局面异常复杂。课本上寥寥几个字母的哈密顿量表达式，在现实中经常变成占据半页纸的数学符号宏篇。

 

数学计算的繁冗尚且可以交给计算机处理，真正的困难在于，如何找到合适的模型来定量地构建这些修正项。一方面，讨论理想情况时忽略的那些次级相互作用在现实情境中往往大到不可忽略；另一方面，研究者希望寻找的新奇特性也往往藏匿于微妙的特殊相互作用之间。因此，构建既足够周全又详略得当、使计算可行还能揭示特定物理性质的模型，就成为了凝聚态研究者们各显神通的竞技场。

 

仅在半导体光电作用方面，常见的多体模型就有Hubbard模型、扩展Hubbard模型、Falicov-Kimball模型、Pariser-Parr-Pople模型……等等。每一个成功的构建都可以用提出者的名字来命名，足见此类问题的难度和重要性。

 

除了各种模型理论，研究者还会引入很多准粒子。例如，电子受激跃迁后会在原能级留下一个空位，它对系统中其他粒子的作用在数学上就等效于带一个单位正电荷的虚拟粒子，于是“电子空穴”就成了凝聚态研究者最经常使用的准粒子之一。类似这样具有数学等效性的准粒子还有很多，它们不仅可以帮助简化凝聚态物理本身的研究，还同时辅助和启发了许多理论物理的研究工作。

 

最近，一个欧洲研究团队在半导体光电作用的仿真模拟中，意外地发现了一种性质非常有趣的准粒子[1]。这种准粒子其实是两个形影相随的电子空穴对，他们被电荷密度波“撮合”在一起，前后相位差一直保持在180°（π），所以研究团队就将这种准粒子命名为π粒子（π-ton）。

两种准粒子的物理过程示意图（上）和费曼图（下）。左边的图表示激子（exciton），入射的光子（黄色波浪线）激发材料中的电子，形成一个电子-空穴对（空心和实心圆圈），电子和带正电的空穴之间具有库伦作用（红色波浪线），它们相互结合并释放出一个光子。右边的图则表示两个电子-空穴对形成的π粒子[1, 2]。

 

随后研究团队又尝试了数种其他模型进行仿真，结果都发现了这种奇特的粒子。这就如同动物学家在不同地理和气候条件的森林里，都发现了两只原本独居的小兔子忽然手拉手并排行走的特殊习性。这说明我们原本对兔子习性的了解一定存在缺失。

 

事实上，整个量子理论都缘起于100多年前人们对光与物质相互作用的探索，爱因斯坦就是因1905年那篇光电效应方面的论文而获得1921年的诺贝尔奖。近100年来，量子理论的发展又反过来进一步加深了半导体光电效应方面的研究，并因此在材料科学、信息技术、新能源和现代工业等领域目不暇接地收获着巨量成果。这次仿真模拟中发现的π粒子，如果能够在实验中得以验证，就立即可以应用于新型光伏材料的开发，极大提升现有材料的性能效率。

 

[1] DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.047401

 

[2]https://physicsworld.com/a/introducing-the-%cf%80-ton-which-could-be-the-newest-known-quasiparticle/

 

2 猫主子难伺候？来点音乐试试

 

带不安分的猫主子去看兽医可以说是紧张又刺激。美国路易斯安那州立大学研究团队的新研究给广大铲屎官们带来了好消息：播放适用于猫咪的音乐，可以有效地帮助猫咪放松安静[1]。

 

音乐有助于身心宁静的观念已经深入人心。此前也有研究发现，全麻状态的猫对音乐依然会有生理响应，听到古典音乐时也似乎更加放松安静[2, 3]。在最新的这项研究中，科研团队考虑到猫与人类听觉的差异，根据猫发出的有亲和性的声音，如呼噜声、吮吸声，以及猫发声音域的近似频率，挑选了特定的“撸猫音乐”。在实验中，20只宠物猫每隔两周接受一次体检，每次随机播放“撸猫音乐”、古典音乐或无音乐，之后分别检测猫的压力指数、反应得分和生理应激等指标。研究发现，“撸猫音乐”可以有效地减小宠物猫的压力，使其镇静；相比之下，古典音乐和安静环境则无此效果。

 

这一发现[4]表明，特定的音乐不仅有助于提高猫咪的幸福感，也可以帮助兽医们安抚就诊猫咪，从而做出更准确的诊断。

 

爱猫的朋友们，你们心动了吗？

 

[1] Hampton A, Ford A, Cox RE III, et al. Effects of music on behavior and physiological stress response of domestic cats in a veterinary clinic. J Feline Med Surg 2020; 22: 122-128. https://journals.sagepub.com/doi/full/10.1177/1098612X19828131

 

[2] Mira F, Costa A, Mendes E, et al. A pilot study exploring the effects of musical genres on the depth of general anaesthesia assessed by haemodynamic responses. J Feline Med Surg 2016; 18: 673-678.

 

[3] Mira F, Costa A, Mendes E, et al. Influence of music and its genres on respiratory rate and pupil diameter variations in cats under general anaesthesia: contribution to promoting patient safety. J Feline Med Surg 2016; 18: 150-159.

 

[4] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-02/s-tm022420.php

 

3 假如能像控制电子一样控制光子，未来芯片将变成怎样？

 

计算科学的下一个纪元将依赖于科学家控制光子的能力。我们现在能广泛地使用电子计算机，是因为人们已经掌握了精确控制电子的技术。为了发展量子计算机这样的未来科技，科学家们也努力尝试找到方法来控制光的基本粒子——光子。电子间的相互作用力简单明了，光子却不像电子那样容易操控。

 

令人兴奋的是，日前斯坦福大学领导的一个团队首次尝试利用赝磁力的方法来精确控制光子，并将研究成果发表在近期的《科学》杂志[1, 2]上。在短期内，这种控制机制可以通过光缆传输更多的互联网数据。在更远的未来，这一发现将很有可能被用于制造基于光的芯片，其计算能力将远大于电子芯片。

 

那么研究人员是如何实现了对光子的操控呢？实际上，他们欺骗了本质上非磁性的光子，使其表现出了类似带电电子的行为，通过将光子送进精心设计的仪器迷宫，从而使光子被所谓的“合成”或“人工”磁场所影响。仪器能以可预测的方式产生磁力，推动光子运动。通过引入合成频率维度上相互作用的哈密顿量，进而实现量子模拟和量子信息处理。

 

芯片存储信息主要牵涉到控制粒子的可变状态。对于电子芯片，我们通过打开和关闭芯片中的电子，以创建数字“0”和“1”来实现存储。对于基于光的芯片，我们可以使用磁力来控制光子的频率（或能级）和自旋等，以产生比简单的开关电子更多的可变状态。与电子芯片相比，这些可能的可变状态将使科学家能够在基于光子的设备上处理、存储和传输更多的数据。

 

[1] https://engineering.stanford.edu/magazine/article/what-if-we-could-teach-photons-behave-electrons

 

[2] Dutt A, Lin Q, Yuan L, et al. A single photonic cavity with two independent physical synthetic dimensions[J]. Science, 2020, 367(6473): 59-64.

 

4 少吃点儿真能促进长寿么？

 

节食真能延年益寿吗？这是一个争议多年的科学问题。以往的研究认为，在不造成营养不良的情况下限制饮食可以促进长寿基因的表达、延缓衰老及相关疾病的发生。目前的进化理论认为，人或动物在食物供应不足时会改变生存策略，促进机体修复，调整机体状态，等待将来食物供应丰富时更好地吸收利用。然而，近日一项新的研究成果[1, 2]对该理论发起了挑战。

 

来自英国谢菲尔德大学和布朗大学的科学家通过果蝇实验发现，先限量供食、后足量供食的果蝇与一直足量供食的果蝇相比更容易死亡，且产卵数量也更少，这与先前的理论相悖。节食后的果蝇机体并没有调整至更加适应食物增加、从而提高生存和生产能力的状态，而是在限制饮食的状态下趋于死亡。因此科学家认为，与其说限制饮食促进了机体修复，促进了长寿，倒不如说它只是避免了过量饮食对机体造成的伤害。该研究还表明，在某些情况下反复或突然地改变饮食也不利于健康。

 

饮食对健康有着巨大的影响，但目前我们依然不清楚这种影响的具体机制。这项研究为健康饮食提供了新的见解，这将帮助人们更加理解饮食与健康的关系，促进人类健康长寿。

 

[1] Andrew W. McCracken, Gracie Adams, Laura Hartshorne, Marc Tatar and Mirre J. P. Simons. The hidden costs of dietary restriction: Implications for its evolutionary and mechanistic origins. Science Advances.21 Feb 2020:Vol. 6, no. 8, eaay3047

 

[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-02/uos-nrc022020.php

 

5 地球形成的速度快得“超乎想象”？

 

人类探寻地球起源和演化之谜的脚步从未停歇。18世纪的天才科学家康德和拉普拉斯提出了地球形成的热星云说，这一学说统治着地学界二百年而不衰。20世纪六七十年代，前苏联科学家Safronov破除前见，提出了地球起源的星子假说，经过后世科学家的不断完善，现已形成一套被学术界普遍接受的星子随机碰撞吸积理论，即冷星云说[1]。冷星云说认为，地球主要由一套具有独立化学成分组成的硅酸盐质星子群随机碰撞吸积而成。然而，最近发表在《科学-进展》（Science Advances）杂志的文章[2]对这一学说提出质疑。

 

哥本哈根大学地球研究所恒星和行星形成中心的Martin Schiller主导了这项研究。凭借迄今为止科学界最精准的铁同位素测量手段，Schiller对不同陨石中金属元素的同位素混合物进行了测量。在众多陨石中，他仅仅只发现一种组成与地球相似的陨石物质——所谓的CI球粒陨石。Schiller认为，如果地球的主要形成阶段真是一个随机碰撞吸积的过程，好比你将物体打碎并混合在一起，那么你会得到所有东西的混合物，而不是仅仅只有一种被称为CI球粒陨石的物质与地球成份相似。

 

基于此，Schiller对地球形成的时间进行进一步的大胆预测。他认为，地球的形成过程要比由空间中物体间的随机碰撞吸积的形成过程快得多。传统观点所认为的地球形成时间，即随机碰撞吸积过程往往持续数千万年， 而Schiller则认为，在大约500万年的盘状生命周期中，地球就已经通过吸积这些富含挥发性的类CI物质快速形成。

 

Schiller表示[3]，如果将太阳系存在的约46亿年的时间类比为一天的24小时，那么传统理论认为地球形成的时间大约相当于5-15分钟，而新的结果表明这一过程需要的时间只相当于90秒。

 

[1] 欧阳自远，《天体化学:地球起源与演化的几个关键问题》。

 

[2] Schiller, Martin, Martin Bizzarro, and Julien Siebert. "Iron isotope evidence for very rapid accretion and differentiation of the proto-Earth." Science Advances 6.7 (2020): eaay7604.

 

[3]https://healthsciences.ku.dk/newsfaculty-news/2020/02/the-earth-formed-much-faster-than-previously-thought/

 

6 癌细胞染色体异常未必是坏事

 

癌细胞以其基因混乱而臭名昭著。癌细胞通常包含大量的DNA突变，并且大多存在染色体数目异常。一些晚期肿瘤甚至会出现含有100多条染色体的细胞，而正常体细胞中仅有46条染色体。

 

缺失的或额外的单条染色体会造成一种称为非整倍性（aneuploidy）的异常。以往的研究表明，高水平的非整倍性与癌症的侵袭性和患者预后不良有关。然而，美国冷泉港实验室的研究人员发表在《发育细胞》杂志上的新研究[1]称，并不是所有的非整倍性都能促进癌症进展，某些非整倍性反而抑制了癌症的转移能力。

 

研究人员对一组人类细胞做出了改造，使每个细胞都含有一条不同染色体的额外拷贝，并保证细胞在其他各方面相同。由于高度侵袭性的癌细胞往往是非整倍体，因此研究人员预计，所有或大多数非整倍体都会有助于癌症的转移行为。然而实验室的测试结果令人惊讶，非整倍性和癌症的转移性表现出了更复杂的关系，不同的染色体会产生各种不同的影响——某些额外的染色体对癌症转移没有影响，而另一些实际上抑制了转移。

 

研究小组对患者临床数据的分析也显示出类似的情况。虽然总体而言，非整倍性水平高的癌症患者生存率最差，但某些染色体的额外拷贝与患者的生存率增加相关，只不过这些有益的染色体异常比起不良的异常更少见。

 

[1] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-02/cshl-eci022120.php

 

7 古怪的量子概率

 

量子世界由概率统治，这一点已为人所熟知。然而与我们日常体验的一般随机概率规律相比，量子世界的全同性和非定域关联关系使得其概率分布规律更为奇特。比如在统计中最常使用的正态分布，在量子世界中就经常遭遇各种陷阱。

 

举个简单的例子来体会一下全同性带来的影响：随机向两个碗中扔三个乒乓球，常识告诉我们，出现一个空碗的概率只有25%；然而若将乒乓球换成光子或者其他波色子，出现空碗的概率就会变成50%！

至于叠加态和量子纠缠造成的非定域关联对概率分布造成的影响就更为奇特。就连我们最经常使用的乘法原则，P(A, B)=P(A)P(B)，都无法愉快地使用了。这也正是著名的贝尔不等式，以及与其等效的CHSH不等式在量子世界中不再成立的根本原因。

 

在量子计算和量子通讯蓬勃发展的当下，这些特殊的概率属性正变得越来越重要。如果多个量子间存在纠缠关联，那么系统的随机统计将体现“非高斯性”（Non-Gaussianity）；如果发生退相干或纠缠关系被破坏，则非高斯性就会减弱甚至彻底丢失。可见，非高斯性是量子计算和量子通讯系统的重要健康指标之一。

 

可是，定性容易定量难。如果同一系统，一会儿遵循高斯钟形曲线，一会儿又不遵循，该如何简便快速地甄别呢？尤其麻烦的是，有些貌似“非高斯”的曲线，其实是由多条高斯钟形曲线错落叠加而成，如果不谨慎充分地进行分析，很难将这些伪健康与真正的健康快速区隔。

 

这一困扰着诸多研究机构和国际知名企业的技术问题，最近竟然被一个名不见经传的国内研究团队成功破解。2020年1月底，《欧洲物理期刊D》发表了一篇论文[1]，题目为“A method for efficiently estimating non-Gaussianity of continuous-variable quantum states”（高效评估连续值量子态非高斯性的方法），作者是来自中国湖南怀化学院的一个研究小组。

 

别看这个朴素的研究小组至今仍使用着163.com后缀的邮箱，论文中也没有志得意满地为自己的方法命名，但是他们所提出的方法却确实展现了非常优秀的特点。不仅兼容性非常广，几乎对所有非高斯性的子类都有效，而且计算复杂度和便捷度方面也明显优于目前的所有其他方法。

 

[1] Xiang S H, Zhao Y J, Xiang C, et al. A method for efficiently estimating non-Gaussianity of continuous-variable quantum states[J]. The European Physical Journal D, 2020, 74(1): 16.

 

8 慷慨or自私？神经元舞蹈中找答案

 

路过乞讨者时，为什么有人慷慨解囊，有人冷漠走过？慷慨和自私的生物学起源长期令神经科学家着迷。作为群居动物，灵长类依赖于合作；然而在资源匮乏或追求地位时，自私往往会胜出。美国耶鲁大学的研究者2月24日发表于《自然神经科学》杂志的一项新研究[1, 2]发现，这种现象的答案可能藏在大脑两个特定区域之间复杂而有节奏的神经元舞蹈（neuronal dance）中。

 

影像学研究显示，大脑中许多区域都与做出分享决定相关。耶鲁大学心理学和神经科学助理教授、论文的第一作者 Steve Chang和他的同事设定了不同场景，让猴子决定是否与其同伴分享果汁，并主要观察猴子大脑中杏仁核（大脑的一个相对原始的区域）与内侧额叶皮层（该区域负责产生更深思熟虑的想法）之间的神经元活动。

 

在一个场景中，猴子要决定把果汁分享给同伴或是扔掉。在另一个场景中，猴子可以选择独自喝果汁或和同伴一起分享。结果猴子们更偏向于独自喝果汁。但是，如果第二个场景是看着果汁被扔垃圾桶，猴子们就更愿意把果汁分享给同伴。两种情况下，研究人员都发现了大脑两个区域之间的神经元活动相互作用的不同模式。当猴子表现得慷慨或亲社会时，两个脑区之间的相互作用高度同步；当它们表现得反社会时，这种同步率明显降低了。研究者们发现，可以通过这种同步率的差别来预测猴子们的决定，只需要查看神经元数据即可。

 

该研究还发现了大脑在决策过程中的其他分化特征。比如，当动物做出亲社会或反社会决定时，神经元相互作用的传输频率不同，频率大小由神经元触发的大脑区域决定。

 

“我们发现了一种神经同步率的独特特征，它能反映大脑做出了亲社会还是反社会的决定，”Chang说。“我们都知道慷慨程度存在个体差异，也许吝啬鬼就是没有很高的同步率。”

 

[1] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-02/yu-wmc021920.php

 

[2] Dal Monte, O., Chu, C.C.J., Fagan, N.A. et al. Specialized medial prefrontal–amygdala coordination in other-regarding decision preference. Nat Neurosci (2020). https://doi.org/10.1038/s41593-020-0593-y