目 錄
1. 一個對稱性解釋三個宇宙學難題
2. 引力波碰撞會發光？
3. 粘液黴菌助力尋找宇宙網
4. 聽，是雜質原子的聲音
5. 更快了！地球的大型生態系統在崩潰
6. 究竟誰用的抗生素更多？
7. 蒼穹之下的空氣汙染是人類健康最大威脅
8. 實時三維觀測液晶態活性物質中的缺陷
撰文 | 董唯元、楊凌、顧舒晨、洪俊賢、太閤爾、姜小滿
1 一個對稱性解釋三個宇宙學難題
物理學家都有強迫症，看到對稱性和守恆量就會心情舒暢，而遇到對稱性破缺或不守恆的物理量則會立刻厭惡地皺起眉頭。然而凡事都有例外，在高能粒子物理的研究領域中，就有一個惱人的守恆令所有研究者頭疼不已。這就是CP（電荷和宇稱組合）在強相互作用過程中的守恆，即所謂強CP問題。
依照目前的標準模型理論，CP在電磁作用中守恆，而在弱作用中不守恆，這些都已經在實驗中得到驗證，其中弱作用CP不守恆這一成果還獲得了1980年的諾貝爾物理學獎。唯獨在強相互作用中，理論計算的結果是不守恆，可實驗中每次都表現出守恆的結果。這就像隨意扔一把骰子在地上，結果卻發現所有骰子都是6點，而且重複數次都是如此。這種情況顯然說明，骰子和地板裡隱藏著什麼秘密等待我們去發現。
這個強CP問題，已經成為現有標準模型理論所面臨的重大挑戰之一，同時也與中微子振蕩等其他問題存在著千絲萬縷的微妙聯繫。
1930年泡利正是出於對守恆律的堅定信仰，在面對β衰變中出現的不守恆現象時，將一個全新粒子納入方程，以維持衰變前後的各種物理量守恆，由此在理論上預言了中微子。而面對強CP問題，物理學家Roberto Peccei和Helen Quinn也遵循類似的思路，在1977年提出了Peccei-Quinn理論。該理論同樣嘗試引入新粒子，這個新粒子便是軸子（Axion）。稍有區別的是，這次需要新粒子來「維持」CP的不守恆。
所謂的「維持」不守恆，其實是使新粒子的運動模式剛好抵消不守恆因素，從而使強相互作用中CP保持守恆。從整體效果上看，就是新的規範場帶走了所有不守恆成分，使剩下的部分保持了守恆。這個操作難度要大於泡利當初推算中微子的難度，所以PQ理論在提出新粒子軸子的同時，還提出了一種新的對稱性，即Peccei-Quinn對稱性。
PQ理論雖然尚缺乏比較直接的實驗驗證，但其優美的自洽性使其已經成為現代量子色動力學（QCD）理論體系的重要擴展內容之一，由此產生的衍生理論研究也非常活躍。
例如QP理論所預言的軸子，既不帶電也無自旋，質量只有10^-5~10^-3 eV，比中微子質量的中值還要小几個數量級，幾乎不與普通物質發生任何相互作用，這使軸子成為了宇宙暗物質的最佳候選者之一。
最近，兩位美國研究者Raymond T. Co和Keisuke Harigaya，進一步深入研究了PQ對稱性在早期宇宙演化過程中的情況，得出了許多頗為有趣的成果[1]。
我們已經知道宇宙中除引力之外的其他三種力，電磁力、強力和弱力，在宇宙之初是融化在同一鍋濃湯之中的統一場，後來隨著演化過程發生了對稱性自發破缺，才分化成了今天的三種不同力。當Raymond T. Co和Keisuke Harigaya把PQ理論也倒入這鍋濃湯之後，他們驚奇地發現，在PQ對稱性這份佐料的影響下，濃湯的味道發生了微妙的變化，不僅可以描述暗物質軸子的產生過程，竟然還能夠順帶解釋另外兩大宇宙學難題：「普通物質為什麼比反物質多？」和「上帝為什麼是左撇子？」
原來，在宇宙早期演化過程中，PQ規範場自身會發生一次轉動。正是這次轉動，將手性對稱性破壞傳遞給了標準模型中的其他粒子，於是就造成了如今一些粒子只有左旋形式存在，而沒有右旋形式的伴侶。而且這種對稱性破壞，還直接造成了普通物質的衰變速度慢於反物質的衰變速度，也就是反物質為什麼這麼少的原因。
[1] arXiv:1910.02080v1 [hep-ph] | 已被 Physical Review Letters 接收
2 引力波碰撞會發光？
由薛丁格方程所描述的初等量子理論，建立在牛頓時空的背景下，所以也被稱為「非相對論量子力學」。後來狄拉克等眾多物理學家共同努力，終於將量子理論遷移進狹義相對論時空，建立起了量子場論，薛丁格方程也變成了具備洛倫茲協變性的狄拉克方程。至於廣義相對論所描述的彎曲時空，至今都沒有與量子理論完美統一，這也成了當代所有理論物理學家心目中共同的聖杯。
雖然廣義相對論與量子場論本質上是並不相容的兩套理論，但這並不妨礙大膽的研究者勇敢地同時使用兩種理論工具來處理實際問題，而且還經常斬獲意外的成果。遠有50年前霍金提出的黑洞輻射，近有5年前薩斯坎德（Leonard Susskind）和馬爾達西那 (Juan Maldacena) 提出的ER=EPR，都是在兩套理論的跨界之處尋到了意料之外的理論寶藏。
最近美國加州大學聖芭芭拉分校的R. F. Sawyer也將研究方向指向了這兩座理論大山之間的通幽小徑，並且果然又尋找到有趣的新成果：引力波碰撞居然可以產生光子！Sawyer的論文[1]發表在2020年3月10日的《物理學評論快報》（PRL），不僅獲得了編輯推薦，而且還在專業圈內迅速刷屏無數。
這一成果之所以引起如此廣泛的關注，主要原因是他在某種程度上挑戰了理論物理學家的基本常識性認知。
將引力場的波動視作引力子（graviton）的傳播，這是諳熟量子場論的研究者們早已駕輕就熟的數學把戲。大家都清楚，利用散射理論，兩個引力子碰撞的交叉項中含有G^2，這個G就是引力常數，它本身就是個微弱到幾乎無影響的係數，如果再平方之後，那對整體的影響就根本可以忽略不計了。而另一方面，光子的激發存在最低能量門檻，不是隨便一點點波動就可以激發出光子。這就像股票交易必須以100股的整數倍作為基本交易單位，交易系統根本不接受那些只想買進0.00001股的訂單請求。所以一直以來，物理學家眼中的引力子都是絕對意義上的「窮人」，不可能有機會參與激發光子這種昂貴的交易。
然而Sawyer通過理論模型和仿真計算發現，這些貧窮的引力子居然可以在特定條件下團結起來，湊起足夠多的能量達到激發光子的交易門檻。當然Sawyer的模型也顯示，達到這種情況的條件還比較苛刻，目前依靠黑洞融合所產生的引力波都過於短暫，無法提供足夠長的時間窗口達成光子的激發。不過在規模更大、持續時間更久的引力波碰撞中，理論上還是存在激發光子的可能。
[1] DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.101301
3 粘液黴菌助力尋找宇宙網
主流宇宙學理論認為，在大尺度範圍，宇宙網構成了宇宙的主幹，它主要由被稱為暗物質的神秘物質組成，其間還夾雜著氣體。橫跨虛空的宇宙網細絲可延伸至上千萬光年，在細絲交叉或聚集處坐落著星系。目前通過超大型天文望遠鏡，天文學家們已能觀測到一部分遙遠星系之間的超級巨大的發光氣體細絲，但是對整個宇宙網細絲的大規模可視化依然是個難題。
受粘液黴菌生長模式啟發，加州大學聖克魯斯大學的一組天文學家和計算機科學家開發出了新算法，用來追蹤連接整個星系的宇宙網細絲。他們的研究結果[1]於3月10日發表在《天體物理學期刊快報》（Astrophysical Journal Letters）。
粘液黴菌早已在構建最佳分銷網絡和解決空間組織問題上展現驚人能力。其中一項著名的實驗是，以食物代表東京周圍的城市，為了連接這些食物來源，粘液黴菌重現了日本鐵路系統的布局。
研究者們基於粘液黴菌生長模式開發的算法名為Monte Carlo Physarum Machine。他們把斯隆數字巡天（SDSS）繪製的37 000個星系位置的資料庫輸入算法中，成功生成了宇宙網結構的三維地圖。有了關於宇宙網的預測結構，研究者們可以將其與哈勃太空望遠鏡觀測到的類星體光譜進行比對分析。
基於粘液黴菌模型重構的宇宙網。|圖片來源：NASA, ESA, and J. Burchett and O. Elek (UC Santa Cruz)
這裡要提一下遙遠的類星體，它們發出的光像是手電筒光束，當其穿過SDSS星系所佔據的空間時，星系間的氣體細絲會在光譜中留下獨特的吸收信號，並最終被太空望遠鏡觀測記錄。
論文作者Joe Burchett解釋說，通過粘液黴菌模型，可以預測出宇宙網的細絲的位置。只要在模型中看到細絲，哈勃光譜都會顯示該處存在氣體的信號。在細絲中央附近氣體應該更稠密，而看到的光譜吸收信號也更強。
這是天文學家第一次可以量化從低冷的宇宙網絲外圍，到熱密的星系集團內部的星系介質的密度。這些結果不僅證實了宇宙學模型預測的宇宙網結構，而且讓我們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 聽，是雜質原子的聲音
有時候，材料中一個原子位置的改變能讓材料性質發生巨大變化。材料對於雜質的這種敏感性，給從事納米技術研究的科研工作人員帶來了許多挑戰，他們急需一種方法，能夠測量單個原子對材料的這種影響。
近日，英國利茲大學的研究團隊與巴黎索邦大學合作，首次開發出一種像音叉一樣檢測材料中單原子的方法，從而能夠在原子尺度精確地監測材料中的雜質。該論文題為「利用掃描電子顯微鏡監測單原子振動能譜」，發表於3月5號的《科學》雜誌[1, 2]。
音叉是一種聲學裝置，由兩個長條形的金屬組成一個U字形。當擊打音叉時，它會發生特定頻率的聲音，並且該音調會隨著音叉的結構而變化。
利茲大學的研究人員向固體中的一個單原子發射一束電子束，從而使得該原子和附近的原子發生振動。而電子束激發的晶格振動的能量譜也像音叉的特定音調一樣，或者說像是一種指紋，是獨一無二的，並能夠被電子顯微鏡記錄下來。但如果材料中有一點點的雜質，例如摻雜了一個其他化學元素的原子，那電子束所激發的振動指紋譜就和純材料不同了。而如果類比音叉的話，材料「聽上去」就不一樣了。這一方法通常稱為波譜學（spectroscopy）。
本研究是在英國國家高級電鏡中心完成的，那裡有世界上研究物質原子結構最先進的設備。科學家們先製備了一塊僅含有一個矽原子雜質的石墨烯晶體，然後將電子束直接聚焦轟擊在那個矽原子雜質上。這時矽原子就會左右前後的振動，同時吸收部分入射電子束的能量。研究人員所做的就是測量到底吸收了多少能量。
巴黎索邦大學Radtke博士是本文的合作者，他的理論計算顯示了矽是如何振動，以及該振動又是如何影響周圍的碳原子的。他說：「矽原子在石墨烯晶格中的每一個位置都對應著一種獨特的振動波譜。我們可以通過理論來計算這些雜質矽原子如何影響周圍碳原子的晶格，但本文的實驗方法讓我們可以在原子精度來測量到這樣細微的變化，真的是個了不起的技術。」
石墨烯（碳原子用黑色表示）晶格中摻雜了一個矽原子（紫色）。|來源：D. Kepaptsoglou, SuperSTEM
利茲大學Ramasse教授總結：「我們的研究直接表明，固體中的異原子會改變材料原子尺度的振動特性。雖然幾十年前人們就預測了這樣的結果，但一直都沒有辦法通過實驗證實這種振動的變化。我們的研究是首次記錄了缺陷在原子精度的的特徵信號。」
[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！地球的大型生態系統在崩潰
如果科學家告訴你亞馬遜森林可能在49年內消失，你願意相信嗎？
在人們的印象中，雨林、珊瑚礁這類大型生態系統似乎遠比一片池塘來得頑強，崩潰的速度也更緩慢。然而《自然通訊》的一項研究[1, 2]表明，地球大型生態系統的崩潰速度很可能比之前預測的要快得多。
正如湖泊會長滿水華、雨林會成為荒漠、珊瑚礁會逐漸白化，在受到外界壓力時，生態系統的類型會迅速發生轉化。來自英國南安普頓大學等機構的學者研究了包括陸地、水體等大小40處生態環境演變的數據，發現儘管大型生態系統由於規模更大而崩潰的時間更長，但轉化的速度卻遠遠快於小型生態系統、與其規模並不成比例。這一現象是因為大型生態系統往往由多個物種和棲息地的「子系統」組成。這種組成模式最初可以為生態系統提供應對外界壓力的彈性；然而一旦壓力超過某一閾值，這種模式反而會加快生態系統崩潰解體的速度，稱為「解體效應」。近期澳洲山火的迅速蔓延可能也是這一效應的佐證。
「最初，沒有人在意這場災難。這不過是一場山火，一次旱災，一個物種的滅絕，一座城市的消失。直到這場災難和每個人息息相關。」或許我們是時候停止破壞、為地球生態系統的快速變化做好準備了。
[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 究竟誰用的抗生素更多？
抗生素是一類能夠殺死細菌或阻止其生長的化學物質，為細菌引發的嚴重感染提供了非常有效的治療手段，在二戰期間曾挽救了無數的生命。但近10年來，人們已經習慣用抗生素來解決各類問題，這使得抗生素在全球範圍內的用量不斷激增，抗生素濫用問題也越來越嚴重。這不僅導致了抗生素耐藥性的問題，長此以往還將使未來人類在面對細菌感染時陷入無藥可用的境地。
絕大多數抗生素都需要在醫院出具處方才能獲得，因此研究人員根據醫院記錄，發現不同地區、不同人群的抗生素消費量存在著巨大差異。究竟是哪些因素造成了抗生素使用的差異呢？德國波恩大學「健康與城市轉型」研究項目的研究人員通過評估全球醫療機構抗生素使用的73項調查研究得到了答案，該研究報告[1, 2]將發表在《國際衛生與環境健康雜誌》今年5月刊上。
研究人員將抗生素使用決定因素的約600個變量分為了46組，並通過分析發現，患者的年齡、教育程度、就業、收入和發病率等對抗生素的使用均有明顯的影響。例如，城市居民比農村居民服用更多的抗生素；兒童和老年人比中年人更有可能服用抗生素。另外，教育水平較高的人抗生素濫用情況往往也較少，但是在較貧窮的國家中這一結果卻相反，這可能是因為那裡的人群中一般受過良好教育的人才更有機會擁有完善的醫療保障，或者更有能力去看醫生及購買藥品。
已有研究表明民族文化似乎對抗生素使用習慣存在一定影響。例如，被認為更具競爭力的「男性化」社會的公民平均使用更多的抗生素。然而關於社會文化參數方面的相關研究還比較少，針對中低收入國家抗生素使用的研究也明顯不足，研究人員認為這些都是未來需要關注的問題。這項研究的結果將抗生素使用的決定因素與實際使用情況聯繫起來，為進一步研究和防止抗生素濫用指明了道路。
[1]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1438463919309605?via%3Dihub
[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-03/uob-acd031120.php
7 蒼穹之下的空氣汙染是人類健康最大威脅
蒼穹之下的空氣汙染是任何人都無法逃避的。在汙染的空氣中長時間暴露，會大大增加罹患心血管以及呼吸系統疾病的風險。最近，來自德國馬克思普朗克化學研究所和美因茨大學醫學中心的科學家們進行的一項新研究[1, 2]表明，全球範圍內的空氣汙染導致的減壽比吸菸等其他諸多因素都要嚴重，其導致的心血管疾病是人群早逝的主要原因。
2015年全球因空氣汙染導致880萬人早逝，相當於人均減壽2.9年；而因菸草導致的早逝人口是720萬，相當於人均減壽2.2年；因寄生蟲和傳染病導致的早逝人口是60萬，相當於人均減壽0.6年。空氣汙染導致的早逝人數是瘧疾的20倍、暴力犯罪的18倍、愛滋病的10倍。馬克思普朗克化學研究所主任Jos Lelieveld認為，空氣汙染對健康的影響已經構成全球大流行。
該研究表明，由空氣汙染導致的死亡在東亞（35%）和南亞（32%）最高，非洲其次（11%），歐洲（9%）和南北美洲（各6%）隨後，相關最低死亡率出現在空氣品質標準全球最嚴的澳大利亞（1.5%）。空氣汙染中的細微顆粒物會導致心血管損傷，進一步導致心臟病、中風、心律失常和心臟衰竭等疾病。該項研究認為，空氣汙染導致的死亡中有三分之二（每年約550萬人）是可以避免的。導致空氣汙染的主要原因來自於化石燃料（煤炭、石油等），研究估計若完全杜絕化石燃料排放，那麼全球人口的平均壽命可以增加1年。
空氣汙染影響全球預期壽命分布圖：一個國家的顏色越深，預期壽命下降得越多|來源：Lelieveld et al., 2020
[1] https://www.mpg.de/14551937/air-pollution-health-risk
[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-03/m-api030520.php
8 實時三維觀測液晶態活性物質中的缺陷
「活性物質」（active matter）是什麼？典型的例子有鳥群、魚群這樣的宏觀物體，也有細菌、細胞這樣的微觀生物體，還有人工合成的顆粒等。在活性物質中，個體看似簡單、混亂，但集體行為卻規則、有智慧。
對於智能材料的開發、機器人的集群控制、理解癌症的侵襲等，活性物質的研究都有重要的理論和實際應用價值，也因此吸引了眾多學者的目光，成為當前軟物質物理的前沿方向。我們可以泛泛地將活性物質定義為：從外界獲得能量，並通過局部的相互作用自發形成組織結構的一類體系。向列型液晶分子（nematic liquid crystals）是常見的活性物質模型體系之一。由於彼此間的相互作用，這些杆狀分子傾向於沿統一的方向排列。雖然這樣的液晶分子總體上結構規則，但其中存在的缺陷會在局部形成湍流結構（turbulence）。當獲得能量後，這些液晶活性物質會發生流動，在此過程中線缺陷會生長、夾斷或者收縮，呈現出被稱為「活性湍流」的有趣動態。然而，這些液晶分子非常小，運動的又太快，之前對其三維運動的研究主要是依靠理論和模擬，高時空解析度的三維觀測一直是個難題。
螢光染色的微管束分子形成的活性湍流。|來源：[1]
近日《科學》雜誌報導[1-3]了一項重要的突破：在加州大學Merced分校和聖巴巴拉分校的科學家合作完成的一項工作中，研究人員首次採用顯微成像技術，在實驗中觀測到液晶態活性物質的拓撲缺陷在三維空間中的動態運動。
該體系由微管束和噬菌體病毒組成：微管束分子消耗ATP，在整個樣品中穿梭運動，使體系流動起來；而杆狀的噬菌體病毒在室溫下向列型排列，並在微管束的流動下發生形變，產生缺陷。實現三維觀測的核心技術是所謂的雷射片層顯微技術（light sheet microscopy），藉助這種技術可以快速地掃描整個材料，從而實時追蹤其中缺陷的動態行為。
研究結果表明，在三維的向列型液晶中主要存在線位錯和環位錯，甚至還有莫比烏斯環。而這些位錯可以成核、收縮、張開和融合。
法國的活性物質專家Denis Bartolo教授認為，這一工作為複雜活性材料的觀測提供了「令人嘆服的實驗平臺」，也對開發活性智能材料的應用大有裨益。
利用片層顯微技術所揭示的噬菌體病毒分子在三維空間形成的拓撲缺陷結構 | 來源：[1]
[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
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