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目 錄
1. 暗物質根本不存在？
2. 術語越多越專業，聽眾越怕越遠離
3. 氫甲醯化領域50年來的第一次重要發現
4. 你的個性腸子說了算
5. 看見光回流
編輯 | 韓若冰、琵思佛
編譯 | 董唯元、楊凌、顧淼飛、顧舒晨、劉航
1
暗物質根本不存在？
追溯宇宙暗物質的提出，最初是為了解釋星系邊緣的星體運動速度過快的現象。按照引力理論推算，銀河系中所有可觀測到的天體總質量，不足以維繫住其邊緣地帶那些快速運動的星體。早在20世紀30年代，天文學家就發現了這一現象，但直到1980年左右，這一結論才被天文學家廣泛接受。隨後的十幾年中，各種版本的暗物質理論也相繼出爐。
所有暗物質理論都是在承認現有引力理論的前提下，希望尋找「尚未觀測到的物質」來填補所需要的那部分質量空缺。據估算，所需空缺質量是現已觀測到的普通物質總質量的6~7倍。
1983年，以色列物理學家Mordehai Milgrom另闢蹊徑，他設想也許並不存在質量空缺，而是我們所認識的引力理論需要修正，MOND（Modified Newtonian Dynamics）理論由此誕生。著名的Jacob Bekenstein，就是最早認識到黑洞熵的那位Jacob Bekenstein，他也很快加入了MOND的研究，並為完善這一理論假設做了頗多貢獻。
藍線是實際觀測到的星體運動速度分布；紅線是現有理論推算的星體運動速度分布；黃色點為太陽所處位置。MOND理論猜測現有引力理論僅在太陽所處位置附近有效。
在上世紀末和本世紀初，修改現有引力理論的具體實施方案迅速發展出了很多種形式，這些理論被統稱為MOND理論。後來隨著引力透鏡等其他觀測證據的出現，一部分MOND理論被排除。尤其是2017年引力波速度被測定確認為光速後，大部分MOND模型都被淘汰，但仍有一些理論模型屹立不倒。
大約十年前，曾有一個日本研究團隊對星系的形成過程進行了計算機仿真模擬。他們聲稱，如果不引入暗物質，星系就無法形成，並以此作為暗物質存在的佐證之一。但實際上，如果不引入暗物質，而是適當調整引力作用的模型，也可以得到類似的仿真結果。
最近，一個由德國、捷克和法國研究者組成的研究團隊，便基於MOND理論進行了仿真模擬。在沒有暗物質的條件下，仿真模擬成功地完成了由宇宙塵埃到圓盤狀星系的演化過程。研究團隊在論文[1]中詳細展示了仿真模型設計，以及星系演化過程中各階段的狀態，令人信服地證明了「不依靠暗物質，通過修改引力理論也可以解釋星系運行狀態」。
當然，作為旨在排除暗物質可能性的理論，MOND理論目前還面臨其他難題有待解決。其中最重要的就是獵戶座子彈星雲，其所展示的星系對撞過程中質量分布與發光星體分布的嚴重偏離，一直被視為暗物質存在的事實鐵證。而MOND理論目前對此現象還無法提供任何解釋。
獵戶座子彈星雲
不過也有研究者試圖將MOND理論與暗物質兼收並蓄，而不是將其視為非此即彼的競爭性理論。也許宇宙暗物質確實存在，只不過沒有我們原本推算的那麼多。同時，現有引力理論也確實需要在宇宙大尺度上做出修正，從而「抵消」一部分預期中的質量缺口。
無論如何，涉及引力理論的修改對天文學，乃至整個物理學都事關重大。如果某天MOND得以驗證實錘，必然對整個宇宙結構和演化的認識都帶來顛覆性影響。
[1] Wittenburg N, Kroupa P, Famaey B. The formation of exponential disk galaxies in MOND[J]. arXiv preprint arXiv:2002.01941, 2020.
2
術語越多越專業，聽眾越怕越遠離
當科學家和政客經常用內行的專業術語和大眾溝通時，對大眾的負面效果可不僅僅是感覺像聽天書。發表在《語言和社會心理學期刊》上的最新的研究[1]表明，對於類似於自動駕駛、手術機器人一類的話題，若受眾聽到或看到大量的專業術語，他們會表示對這些技術不夠感興趣，而且傾向於認為自己不擅長科學，缺乏對科學的了解，且沒有參與科學討論的資格。
不僅如此，即使給這些專業詞彙加上注釋，讀者也會和閱讀沒加注釋的文章一樣感到受挫。
俄亥俄州立大學傳播學助理教授、該研究的第一作者Hillary Shulman說，問題在於專業詞彙向讀者傳遞了一種不鼓勵的信號。使用艱深、專業的詞語會讓讀者覺得這些文章不是寫給他們看的，即使給這些術語加上注釋也於事無補。
「我首先從政治方面著手研究，」Shulman解釋說。「我們發現和人們進行像移民政策之類的溝通時，使用的口語化語言越多，人們就會對政治越感興趣，對政治信息的理解能力也變得更強，對自己的政治觀點也變得更有自信。」
Shulman和她的同事們研究了20多個不同的政治和科學主題中的語言使用和公共參與度的關係，結果全部和上述結論一樣。如果科學家和政客等相關專業人士在和民眾溝通時，能夠用易於理解的語言表達複雜的科學或政治問題，就會獲得民眾更高的參與度。
這項研究邀請了650個成年人參與，每人被要求閱讀三篇科技類的文章，分別關於自動駕駛、手術機器人和3D生物列印。其中一半的讀者拿到的文章版本中沒有專業詞彙，另一半讀者拿到的版本富含專業詞彙。例如，關於手術機器人的一版文章寫道：「系統工作原理基於在運動縮放和顫抖抑制過程中的AI整合。」而另一版沒有專業詞彙的文章則寫道：「系統通過編程使機器人的動作更加精確，並減少了動作顫抖。」研究者還為拿到專業詞彙版本的那一組參與者提供了術語的解釋，當他們把滑鼠放在術語上就會出現浮窗，其中的解釋和沒有專業詞彙那一版文章中的一模一樣。
當閱讀完一篇文章之後，參與者被要求對閱讀內容的難易程度打分。當三篇文章全部讀完之後，參與者被要求完成一項在線調研，以衡量他們對科學的興趣以及認為自己對科學的了解程度。
和預期一致，拿到富含專業詞彙版本的那一組認為自己不太明白文章在說什麼，儘管他們可以看到專業詞彙的解釋。因此，給不給定義和解釋對讀者而言沒什麼區別，難懂就是難懂。但是閱讀沒有專業詞彙的版本則讓讀者感到鼓舞，他們更願意說自己讀懂了，因為自己是相信科學、喜愛科學的人，並認為自己知識豐富。
受眾廣泛接觸艱澀的專業詞彙還帶來了一個更嚴重的問題。早先發表在《公眾理解科學》期刊上的一項研究[2]表明，閱讀專業詞彙導致大眾不再信任科學。
「當讀者難以理解這些術語的時候，他們會開始逆反，討厭這些文章。當文章易於閱讀時，讀者會更容易被說服，更願意支持文章提到的技術，」Shulman說。「可見，在和大眾溝通氣候變化或疫苗等複雜的科學話題時，選擇清晰的溝通方式有多麼重要。」
Shulman 還表示，當和科學素養較高的受眾溝通時，使用專業詞彙沒什麼問題，但若面向公眾進行溝通，就要使用合適的語言，第一步就是剔除專業詞彙。很多人認為，為公眾提供專業詞彙的注釋或定義就可以了，而該研究證明這遠遠不夠。
[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
氫甲醯化領域50年來的第一次重要發現
美國路易斯安那州立大學化學教授George Stanley和他的同事發現了一種用於氫甲醯化反應的新型鈷陽離子雙膦配位催化劑，可以實現很高的催化活性和強大的催化效果。這項研究發表在近日的《科學》雜誌上[1]。
催化劑的作用頗有幾分「點石成金」的意思。它在化學反應過程中「協助」反應物轉化成產物，而自己不發生任何改變。鈷具有良好的接受其他原子的能力，非常容易形成複雜分子，易於促進複雜的分子間轉化。
目前，工業上約75%的氫甲醯化工藝使用的都是銠基催化劑。這種生產工藝的優勢在於無須高壓條件，車間建造成本也比較低。但是Stanley認為，鈷基催化劑不僅產出更可觀（對於某些特定的醛類產物），而且經濟上也更加划算。「儘管鈷陽離子雙膦配位催化劑的催化速率相較於最好的銠基催化劑只有1/20，但是它的價格卻是後者的萬分之一。」考慮到僅僅路易斯安那州一地就有埃克森美孚、殼牌、陶氏化學三大化工巨頭設立的大型氫甲醯化裝置，這種高效、經濟的新型催化劑的工業應用前景可見一斑。
氫甲醯化反應是一種將烯烴、一氧化碳和氫氣轉化成複雜有機產品的催化反應，常用的增塑劑和洗滌劑就是氫甲醯化反應的產物。
值得一提的是，這種新型鈷基催化劑對於較難發生氫甲醯化反應的內支鏈分子具有優異的活性和選擇性。這一特性在工業中具有獨特的應用，例如，洗滌劑由於分子的線性結構而難溶於冷水，使用這種新型催化劑，可以製備出結構上具有更多「分支」的洗滌劑分子，從而能夠與水反應。
Stanley說，這是氫甲醯化領域近50年來的第一次重要發現。他說：「最讓我感到激動的，是這項發現具有切實的工業應用價值。提出一種高效的、綠色的、能夠實現大規模工業化的催化劑，是每一位化學家的夢想。」
[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
你的個性腸子說了算
俗話說「性格決定命運」，然而又是什麼決定了性格呢？牛津大學實驗心理學博士Katerina Johnson的最新研究發現，很可能是腸道菌群的組成與多樣性決定了人類性格的差異。
正常的人體腸道菌群所包含的細菌數量近100萬億，分布在100至1500個不同種類，對人體健康的影響巨大。近年來，有關腸道菌群的研究已經成為最熱門的生物學研究方向之一。這些微生物可能不單單決定了你最愛的食物是什麼[1]，還決定了你患自閉症的風險有多大[2]。
在先前的研究中，科學家們已經鑑定出與自閉症相關的多種腸道菌群。Johnson的新研究發現，這些菌群不僅能導致自閉症患者的極端行為，還可能導致普通人社會行為的改變，從而影響人的社交能力[3, 4]。這類跨領域的研究將有助於開發自閉症和抑鬱症的新療法。
這項研究還第一次發現，人類的社交能力與腸道微生物的多樣性有關。社交網絡廣泛的人擁有更豐富的腸道菌種，而壓力較大或焦慮程度較高的人，腸道菌群的多樣性就相對匱乏。
此外，該研究也提出了其他值得關注的新發現。例如：喝配方奶的兒童在成年後腸道菌群的多樣性相對缺乏，這表明嬰兒時期的營養可能對腸道健康有著長期的影響。腸道菌群多樣性還與國際旅遊的頻率成正比，這或許是因為出遊的人有更多機會接觸新的飲食和微生物。喜歡冒險的食客的腸道微生物菌群更為多樣，而不吃奶製品的人則多樣性較低。食用更多天然來源的益生菌（來自發酵奶酪、酸菜、泡菜等）和益生元(來自香蕉、豆類、全穀類、蘆筍、洋蔥、韭菜等)的人群擁有更豐富多樣的腸道菌群。然而，通過吃保健品來補充益生菌或益生元的人，腸道菌群多樣性的改變似乎並不明顯。
現代人的生活方式，比如生活壓力過大、社交活動減少、飲食中缺乏纖維素、缺少與大自然的接觸、依賴過度清潔的生活環境和抗生素等等，不僅容易導致腸道菌群失調，還可能影響我們的行為和心理健康。所以，改善個性，改變命運，你知道該怎麼做了麼？
[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
看見光回流
量子回流（Quantum backflow）是一種違反直覺的現象，向前傳播的量子粒子可以局部向後傳播。1969年， Allcock在探討量子理論中的到達時間問題時最早提出了這個問題。Allcock發現，即使對於正的動量量子態，局部量子概率流也可能變為負值，因此不能作為到達時間的有效量度。1994年，Bracken和Melloy 對這一現象進行了詳細研究，他們發現回流的總量是有限的。這導致他們引入了一個新的無量綱量子數，其數值在隨後的幾年中得到了更準確的再現。
最近，人們對回流現象產生了新的興趣，各種研究重新介紹和探索了該現象的各個方面。日前，特拉維夫大學（TAU）的研究人員首次觀測到了向前傳播的光的回流現象[1, 2]。在此之前，科學家從未在任何實驗中觀察到與這種微妙的幹擾現象相關的實際反向傳播特性[3, 4]。
量子回流和超振蕩（superoscillation）有著密切的關係。超振蕩是指對於有限帶寬的波，其局域振蕩速度比其最快的傅立葉分量快。
例如，對於超振蕩函數的一個簡單示例：
對於有限帶寬的波，通過選擇合適的係數an, 就能構造出一個局域振蕩速度比其最快的傅立葉分量還快的振蕩波，如下圖所示。
通過選擇合適的係數an得到藍色實線表示的波函數，黑色虛線則表示最高頻率的分量函數。選擇合適的係數an，可以使得在x=0處，振蕩頻率是最高頻率的數倍。
同理，舉一個最簡單的光回流的例子。考慮最簡單的波形
在一個周期內，a<1會發生回流。當a逐漸變小，回流區間會變大，而回流程度減小。
兩個波疊加的局部波數，水平的黑色粗線表示回流區域。其中（a）a=0.01，（b）a=0.2，（c）a=0.5，（d）a=0.9。可以看到，隨著a的增加，回流區域減小，而回流程度增加，即波數 k 會變為更大的負值。
領導了這項研究的TAU電氣工程學院物理電子學系的Alon Bahabad博士解釋說：「這種『回流』現象非常微妙，需要對粒子狀態進行精確控制，因此其成功演示停滯了半個世紀。這一現象揭示了由波組成的系統的一種違反人類直覺的行為，這種波既可以是量子力學中的一個粒子，也可以是一束光。」
光與量子粒子的相似之處在於兩者都可以由相干波構成。將多個波形加在一起產生一個新波形，這種結構被稱為疊加。如果構造一個由向前傳播的波疊加形成的特殊的波，則整個波就有可能實現所謂的「光學回流」。
研究人員使用全息術來清晰顯示回流效應。在全息照相實驗中，他們將光束分解並重新疊加成以相對於軸成正角傳播的光波的形式。這需要非常仔細地構造不同的光束，並為其強度和延遲指定精確的值。創建好疊加的波之後，設置一個小縫並垂直於光束移動，以便有效地測量光束在不同位置的方向。
結果發現，從縫隙逸出的光在大多數位置都是以正角移動時顯示出來。但是在某些位置，逃離狹縫的光卻以負角傳播，即使射向狹縫另一側的光是由全部以沿正角傳播的光束疊加而成。
如果以一種特殊的方式構造全部沿一個方向傳播的相干波，並且要測量整個波在特定位置和時間的傳播方向，可能會發現波向後退。這種令人驚訝的行為違反了我們從宏觀物體運動的日常經驗中得出的任何直覺。儘管如此，它仍然服從自然規律。另外，此次試驗只是實現了橫向光回流現象，要實現與反向傳播這一初始概念更為接近的縱向光回流，仍然是一項艱巨的挑戰。
這項研究並不只是演示了一種奇妙的量子現象，事實上，通過發射雷射束並誘導其從定點向後傳播，可以幫助我們探測大氣。此外，這項技術也可以應用於需要對光場進行精細控制的情況，例如高分辨度的光學顯微鏡、光學鑷子等。
[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.
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原標題：《暗物質根本不存在？你的個性腸子說了算 | 一周科技速覽》
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