目 錄
1. 利用量子糾纏，向真空借能量
2. 《科學》發布發展中國家動物抗生素耐藥性圖
3. 最新研究稱，空氣汙染導致脫髮
4. 暗物質與晶格中的神秘電導
5. 納米粒子對環境的影響超乎想像
6. X射線技術破解晶片內部結構
編輯 | 楊文瑾、董唯元、韓若冰、陳航
利用量子糾纏，向真空借能量
如果一個封閉空間中所有粒子都被移走，我們是否還能從這個空曠的空間中提取能量呢？對於這個問題，量子理論很早以前就給出了反直覺的答案：可以！我們可以像信用透支一樣，向真空這個「能量銀行」暫借能量，只要及時歸還即可。
從狄拉克預言反物質，到卡西米爾效應證實真空能量，還有霍金推論黑洞熱輻射，甚至科幻作家衷愛的反重力飛行……其背後基礎原理都是負能量狀態的存在。
近些年來，藉助於「糾纏熵」和「全息理論」的成果，「量子空能條件」（QNEC, Quantum Null Energy Condition）已逐漸發展為量子場論的熱門領域之一。
，就是該領域頗為重要的一個量化關係，其中<
>是能量-動量張量的數學期望，S是糾纏熵。關於向真空借貸能量的具體量化條件——信用額度限制、借貸期限、利息支付等等——都由這個量化關系所制約。
然而，以往量子空能條件的結論都是建立在狹義相對論的時空背景下，即時空幾何滿足洛倫茲變換下的不變性。這使很多非此類幾何背景的量子場論，無法從量子空能條件成果中受益。事實上現有的各種弦理論中，存在相當多非協變（不具備洛倫茲變換不變性）的理論分支。
來自奧地利維也納科技大學理論物理學院的Daniel Grumiller教授和兩位合作者Pulastya Parekh，Max Riegler發表了他們的最新探索。成功的規避了協變性這個限制條件，從而將量子空能條件擴展到更為一般的量子能量條件。
Grumiller教授的論文刻意放棄洛倫茲不變性條件，僅從全息理論出發，通過巧妙而清晰的構建，便推論出與
結構完全相同的量化關係。從而揭示出負能量與量子糾纏之間更為深刻的內在聯繫。
雖然Grumiller教授提出的僅為2維場中的構建，但卻為更一般的討論此類問題的情形打開了一扇新的大門。相信隨著理論物理學家們的不斷探索，不久的將來，我們就可以在真實世界中向真空借來能量使用，或者製造出足夠的負能量實現反重力飛行。
當然無論量子空能條件、量子能量條件或是其他物理理論，都仍然遵循能量守恆定律。即使有了真空這個能量銀行，製造永動機的奢望還是無法達成。
[1] Local Quantum Energy Conditions in Non-Lorentz-Invariant Quantum Field Theories. Daniel Grumiller, Pulastya Parekh, and Max Riegler, 2019.
《科學》發布發展中國家動物抗生素耐藥性圖
根據《科學》雜誌最近的一篇論文[1]，發展中國家對動物蛋白的需求日益增長，導致牲畜消耗的抗生素數量激增。短短不到20年間，易發生人畜傳播的致病細菌對抗生素的耐藥率幾乎翻了三倍。
研究人員從世界各地收集了近1000份出版物和未發表的獸醫報告，繪製出了中低收入國家動物的抗生素耐藥性圖。研究重點是大腸桿菌、彎曲桿菌、沙門氏菌和金黃色葡萄球菌，這些病菌均能造成人畜的嚴重疾病。
科學家繪製的自2000年以來中低收入國家動物的抗生素耐藥性（AMR）圖。家畜中的耐藥性在中國和印度最為普遍，巴西和肯亞等地正在成為新的熱點。黑色區域的數據不足 | 數據來源[1]
研究顯示，從2000年到2018年間，發展中國家對食用雞使用的抗生素中，耐藥率超過50%的藥物比例已經從15%漲到了41%，而豬用抗生素中的相應比例也從13%漲到了34%。而隨著飲食結構轉向高蛋白，自2000年以來非洲和亞洲的肉類產量增長了60％以上，南美則增長了40％。世界上一半以上的雞和豬都產自亞洲。
論文作者，普林斯頓大學環境研究所的Ramanan Laxminarayan說：「我們當然希望更多人擁有高蛋白飲食，但是如果要以抗生素逐漸失效為代價，那麼我們需要評估優先級。」
肉類生產中使用的抗生素已佔到全球抗生素使用量的73％。抗生素的使用減少牲畜感染並增加牲畜體重，使得大規模飼養和生產大量食用肉類成為可能。而牲畜中抗生素耐藥性在發展中國家的急劇上升尤其令人擔憂。這些國家的肉類生產和消費持續爆炸性增長，而抗生素的使用仍然缺乏管制。
研究人員建議，發展中國家應該採取行動，限制在畜牧業中使用人類抗生素，發達國家應該通過全球性基金資助生物安全的提升，支持發展中國家向可持續農業過渡。否則，在食用動物中不加限制地使用抗生素可能導致傳染性細菌在全球擴散，細菌越來越難以治療，對人類健康造成嚴重威脅。
[1] Global trends in antimicrobial resistance in animals in low- and middle-income countries. Thomas P. Van Boeckel et al, 2019.
最新研究稱，空氣汙染導致脫髮
廣大為髮際線戰鬥的同胞們注意了！空氣汙染可能導致脫髮！10月9日，在西班牙馬德裡舉行的第28屆EADV（歐洲皮膚病與性病學會）大會上，一項空氣汙染物（PM）與脫髮有直接關聯的研究成果首次向公眾發布。
在此項研究中，研究人員從人類頭皮毛囊組織中提取細胞，即人毛囊毛乳頭細胞（HFDPCs），將其暴露在不同濃度的屬於PM10類的灰塵和柴油顆粒中。24小時後，研究人員採用蛋白質印跡法觀測這些細胞裡的特異性蛋白質的濃度。結果顯示，PM10類灰塵和柴油顆粒導致β-連環蛋白的水平降低。β-連環蛋白對毛髮生長和形態建成起到主要作用。
研究還顯示，另外三種負責毛髮生長和維持的蛋白質[1]的水平也隨著PM10類灰塵和柴油顆粒的濃度增加而降低。這意味著汙染物的濃度越高，蛋白質含量降低得越厲害。
PM(顆粒物質)是空氣中可吸入顆粒物包括固體顆粒和液滴的總稱。PM可分為兩類：一類是直徑等於或小於10微米的顆粒，一類是直徑等於或小於2.5微米的顆粒。PM10 和 PM2.5都是空氣中的主要汙染物，與人類的多種嚴重健康問題有關聯，從心臟病、肺病、癌症到各種呼吸系統疾病。總的來說，環境空氣汙染每年導致4200萬人死亡，但是它對人類皮膚和頭髮的影響還沒有廣為人知。
PM的來源包括汽油、柴油和碳、石油、生物量等化石燃料、固體燃料的燃燒，此外工業活動，例如房屋建造、採礦，以及水泥、磚、陶等建築材料的生產也會產生大量PM。
這項研究的帶頭人，來自韓國未來科學研究中心的Hyuk Chul Kwon說：「已經有很多研究關注空氣汙染和癌症、慢性阻塞性肺病等嚴重疾病之間的關聯，但專注PM對人類皮膚和頭髮影響的研究幾乎沒有。我們的研究解釋了空氣汙染物對於人毛囊毛乳頭細胞的作用方式，顯示了最普通的空氣汙染物如何導致脫髮。」
[1] 細胞周期蛋白D1、E和細胞周期素依賴性激酶2
[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-10/sh-apl100719.php
暗物質與晶格中的神秘電導
軸子（Axion）自1977年被理論物理學家預言以來，一直是宇宙暗物質的重要候選者之一。雖曾有質疑者試圖排除軸子作為暗物質的可能性[1]，同時來自WIMP等其他暗物質候選者的競爭也使軸子的受關注程度一度下降，但最近對軸子的探測熱情卻在穩步回升。
這種粒子對物理學意義非凡，解決宇宙暗物質問題只是捎帶手而已，其實軸子是否存在更關乎很多基礎性理論。最初軸子的預言，是源於對量子色動力學中CP守恆問題的研究。在現有理論中CP不守恆已是基本共識，並早已得到實驗驗證。但物理學家發現強相互作用中，CP永遠自覺的守恆，這其中必然隱藏著尚未發現的規律，於是便提出一種新的對稱性，Peccei–Quinn對稱[2]。確認軸子的存在就等於確認了這種新對稱性的存在，屆時不僅標準模型得以擴展，連麥克斯韋方程組都需要修改[3]，甚至對磁單極子的認識也會有所改變。
然而這種不帶電、無自旋、懶得參與強弱相互作用、質量比電子還小7-11個數量級的粒子，探測難度之大可想而知。2014年英國萊斯特大學的一個小組，研究了歐洲航天局X射線天文臺和XMM-牛頓天文臺長達15年的數據之後，發現了一些端倪，似乎太陽中心可以產生軸子並在地球磁場中留下些許季節性痕跡[4]。這雖然遠非發現軸子的實錘，卻也激起了更多人尋找軸子的熱情。
現在，科學家們除了瞪大眼睛看，又多了一個支起耳朵聽的新方法。斯德哥爾摩大學的Matthew Lawson等科學家，剛剛發表了他們發明的設備，利用低溫等離子探測軸子[5]。他們的設備就像收聽軸子信號的收音機一樣，專門捕獲並放大由軸子產生的微小電磁場。只要耐心的調整「接收頻率」，這臺軸子「收音機」就可以在地球穿過暗物質軸子海時奏出美妙的「樂聲」。
當然如何推算軸子的「接收頻率」，仍然有賴於科學家們對這種粒子具體性質繼續進行深入探索。在沒辦法獲得真實軸子之前，除了純粹的理論推演，研究具有一定數學等價性的類軸子，也是掌握軸子性質的捷徑之一。
[1] Direct detection searches for axion dark matter. GrayRybka, 2014.
[2] CP Conservation in the Presence of Pseudoparticles. R. D. Peccei and Helen R. Quinn, 1977.
[3] Viewpoint: High-energy physics in a new guise. Marcel Franz, 2008.
[4] Potential solar axion signatures in X-ray observations with the XMM–Newton observatory. G.W.Fraser et al, 2014.
[5] Tunable Axion Plasma Haloscopes. Matthew Lawson et al, 2019.
[6] Axionic charge-density wave in the Weyl semimetal (TaSe4)2I. J.Gooth et al, 2019.
納米粒子對環境的影響超乎想像
在過去的二十年間，納米技術改善了我們的生活。從微電子到防曬霜，無一不顯現出納米粒子的身影。現今，納米粒子正以噸級的數量消散在環境中，但是科學家仍不清楚這些納米粒子對環境的長期影響。近期發表在《化學科學》雜誌的一項研究[1]，首次揭示出納米粒子對環境的影響可能超乎我們的想像：哪怕是不具有抗菌作用的納米粒子，也會引起環境中細菌的耐藥性。
明尼蘇達大學Erin E. Carlson副教授主導了這項研究。Carlson發現，環境中常見的非致病細菌希瓦內氏菌[2]在反覆暴露於納米粒子，如製造鋰離子電池的納米粒子時，會迅速產生耐藥性。這意味著細菌的基本生物化學和生物學特性正在發生變化。
這是第一份關於非抗菌納米粒子引起細菌耐藥性的報告。傳統觀點認為，細菌耐藥性往往由抗菌納米粒子引起。如被廣泛用作抗菌劑的含銀納米粒子，會使細菌很快產生耐藥性[3]。細菌變得有「抵抗力」，是因為我們試圖殺死它。但是鋰離子電池中使用的納米粒子從來都不是用來殺菌的。這項研究顯示，即使納米粒子對微生物沒有毒性，它仍然是危險的。
這項研究的結果遠遠超出了細菌的範疇。Carlson副教授表示，「這項研究對人類來說非常重要，因為細菌在我們的湖泊和土壤中普遍存在，而那裡有著微妙的生物平衡。其他生物以這些微生物為食，可能會對食物鏈產生重大影響，這些耐藥細菌也可能會產生我們目前無法預測的其他影響。」
這項工作揭示一些納米粒子影響環境生物的同時，也帶來了潛在的解決辦法。Carlson副教授認為，這項工作不僅是開發新的可持續材料的第一步，還為可能的修複方法奠定了基礎。
[1] Chronic exposure to complex metal oxide nanoparticles elicits rapid resistance in Shewanella oneidensis MR-1. Stephanie L. Mitchell et al, 2019.
[2] 希瓦內氏菌：Shewanella oneidensis MR-1
[3] https://twin-citi e s.umn.edu/news-events/research-brief-nanoparticles-may-have-bigger-impact-environment-previously-thought
X射線技術破解晶片內部結構
通常情況下，對晶片進行逆向破解是個非常耗時的過程。其中涉及到費力地去除晶片中納米級的連接層，並使用不同層次的成像技術對它們進行映射。近期，《自然電子學》報導了一項X射線技術，可以通過類似人體CT檢測的方式對晶片內部硬體結構進行掃描處理。這項技術讓晶片無秘密可言，目前已破解16nm線寬的晶片。
瑞士Paul Scherrer研究所Mirko Holler教授主導了這項研究。利用一種被稱為疊層X射線斷層照相術（ptychographic X-ray laminography）的技術，通過特定算法，在無損的情況下，根據晶片結構散射和衍射出的數據，還原出內部結構，發現晶片中可能存在的硬體後門。目前該技術已經在16nm FinFET晶片上實驗成功，並且能夠輕鬆擴展到現在主流的7nm工藝晶片。
該研究的主要領導者Mirko Holler表示，這項技術的主要用途之一是尋找晶片製造與設計之間的偏差，而非進行商業秘密窺探。
[1] 註：來源：公眾號「量子位|QbitAI」 作者：曉查 發自 凹非寺
《返樸》，科學家領航的好科普。國際著名物理學家文小剛與生物學家顏寧共同出任總編輯，與數十位不同領域一流學者組成的編委會一起，與你共同求索。