相对论时空结构的极限考验；寻找超高能宇宙线中微子丨一周科技速览_风闻

返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2020-04-05 14:24

2020-04-05

目录

1. 相对论时空结构的极限考验

2. 揭开尘封的巴西噬菌体疗法

3. 研究发现近视的三种遗传机制

4. 雷达回波寻找超高能宇宙线中微子

5. 大鱼吃得越多，鱼的种类越少

6. 中国防控措施或已避免70万例新冠感染

7. 刷手机总是晚睡？有害心血管健康

8. 几纳米粗的导线有发热熔化的危险吗？

9. 量子效应触发的材料反常膨胀

********************撰文 |********************董唯元、杨凌、韩若冰、顾舒晨、刘天同、于槐、太阁尔、姜小满、徐颖

相对论时空结构的极限考验

物理学家总是喜欢在极端条件下寻找物理定律的破绽，从而发现理论改进的线索或者验证新理论是否成立。

在地球引力场中，爱因斯坦的相对论其实跟牛顿定律并没什么区别。无论是水星近日点的进动，还是光线经过太阳边缘时的弯折角度，这些支持相对论的实际观测结果，都得拜太阳的强引力场所赐。至于近来才观测到的引力波，更是需要类似黑洞合并这样的极端事件帮忙。

如今诸如量子引力理论或者弦理论等一批新理论，也必须寻找足够极端的环境，才能发现当前理论描述与实际观测的偏差，并借此验证新理论的种种预言。

在试图统一相对论和量子理论的模型中，有些理论将时空的和谐对称视为一种宏观近似，预言在足够微观的尺度上不再有满足洛伦兹协变性的时空结构，即产生所谓LIV（Lorentz invariance violation，洛伦兹不变性的破坏）。尤其是在量子引力的理论中，如果时空本身可以被量子化，那么几乎必然意味着洛伦兹不变性将在某个小尺度上被破坏。如果能够通过观测接近这一尺度，无疑将对相关理论验证提供诸多直接证据。

不过想要触及此类理论预言的极限并非易事，据推算只有在能量接近100TeV量级的光子身上，才能表现出与现有理论的明显差异。这种能量级别比现有对撞机的能量上限还要大一两个数量级。不过好在除了在地球上大兴土木地建设高能对撞机之外，那些来自宇宙深处的神秘高能射线，也是我们天然的极限条件实验场。

位于墨西哥塞拉内格拉火山的HAWC天文台，就是这样一座专门观测高能宇宙射线的观测站。HAWC是High Altitude Water Cherenkov的缩写，顾名思义就是在高海拔地区观测水中的切伦科夫辐射，从而寻找超高能射线的踪迹。

2020年3月，HAWC的一个美国和墨西哥联合研究组，在《物理评论快报》（PRL）上发表了他们的最新观测结论**[1****]**。在这篇署名作者近百位的论文中，研究者共观测了来自4个不同源头的宇宙高能γ射线，并对能量范围为10-100TeV的数据进行了分析。很遗憾在所有这些高能射线中，都没有出现LIV的预期证据。

图中四个不同颜色的曲线表示来自4个不同源头的宇宙高能γ射线分布密度（相应的浅色条带表示不确定度），虚线表示预期高能光子的LIV迹象，它们在实际数据中并没有出现 | 图片来源[1]

看来相对论时空的和谐对称之美，还将继续坚守在物理学中。有可能引力的量子化尺度比我们原本预期的更小，也有可能那些弦理论和量子引力的反对者是对的——引力根本无法量子化。

[1] arXiv:1911.08070v2 [astro-ph.HE]

揭开尘封的巴西噬菌体疗法

新冠病毒肆虐全球，人们 “谈毒色变”，但其实病毒大家族中存在一些对人类有益的成员，比如“噬菌体”。噬菌体能够感染细菌导致其死亡，从而保护人体免受致病菌伤害。利用噬菌体治疗细菌感染的方法被称为“噬菌体疗法”（Phage Therapy）。早在1920年，法国巴黎就开始使用噬菌体疗法，但随着抗生素的普及，这一疗法渐渐地从西方世界消失。如今抗生素耐药性问题日益严重，噬菌体疗法的复兴被认为是解决这一危机的可行方法。

3月出版的《柳叶刀传染病》杂志刊登了芬兰于韦斯屈莱大学对巴西噬菌体疗法的历史回顾性研究**[1, 2****]**，揭示了由于语言障碍而被国际社会忽视的噬菌体疗法热点，对医学史和噬菌体研究都具有重要意义。

葡萄牙语的历史医疗记录（1915-1952）显示，巴西在噬菌体使用方面有着悠久的历史，是噬菌体治疗的重要践行者，但由于语言障碍迄今鲜为人知。回顾历史可知，从最初对噬菌体产品的大规模检测到常规使用，巴西已经发现了噬菌体治疗痢疾和葡萄球菌感染的安全使用细节。文献中所记载的实际临床数据对于形成现代噬菌体疗法、对抗急性肠道感染和对抗耐药病原体都至关重要。这份关于巴西噬菌体疗法的历史回顾填补了我们对噬菌体治疗的知识空白，为现代研究提供了有用的经验。

[1] https://www.jyu.fi/en/current/archive/2020/03/forgotten-tale-of-phage-therapy-history-revealed-2013-phage-therapy-was-succesfully-used-against-dysentery-and-staphylococcal-infections

[2] Almeida GMF, Sundberg LR. The forgotten tale of Brazilian phage therapy [published online ahead of print, 2020 Mar 23]. Lancet Infect Dis. 2020;S1473-3099(20)30060-8. doi:10.1016/S1473-3099(20)30060-8

研究发现近视的三种遗传机制

近视是一种极其复杂的疾病，通常由父母遗传给孩子。根据《自然-遗传学》杂志发表的一篇新研究**[1****]**，现在我们终于得到了足够的“碎片”，可以拼出近视的遗传学全景。

该研究分析了超过50万名志愿者中与视力和近视度数有关的DNA，发现了近450个基因的大约1000个遗传变异，这些变异似乎是众多的中度到重度近视病例的原因。

这项研究发现，近视可能是由光信号通过视网膜传输到大脑的机制引起的。同时，与昼夜节律有关的基因可能是近视的一个重要因素，昼夜节律即调节24小时长睡眠和唤醒周期的内部生物钟。研究者称，以往已经观察到在户外时间较少的人中，近视的发生更为普遍，而昼夜节律的变化很可能就是该现象的解释。

除了参与维持昼夜节律的基因，负责眼睛、头发和皮肤色素沉着的基因也与近视有关。研究者称，以往已经发现一些影响色素沉着的严重遗传疾病会引起眼底变化，并导致严重的近视，但是在更广泛的人群中，色素沉着与近视之间也存在着惊人的关联。

如果患者遗传了足够多的遗传变异，就会发展出近视。基于研究发现的DNA变异的遗传模型，研究者首次成功预测了参与者中75％的近视。

研究者称，遗传标志物的发现在未来可能有助于预测儿童的病情。如果能够研发出近视的预防方法，这些发现或许能够帮助我们识别出风险最高、最需要采取预防措施的人。

[1] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-03/kcl-gpt033120.php

雷达回波寻找超高能宇宙线中微子

在南极冰面下两公里处，坐落着全球最大的中微子观测站——冰立方（IceCube）。自2013年冰立方合作组公布累计观测到28个超高能宇宙线中微子后，中微子天文学观测的新时代正式开启。在冰立方中，中微子与核子撞击产生带电粒子，这些带电粒子的速度甚至会超过光在介质中的速度，从而产生切伦科夫辐射，发出蓝色的光学冲击波，科学家据此可以确认中微子行经的痕迹。然而，这种观测方式的有效能量范围在TeV（10^12 eV）到PeV（10^15eV）之间，要观测更高能量级的中微子，就需要新的观测手段。

近日，在一篇发表于《物理学评论快报》（PRL）的文章**[1****]**中，俄亥俄州州立大学的Steven Prohira研究组运用雷达回波技术，首次在实验室中实现了对模拟中微子事件的确定探测，将现有中微子能量的探测区间推广到了10 PeV以上。

当超高能宇宙线中微子穿过物质时，有时会与物质中的原子核相互作用，形成快速移动的带电粒子簇，这种现象被称为级联。随着这些粒子的速度变慢，它们会使介质中的原子发生电离，留下一团电荷云，通过雷达观测这个电荷云就可以探测中微子。

不过由于中微子被捕捉的几率很小，为快速检验这种概念的可行性，研究人员在美国SLAC国家加速器实验室模拟了高能中微子撞击原子核的级联反应，而不是等待中微子观测站的偶然事件。他们精心选择电子脉冲的能量，使得由此产生的级联与能量为 10^19 eV量级的中微子与冰中原子核相互作用产生的粒子级联相当。同时，在垂直于电子束的方向上，他们向级联产生的电荷云持续发射无线电波，并通过多个接收天线监视雷达反射的信号。在扣除掉背景噪声之后，研究人员最终确认了级联的证据。

高能粒子级联中的雷达回波 | 图片来源[2]

这项实验成功实现了对单个粒子级联的雷达回波测量，是非常有突破性的一次实验尝试。接下来要做的，就是将实验室中的新技术应用于真实的自然环境。

[1] Observation of Radar Echoes from High-Energy Particle Cascades”, S. Prohira et al. PHYSICAL REVIEW LETTERS 124, 091101 (2020)

[2] https://physics.aps.org/articles/v13/33#

大鱼吃得越多，鱼的种类越少

生物相互作用（biotic interactions）包括捕食、竞争、寄生、共生等。

早在1887年，生物地理学家华莱士（Wallace）就提出，由于低纬度冰川的消失，生物相互作用让更多的物种得以出现和繁殖。之后百年间的类似构想无不围绕两个基本假设：1）捕食作用（predation）在赤道附近最为剧烈；2）捕食强度与物种丰富度成正相关**[1, 2****]**。

然而，最近发表在《自然-通讯》上的一项研究为驳斥这两条假设提供了证据。研究者发现：1）远洋鱼类的捕食强度在温带（而非热带）最为激烈；2）捕食强度与海洋中鱼类的物种丰富度成负相关。至少对于远洋鱼类，经典的物种相互作用与纬度之间的关系也许并不适用**[3****]**。

研究人员获取了多个海洋过去55年间远洋延绳捕鱼的数据，并将海洋区域划分为5°×5°（经度×纬度）的方形区域进行比较，发现温带地区的捕食作用比热带地区更为剧烈，而且在南半球较为显著。虽然这些年间过度捕捞导致总体捕食强度有所降低，但温带>热带的模式并没有太多变化。

1960-2014年间不同海洋区域大型鱼类相对捕食强度的比较：通过把海洋划分为多个方形区域进行比较，研究人员发现温带地区的捕食作用更为激烈，且这一特点在南半球较为显著 | 图片来源[3]

此外，在南纬40°至北纬40°之间（该区域远洋鱼类为主要捕食者），除西太平洋外，东太平洋、印度洋和大西洋中鱼类物种的数量与大鱼捕食的强度均呈明显的负相关，而非之前认为的正相关。

此类研究将为物种丰富度的产生和维持提供新的研究方向和思路。

[1] Schemske DW, Mittelbach GG, Cornell HV, Sobel JM, Roy K. Is There a Latitudinal Gradient in the Importance of Biotic Interactions? Annu Rev Ecol Evol Syst. 2009 Dec;40(1):245–269.

[2] Coley PD, Kursar TA. Ecology. On tropical forests and their pests. Science. 2014 Jan 3;343(6166):35–36.

[3] Roesti M, Anstett DN, Freeman BG, Lee-Yaw JA, Schluter D, Chavarie L, et al. Pelagic fish predation is stronger at temperate latitudes than near the equator. Nat Commun. 2020 Dec;11(1):1527.

中国后期防控措施或已避免70万例新冠感染

自2019年12月新冠病毒疫情暴发以来，截至2020年4月3日，全世界已有205个国家和地区出现新冠感染病例，累计确诊1010702例，死亡51688例**[1****]。目前，各国防控力度不一。2020年3月31日，北京师范大学田怀玉研究团队联合普林斯顿大学以及牛津大学等科研团队在《科学》杂志发表研究性论文[2, 3****]**，明确指出实施封城、禁止公众集会等干预措施能够有效遏制新冠病毒的传播。

该研究根据我国发布的新型冠状病毒肺炎（COVID-19）疫情数据中的病例报告、人员流动和公共卫生干预措施等相关数据，调查了实施干预措施的类型和时间对COVID-19的传播和控制的影响。研究发现，武汉封城措施减缓了病毒向其他城市的传播（2.91天）。与暴发后才开始实施干预措施的城市相比，及早采取措施的城市在疫情暴发的第一周的病例平均减少33%。暂停市内公共交通，关闭娱乐场所和禁止公共聚会等措施能够有效减少病例的发生。全国应急响应减缓了新冠病毒在中国的传播速度，减少了新冠病例的数量，并限制了流行的规模，截至2月19日（第50天）避免了全国范围内超过七十万病例的发生。

这一结果对仍处于COVID-19暴发早期阶段的国家具有参考意义。此外，尽管中国国内的疫情现状已相对明朗，但仍不能放松管控，以免疫情死灰复燃。

[1] https://mp.weixin.qq.com/s/0NiOfcY0CgWl0c3vdfAt9A

[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-03/ps-ccm033120.php

[3] https://science.sciencemag.org/content/early/2020/03/30/science.abb61

刷手机总是晚睡？有害心血管健康

睡眠不足会导致各种健康问题，每天至少7个小时睡眠对健康的意义已经是科学常识。可是，在一个流行刷朋友圈点赞的世界里，在一个居家办公24小时在线的世界里，在一个被笔记本/平板电脑/手机等移动设备包围的世界里，我们很难对拖延睡眠说No。

不仅缺觉会诱发各类疾病，而且根据美国圣母大学的最新研究**[1, 2****]**，每天不能按时入睡也会对健康产生影响。研究人员利用可穿戴设备，在4年中收集了圣母大学557名学生的255,736条睡眠数据。通过对睡眠时间的规律性和静息心率之间的关系进行分析，研究人员发现，即使只比正常入睡时间晚睡30分钟，静息心率也会显著的升高，这种升高在随后的几天也会持续。而且，当人们比正常时间越晚入睡，其静息心率在随后的几天里就会越高。正常入睡时间定义为一个人平常就寝时间的前后半个小时。

那么早睡会如何？结果令人惊讶，早睡也会导致这一现象。若只是早睡半个小时，这种影响很轻微，但若是早睡半小时以上，则会显著提高静息心率。早睡的影响相对晚睡来说要小一些，在睡眠过程中静息心率的变化会得到恢复。

研究者称，即便每天保证7小时的睡眠，但如果不是每天在相对固定的时间点就寝，静息心率就会上升。因此，尤其对于需要倒班或者经常国际旅行的人来说，保证正常的作息时间表很重要。

[1] https://news.nd.edu/news/past-your-bedtime-inconsistency-may-increase-risk-to-cardiovascular-health/

[2] https://www.nature.com/articles/s41746-020-0250-6

几纳米粗的导线有发热熔化的危险吗？

随着科学技术的不断进步，电子芯片中元件的尺寸越来越小，正在逐渐逼近摩尔定律的极限，这带来了很多技术上的难题。例如，金属导线在电流通过的时候会发热，因此会产生极轻微的热膨胀。对于宏观物体来说这可能并不是什么严重的事情，但工程师们担心，在导线只有几纳米粗的时候，这种热膨胀带来的压力可能会让纳米尺度的金表现出液体的性质，进而影响器件的可靠性。

电路芯片 | 图片来源[1]

但近日斯坦福大学的研究人员在发表于PRL的一项研究中表明**[2****]**，4 nm大小的金纳米颗粒在高压下仍然体现出固体的特性。研究者们首先借鉴铁砧，设计了一个叫做“钻石砧”的装置，从而能够给金纳米颗粒施加7.5GPa的压强（约等于7万个大气压），并原位测量其结构受损情况。

金纳米颗粒中的原子就像摩天大楼一样层层堆叠，在钻石和砧板的强大挤压下，金晶格中的一些原子会脱位形成缺陷。而当照射X光时，未经挤压的和有缺陷的金纳米颗粒对X光的反射角度不同，根据这一点我们就可以测量挤压后金纳米颗粒的形变。一个重要的结果是，撤去压力后金纳米颗粒中的缺陷仍旧存在，这说明在这样的尺度和压力下，金纳米颗粒仍然是固体，而没有发生之前人们担心的液化现象。因此，在可预见的将来，芯片制造商们似乎仍然可以继续使用金来制作芯片中的导线。

[1] https://www.militaryaerospace.com/trusted-computing/article/14035222/trusted-computing-microelectronics-manufacturing

[2] Parakh et al., Nucleation of Dislocations in 3.9 nm Nanocrystals at High Pressure.Phys. Rev. Lett. 124, 106104

量子效应触发的材料反常膨胀

水在结冰后体积会增加，可是飞机上的很多金属部件会面临相反的问题——在高海拔（低温）下它们会收缩。为了避免这种收缩带来的灾难，工程师将具有相反膨胀系数的材料制成合金，来平衡不同温度下的体积变化。

虽然水是一种最为常见的材料，但像水一样随着温度降低反而膨胀（负热膨胀）的材料事实上非常少见。近日，一种材料负热膨胀的机理得以阐明**[1, 2****]**，这种材料就是钇（Y）掺杂的硫化钐（SmS）。随着外界温度、压力等条件的不同，这种材料既可以是金色的金属，电子在其中自由移动，也可以是黑色的半导体，只允许部分电子移动。其中金色的金属态会在低温下膨胀。

X射线衍射实验说明，当温度降低时，材料中的原子会相互远离，造成最多达3%的体积膨胀。而X射线吸收光谱揭示出，之所以出现这种膨胀，是由于材料中的电子会进入钐原子的最外层，使得电子云因此变大，造成体积膨胀。

这一现象可以由“近藤效应（Kondo effect）”解释。该效应指出，电子会与磁性杂质作用，使电子自身的自旋与磁性杂质的磁矩方向相反，从而抵消磁矩。在硫化钐中，钐的最外层电子接近半满，每一个钐原子就类似一个磁性杂质，而金属态中的自由电子就可以接近并抵消这些磁矩。