撰文 | 董唯元、杨凌、顾舒晨、洪俊贤、太阁尔、姜小满

 

1 一个对称性解释三个宇宙学难题

 

物理学家都有强迫症，看到对称性和守恒量就会心情舒畅，而遇到对称性破缺或不守恒的物理量则会立刻厌恶地皱起眉头。然而凡事都有例外，在高能粒子物理的研究领域中，就有一个恼人的守恒令所有研究者头疼不已。这就是CP（电荷和宇称组合）在强相互作用过程中的守恒，即所谓强CP问题。

 

依照目前的标准模型理论，CP在电磁作用中守恒，而在弱作用中不守恒，这些都已经在实验中得到验证，其中弱作用CP不守恒这一成果还获得了1980年的诺贝尔物理学奖。唯独在强相互作用中，理论计算的结果是不守恒，可实验中每次都表现出守恒的结果。这就像随意扔一把骰子在地上，结果却发现所有骰子都是6点，而且重复数次都是如此。这种情况显然说明，骰子和地板里隐藏着什么秘密等待我们去发现。

 

这个强CP问题，已经成为现有标准模型理论所面临的重大挑战之一，同时也与中微子振荡等其他问题存在着千丝万缕的微妙联系。

 

1930年泡利正是出于对守恒律的坚定信仰，在面对β衰变中出现的不守恒现象时，将一个全新粒子纳入方程，以维持衰变前后的各种物理量守恒，由此在理论上预言了中微子。而面对强CP问题，物理学家Roberto Peccei和Helen Quinn也遵循类似的思路，在1977年提出了Peccei-Quinn理论。该理论同样尝试引入新粒子，这个新粒子便是轴子（Axion）。稍有区别的是，这次需要新粒子来“维持”CP的不守恒。

 

所谓的“维持”不守恒，其实是使新粒子的运动模式刚好抵消不守恒因素，从而使强相互作用中CP保持守恒。从整体效果上看，就是新的规范场带走了所有不守恒成分，使剩下的部分保持了守恒。这个操作难度要大于泡利当初推算中微子的难度，所以PQ理论在提出新粒子轴子的同时，还提出了一种新的对称性，即Peccei-Quinn对称性。

 

PQ理论虽然尚缺乏比较直接的实验验证，但其优美的自洽性使其已经成为现代量子色动力学（QCD）理论体系的重要扩展内容之一，由此产生的衍生理论研究也非常活跃。

 

例如QP理论所预言的轴子，既不带电也无自旋，质量只有10-5~10-3 eV，比中微子质量的中值还要小几个数量级，几乎不与普通物质发生任何相互作用，这使轴子成为了宇宙暗物质的最佳候选者之一。

 

最近，两位美国研究者Raymond T. Co和Keisuke Harigaya，进一步深入研究了PQ对称性在早期宇宙演化过程中的情况，得出了许多颇为有趣的成果[1]。

 

我们已经知道宇宙中除引力之外的其他三种力，电磁力、强力和弱力，在宇宙之初是融化在同一锅浓汤之中的统一场，后来随着演化过程发生了对称性自发破缺，才分化成了今天的三种不同力。当Raymond T. Co和Keisuke Harigaya把PQ理论也倒入这锅浓汤之后，他们惊奇地发现，在PQ对称性这份佐料的影响下，浓汤的味道发生了微妙的变化，不仅可以描述暗物质轴子的产生过程，竟然还能够顺带解释另外两大宇宙学难题：“普通物质为什么比反物质多？”和“上帝为什么是左撇子？”

 

原来，在宇宙早期演化过程中，PQ规范场自身会发生一次转动。正是这次转动，将手性对称性破坏传递给了标准模型中的其他粒子，于是就造成了如今一些粒子只有左旋形式存在，而没有右旋形式的伴侣。而且这种对称性破坏，还直接造成了普通物质的衰变速度慢于反物质的衰变速度，也就是反物质为什么这么少的原因。

 

[1] arXiv:1910.02080v1 [hep-ph] | 已被 Physical Review Letters 接收

 

2 引力波碰撞会发光？

 

由薛定谔方程所描述的初等量子理论，建立在牛顿时空的背景下，所以也被称为“非相对论量子力学”。后来狄拉克等众多物理学家共同努力，终于将量子理论迁移进狭义相对论时空，建立起了量子场论，薛定谔方程也变成了具备洛伦兹协变性的狄拉克方程。至于广义相对论所描述的弯曲时空，至今都没有与量子理论完美统一，这也成了当代所有理论物理学家心目中共同的圣杯。

 

虽然广义相对论与量子场论本质上是并不相容的两套理论，但这并不妨碍大胆的研究者勇敢地同时使用两种理论工具来处理实际问题，而且还经常斩获意外的成果。远有50年前霍金提出的黑洞辐射，近有5年前萨斯坎德（Leonard Susskind）和马尔达西那 (Juan Maldacena) 提出的ER=EPR，都是在两套理论的跨界之处寻到了意料之外的理论宝藏。

 

最近美国加州大学圣芭芭拉分校的R. F. Sawyer也将研究方向指向了这两座理论大山之间的通幽小径，并且果然又寻找到有趣的新成果：引力波碰撞居然可以产生光子！Sawyer的论文[1]发表在2020年3月10日的《物理学评论快报》（PRL），不仅获得了编辑推荐，而且还在专业圈内迅速刷屏无数。

 

这一成果之所以引起如此广泛的关注，主要原因是他在某种程度上挑战了理论物理学家的基本常识性认知。

 

将引力场的波动视作引力子（graviton）的传播，这是谙熟量子场论的研究者们早已驾轻就熟的数学把戏。大家都清楚，利用散射理论，两个引力子碰撞的交叉项中含有G2，这个G就是引力常数，它本身就是个微弱到几乎无影响的系数，如果再平方之后，那对整体的影响就根本可以忽略不计了。而另一方面，光子的激发存在最低能量门槛，不是随便一点点波动就可以激发出光子。这就像股票交易必须以100股的整数倍作为基本交易单位，交易系统根本不接受那些只想买进0.00001股的订单请求。所以一直以来，物理学家眼中的引力子都是绝对意义上的“穷人”，不可能有机会参与激发光子这种昂贵的交易。

 

然而Sawyer通过理论模型和仿真计算发现，这些贫穷的引力子居然可以在特定条件下团结起来，凑起足够多的能量达到激发光子的交易门槛。当然Sawyer的模型也显示，达到这种情况的条件还比较苛刻，目前依靠黑洞融合所产生的引力波都过于短暂，无法提供足够长的时间窗口达成光子的激发。不过在规模更大、持续时间更久的引力波碰撞中，理论上还是存在激发光子的可能。

 

[1] DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.101301

 

3 粘液霉菌助力寻找宇宙网

 

主流宇宙学理论认为，在大尺度范围，宇宙网构成了宇宙的主干，它主要由被称为暗物质的神秘物质组成，其间还夹杂着气体。横跨虚空的宇宙网细丝可延伸至上千万光年，在细丝交叉或聚集处坐落着星系。目前通过超大型天文望远镜，天文学家们已能观测到一部分遥远星系之间的超级巨大的发光气体细丝，但是对整个宇宙网细丝的大规模可视化依然是个难题。

 

受粘液霉菌生长模式启发，加州大学圣克鲁斯大学的一组天文学家和计算机科学家开发出了新算法，用来追踪连接整个星系的宇宙网细丝。他们的研究结果[1]于3月10日发表在《天体物理学期刊快报》（Astrophysical Journal Letters）。

 

粘液霉菌早已在构建最佳分销网络和解决空间组织问题上展现惊人能力。其中一项著名的实验是，以食物代表东京周围的城市，为了连接这些食物来源，粘液霉菌重现了日本铁路系统的布局。

 

研究者们基于粘液霉菌生长模式开发的算法名为Monte Carlo Physarum Machine。他们把斯隆数字巡天（SDSS）绘制的37 000个星系位置的数据库输入算法中，成功生成了宇宙网结构的三维地图。有了关于宇宙网的预测结构，研究者们可以将其与哈勃太空望远镜观测到的类星体光谱进行比对分析。

基于粘液霉菌模型重构的宇宙网。|图片来源：NASA, ESA, and J. Burchett and O. Elek (UC Santa Cruz)

 

这里要提一下遥远的类星体，它们发出的光像是手电筒光束，当其穿过SDSS星系所占据的空间时，星系间的气体细丝会在光谱中留下独特的吸收信号，并最终被太空望远镜观测记录。

 

论文作者Joe Burchett解释说，通过粘液霉菌模型，可以预测出宇宙网的细丝的位置。只要在模型中看到细丝，哈勃光谱都会显示该处存在气体的信号。在细丝中央附近气体应该更稠密，而看到的光谱吸收信号也更强。

 

这是天文学家第一次可以量化从低冷的宇宙网丝外围，到热密的星系集团内部的星系介质的密度。这些结果不仅证实了宇宙学模型预测的宇宙网结构，而且让我们能更好地理解星系演化的方式。

 

[1] https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/slime-mold-simulations-used-to-map-dark-matter-holding-universe-together

 

4 听，是杂质原子的声音

 

有时候，材料中一个原子位置的改变能让材料性质发生巨大变化。材料对于杂质的这种敏感性，给从事纳米技术研究的科研工作人员带来了许多挑战，他们急需一种方法，能够测量单个原子对材料的这种影响。

 

近日，英国利兹大学的研究团队与巴黎索邦大学合作，首次开发出一种像音叉一样检测材料中单原子的方法，从而能够在原子尺度精确地监测材料中的杂质。该论文题为“利用扫描电子显微镜监测单原子振动能谱”，发表于3月5号的《科学》杂志[1, 2]。

 

音叉是一种声学装置，由两个长条形的金属组成一个U字形。当击打音叉时，它会发生特定频率的声音，并且该音调会随着音叉的结构而变化。

 

利兹大学的研究人员向固体中的一个单原子发射一束电子束，从而使得该原子和附近的原子发生振动。而电子束激发的晶格振动的能量谱也像音叉的特定音调一样，或者说像是一种指纹，是独一无二的，并能够被电子显微镜记录下来。但如果材料中有一点点的杂质，例如掺杂了一个其他化学元素的原子，那电子束所激发的振动指纹谱就和纯材料不同了。而如果类比音叉的话，材料“听上去”就不一样了。这一方法通常称为波谱学（spectroscopy）。

 

本研究是在英国国家高级电镜中心完成的，那里有世界上研究物质原子结构最先进的设备。科学家们先制备了一块仅含有一个硅原子杂质的石墨烯晶体，然后将电子束直接聚焦轰击在那个硅原子杂质上。这时硅原子就会左右前后的振动，同时吸收部分入射电子束的能量。研究人员所做的就是测量到底吸收了多少能量。

 

巴黎索邦大学Radtke博士是本文的合作者，他的理论计算显示了硅是如何振动，以及该振动又是如何影响周围的碳原子的。他说：“硅原子在石墨烯晶格中的每一个位置都对应着一种独特的振动波谱。我们可以通过理论来计算这些杂质硅原子如何影响周围碳原子的晶格，但本文的实验方法让我们可以在原子精度来测量到这样细微的变化，真的是个了不起的技术。”

 

利兹大学Ramasse教授总结：“我们的研究直接表明，固体中的异原子会改变材料原子尺度的振动特性。虽然几十年前人们就预测了这样的结果，但一直都没有办法通过实验证实这种振动的变化。我们的研究是首次记录了缺陷在原子精度的的特征信号。”

 

[1]http://www.leeds.ac.uk/news/article/4558/tickling_an_atom_to_investigate_the_behaviour_of_materials

 

[2]https://science.sciencemag.org/content/367/6482/1124/tab-pdf

 

5 更快了！地球的大型生态系统在崩溃

 

如果科学家告诉你亚马逊森林可能在49年内消失，你愿意相信吗？

 

在人们的印象中，雨林、珊瑚礁这类大型生态系统似乎远比一片池塘来得顽强，崩溃的速度也更缓慢。然而《自然通讯》的一项研究[1, 2]表明，地球大型生态系统的崩溃速度很可能比之前预测的要快得多。

 

正如湖泊会长满水华、雨林会成为荒漠、珊瑚礁会逐渐白化，在受到外界压力时，生态系统的类型会迅速发生转化。来自英国南安普顿大学等机构的学者研究了包括陆地、水体等大小40处生态环境演变的数据，发现尽管大型生态系统由于规模更大而崩溃的时间更长，但转化的速度却远远快于小型生态系统、与其规模并不成比例。这一现象是因为大型生态系统往往由多个物种和栖息地的“子系统”组成。这种组成模式最初可以为生态系统提供应对外界压力的弹性；然而一旦压力超过某一阈值，这种模式反而会加快生态系统崩溃解体的速度，称为“解体效应”。近期澳洲山火的迅速蔓延可能也是这一效应的佐证。

 

“最初，没有人在意这场灾难。这不过是一场山火，一次旱灾，一个物种的灭绝，一座城市的消失。直到这场灾难和每个人息息相关。”或许我们是时候停止破坏、为地球生态系统的快速变化做好准备了。

 

[1] Cooper, G.S., Willcock, S. & Dearing, J.A. Regime shifts occur disproportionately faster in larger ecosystems. Nat Commun 11, 1175 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-15029-x

 

[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-03/uos-ple030620.php

 

6 究竟谁用的抗生素更多？

 

抗生素是一类能够杀死细菌或阻止其生长的化学物质，为细菌引发的严重感染提供了非常有效的治疗手段，在二战期间曾挽救了无数的生命。但近10年来，人们已经习惯用抗生素来解决各类问题，这使得抗生素在全球范围内的用量不断激增，抗生素滥用问题也越来越严重。这不仅导致了抗生素耐药性的问题，长此以往还将使未来人类在面对细菌感染时陷入无药可用的境地。

 

绝大多数抗生素都需要在医院出具处方才能获得，因此研究人员根据医院记录，发现不同地区、不同人群的抗生素消费量存在着巨大差异。究竟是哪些因素造成了抗生素使用的差异呢？德国波恩大学“健康与城市转型”研究项目的研究人员通过评估全球医疗机构抗生素使用的73项调查研究得到了答案，该研究报告[1, 2]将发表在《国际卫生与环境健康杂志》今年5月刊上。

 

研究人员将抗生素使用决定因素的约600个变量分为了46组，并通过分析发现，患者的年龄、教育程度、就业、收入和发病率等对抗生素的使用均有明显的影响。例如，城市居民比农村居民服用更多的抗生素；儿童和老年人比中年人更有可能服用抗生素。另外，教育水平较高的人抗生素滥用情况往往也较少，但是在较贫穷的国家中这一结果却相反，这可能是因为那里的人群中一般受过良好教育的人才更有机会拥有完善的医疗保障，或者更有能力去看医生及购买药品。

 

已有研究表明民族文化似乎对抗生素使用习惯存在一定影响。例如，被认为更具竞争力的“男性化”社会的公民平均使用更多的抗生素。然而关于社会文化参数方面的相关研究还比较少，针对中低收入国家抗生素使用的研究也明显不足，研究人员认为这些都是未来需要关注的问题。这项研究的结果将抗生素使用的决定因素与实际使用情况联系起来，为进一步研究和防止抗生素滥用指明了道路。

 

[1]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1438463919309605?via%3Dihub

 

[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-03/uob-acd031120.php

 

7 苍穹之下的空气污染是人类健康最大威胁

 

苍穹之下的空气污染是任何人都无法逃避的。在污染的空气中长时间暴露，会大大增加罹患心血管以及呼吸系统疾病的风险。最近，来自德国马克思普朗克化学研究所和美因茨大学医学中心的科学家们进行的一项新研究[1, 2]表明，全球范围内的空气污染导致的减寿比吸烟等其他诸多因素都要严重，其导致的心血管疾病是人群早逝的主要原因。

 

2015年全球因空气污染导致880万人早逝，相当于人均减寿2.9年；而因烟草导致的早逝人口是720万，相当于人均减寿2.2年；因寄生虫和传染病导致的早逝人口是60万，相当于人均减寿0.6年。空气污染导致的早逝人数是疟疾的20倍、暴力犯罪的18倍、艾滋病的10倍。马克思普朗克化学研究所主任Jos Lelieveld认为，空气污染对健康的影响已经构成全球大流行。

 

该研究表明，由空气污染导致的死亡在东亚（35%）和南亚（32%）最高，非洲其次（11%），欧洲（9%）和南北美洲（各6%）随后，相关最低死亡率出现在空气质量标准全球最严的澳大利亚（1.5%）。空气污染中的细微颗粒物会导致心血管损伤，进一步导致心脏病、中风、心律失常和心脏衰竭等疾病。该项研究认为，空气污染导致的死亡中有三分之二（每年约550万人）是可以避免的。导致空气污染的主要原因来自于化石燃料（煤炭、石油等），研究估计若完全杜绝化石燃料排放，那么全球人口的平均寿命可以增加1年。

 

 

[1] https://www.mpg.de/14551937/air-pollution-health-risk

 

[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-03/m-api030520.php

 

8 实时三维观测液晶态活性物质中的缺陷

 

“活性物质”（active matter）是什么？典型的例子有鸟群、鱼群这样的宏观物体，也有细菌、细胞这样的微观生物体，还有人工合成的颗粒等。在活性物质中，个体看似简单、混乱，但集体行为却规则、有智慧。

 

对于智能材料的开发、机器人的集群控制、理解癌症的侵袭等，活性物质的研究都有重要的理论和实际应用价值，也因此吸引了众多学者的目光，成为当前软物质物理的前沿方向。我们可以泛泛地将活性物质定义为：从外界获得能量，并通过局部的相互作用自发形成组织结构的一类体系。

 

向列型液晶分子（nematic liquid crystals）是常见的活性物质模型体系之一。由于彼此间的相互作用，这些杆状分子倾向于沿统一的方向排列。虽然这样的液晶分子总体上结构规则，但其中存在的缺陷会在局部形成湍流结构（turbulence）。当获得能量后，这些液晶活性物质会发生流动，在此过程中线缺陷会生长、夹断或者收缩，呈现出被称为“活性湍流”的有趣动态。然而，这些液晶分子非常小，运动的又太快，之前对其三维运动的研究主要是依靠理论和模拟，高时空分辨率的三维观测一直是个难题。

 

 

近日《科学》杂志报道[1-3]了一项重要的突破：在加州大学Merced分校和圣巴巴拉分校的科学家合作完成的一项工作中，研究人员首次采用显微成像技术，在实验中观测到液晶态活性物质的拓扑缺陷在三维空间中的动态运动。

 

该体系由微管束和噬菌体病毒组成：微管束分子消耗ATP，在整个样品中穿梭运动，使体系流动起来；而杆状的噬菌体病毒在室温下向列型排列，并在微管束的流动下发生形变，产生缺陷。实现三维观测的核心技术是所谓的激光片层显微技术（light sheet microscopy），借助这种技术可以快速地扫描整个材料，从而实时追踪其中缺陷的动态行为。

 

研究结果表明，在三维的向列型液晶中主要存在线位错和环位错，甚至还有莫比乌斯环。而这些位错可以成核、收缩、张开和融合。

 

法国的活性物质专家Denis Bartolo教授认为，这一工作为复杂活性材料的观测提供了“令人叹服的实验平台”，也对开发活性智能材料的应用大有裨益。

 

 

[1] Denis Bartolo, Rings rule three-dimensional active matter, Science, 367(6482), 1075-1076

 

[2] Guillaume Duclos, et al. Topological structure and dynamics of three-dimensional active nematics. Science, 367(6482)，1120-1124.

 

[3] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-03/aaft-fro030220.php