人死如灯灭?开什么玩笑,这才刚刚开始呢

(编译/姜Zn)一具正在腐烂的人类尸体其实并不是“死气沉沉”;正相反,它其实生机勃勃。越来越多的科学家开始把腐烂中的尸体看作是一块奠基石,它滋养着一个庞大且复杂的生态系统。该系统在宿主死后不久产生,并在尸体分解的过程中逐渐兴盛、进化。

本文一切解释性尸体图片均由卫生纸君友情出演,请放心阅读。图片来源:© Lightning + Kinglyface and Jess Bonham

分解在死亡的几分钟后就会发生,这个过程叫做自溶(autolysis),或自我消化(self-digestion)。心脏停止跳动之后,很快细胞就会缺氧。化学反应的有毒副产物开始在细胞中积累,导致它们酸性上升。酶会开始消化细胞膜,并在细胞瓦解的时候渗出。这个过程往往在肝脏和大脑中最先发生,因为肝脏富含酶,而大脑含水量高。不过,最终所有的组织和器官都会像这样瓦解掉。受损的血细胞开始从破裂的血管中溢出,然后在重力的作用下沉积在毛细血管等细小的血管里,使皮肤颜色变暗。

尸体的体温也会逐渐下降到和外界相同的温度。此时,尸僵——“尸体的僵硬”——就拉开了序幕,从眼皮、下巴和颈部的肌肉开始,蔓延至躯干,最后是四肢。在活着的时候,在两种丝状蛋白(嵌在一起互相摩擦滑动的肌动蛋白和肌球蛋白)的作用下,肌肉细胞能够收缩和伸展。但是死后,细胞没有了能量来源,蛋白质纤维被锁在了原地。这导致了肌肉僵硬,关节锁死。

所以僵尸才这么僵硬。图片来源:Plants vs. Zombies Wiki

在这几个早期的阶段里,尸体生态系统中包含的大多是之前住在人体内和体表的细菌。我们的身体是大量细菌的家园;每一处表面、每一个角落,都是某种专一的微生物群体的栖息地。我们目前所知的最大的微生物群体居住在肠道内,那里定居着几百甚至几千种不同品种的几万亿个细菌。

肠道菌群是生物学领域最热门的科研题目之一;它被与人类健康和大量的症状与疾病联系在了一起,从自闭症和抑郁症到肠易激综合征和肥胖。然而我们还是对这些微型乘客知之甚少。而至于我们死去之后它们怎么样了,我们知道的就更少了。

2014年8月,阿拉巴马州立大学的法医科学家古尔纳兹·贾凡(Gulnaz Javan)和她的同事们发表了他们关于“死亡微生物群落”(thanatomicrobiome)的第一篇论文。

“我们很多的样本都来自刑事案件,”贾凡说,“有人会死于自杀、他杀、药物过量或交通事故,而我就从他们的尸体上提取组织样本。这里还涉及到一些道德问题,所以我们需要征得许可。”

当我们活着的时候,大部分的器官中都是没有微生物存在的。然而,我们死后不久,免疫系统就停止了工作,使得微生物可以在身体中自由传播。这个过程通常从肠道中的大小肠交界处开始。在无人监管的情况下,肠道内的细菌开始消化大小肠——然后是周围的组织——该过程由内而外, 而从破损的细胞中渗出的化学混合物则是它们的食粮。接着它们会入侵到消化系统的毛细血管以及淋巴结中,扩散至肝脏和脾脏,然后进入心脏和大脑。

贾凡和她的团队从11具尸体上取了肝、脾、脑、心和血液的样本,取样的时间是死后20至240小时。他们用了两种最先进的DNA测序技术,结合了生物信息学,分析和比对了每份样本中的细菌含量。

从同一具尸体上提取的不同器官的样本互相之间都很相似,但是从不同尸体上提取出的同一器官的样本则非常不同。这一发现很可能是由于不同尸体中原本菌群的构成不同,也可能是由于取样时距离死者死亡的时间不同。此前的一项关于小鼠尸体分解的研究表明,尽管死后菌群发生的改变极其惊人,但是这种改变是连贯有序、可计量的。研究人员在估计小鼠死后将近两个月之内的死亡时间时,得以把误差控制在三天之内。

古尔纳兹·贾凡的办公室工作照,蛮日常的。图片来源:Flickr|Mo

贾凡的研究表明,在分解中的人类尸体体内,可能也有“微生物时钟”的存在。 他们的研究表明,细菌会在人死亡约20小时后抵达肝脏,而想要传播到所有在该实验中被取了样的器官,则需要至少58个小时。也就是说,我们死后,我们体内的细菌可能会以某种条理和规则蔓延,而它们在内脏间蔓延的特定顺序可能可以为我们提供一种新的估计死亡时间的方法。

贾凡的团队接下来想要研究的是,用哪个器官估算死亡时间的效果最好。虽然我们还不清楚这个问题的答案,但我们知道的是,不同的细菌组成与尸体分解的不同阶段有关。

腐败

对于大多数人,看到正在腐败的尸体,最好的反应也是心神不宁,而最坏的可能是厌恶、恐惧,那种噩梦一般的感觉 。但是对于东南德克萨斯州应用法医科学研究所的伙计们来说,这就是日常。研究所于2009年成立,坐落于的一片国家森林中,占地约1平方千米。该森林所属于萨姆休斯顿州立大学(SHSU)。

2011年末,SHSU的科学家西伯尔·波切莱(Sibyl Bucheli)和亚伦·林恩(Aaron Lynne)以及他们的同事们将两具新鲜的尸体放在了这里,让它们在自然状态下腐败。

一旦自我消化开始、细菌从肠胃道逃脱,腐败的过程就启动了。这是分子层面的死亡——软组织进一步分解成气体、液体和盐。腐败其实早在尸体分解的初期就在进行了,但是它真正出手是在厌氧细菌登场之后。

与尸体的腐败联系在一起的,是体内的细菌种类从需氧型(需要氧气才能生长)到厌氧型(不需要氧气)的转变。接着,厌氧型细菌会消化尸体的组织,把其中的糖类发酵出气体副产品,比如甲烷、硫化氢和氨气。这些气体在尸体中蓄集,使得腹部或者尸体其它部分膨胀起来。

膨胀。图片来源:© Lightning + Kinglyface and Jess Bonham

这个过程会使得尸体进一步变色。受损的血细胞继续从逐步分解的血管中渗透出来,与此同时,厌氧细菌把血红蛋白分子(曾经负责往身体各处运送氧气)变成了硫血红蛋白。静止的血液中的这种分子会使皮肤呈现出带有大理石纹理的墨绿色,这种现象是尸体正在积极进行分解的特征。

尸体的膨胀通常标示着分解前期到后期的过渡,而近期的一项研究表明,尸体中菌群组成的显著改变也可以标示这个过渡。

波切莱和林恩在尸体膨胀期的最初和末尾阶段,对尸体不同部位的细菌进行了取样。然后他们提取了样本细菌的DNA并进行了测序。

作为一名昆虫学家,波切莱的兴趣点是定居在尸体内的昆虫。她把尸体看作是某些尸食性昆虫的专门的栖息地,有些昆虫的整个生命周期都投身于尸体的内部、表面以及四周。

定殖

当一具尸体开始自我清洗时,它就完全暴露在周围环境中了。在这一阶段,尸体生态系统开始了真正的自力更生:它成了微生物、昆虫和食腐动物的社区活动中心。

与尸体分解的联系非常紧密的两种昆虫是丽蝇和肉蝇(以及它们的幼虫,也就是蛆)。尸体会散发出一种难闻的、令人作呕的甜味,这种气味由各种挥发性化学物质混合而成,成分复杂且会随着尸体的分解而变化。丽蝇用触角上的专业探测器来探测这种味道,然后降落在尸体上,在孔洞和伤口中产卵。

我们常说的“绿豆苍蝇”就是丽蝇的一种(上图)。肉蝇又叫麻蝇(下图)。图片来源:上:Rottler Pest & Lawn Solutions;下:DukeSilas

每只苍蝇都能产下250只左右的卵,这些卵在24小时之内就能孵化。此时的阶段一的蛆很小,它们以腐肉为食,然后会蜕皮长大(阶段二),再吃上几个小时后再次蜕皮(阶段三)。接着吃上一段时间之后,这些变得更大且肥满的蛆会蠕动着离开尸体。之后它们会化蛹,变成成年的苍蝇,然后重复这一循环,直到食物耗尽。

在合适的条件下,正积极腐败着的尸体中会有大量处于阶段三的蛆。蛆群会产生大量的热,使得尸体内部的温度上升超过10摄氏度。就像在南极挤作一团的企鹅一样,蛆群中的个体们会不断地移动。不过,企鹅挤在一起是为了取暖,而蛆在蛆群中四处游走则是为了降温。

“这是把双刃剑,” 波切莱解释道,“如果你老呆在外边,你可能就会被鸟吃了,而如果你老是在里面,你可能就被烤熟了。所以它们总是在中间和外围来回游走。”

苍蝇的存在吸引了许多捕食者,如皮蠹、螨虫、蚂蚁、黄蜂和蜘蛛。它们会食用或寄生苍蝇的卵和幼虫。像秃鹫这样的食腐动物,以及其它的大型食肉动物,也可能会光顾这具尸体。

不过,如果没有食腐动物前来拜访,那么清理软组织的任务就落在了蛆的头上。就像卡尔·林奈(Carl Linnaeus,动植物双名命名法的创立者)在1767年所指出的那样,“三只苍蝇能和狮子一样快地吞掉一匹马的尸体。”第三阶段的蛆会大群大群地离开尸体,而且经常是顺着同一条路径。它们的行为是如此严格有序,以至于在尸体的分解结束之后你甚至能看出它们移动的轨迹,因为尸体周围的泥土上会伸展出一条条深深的沟渠。

造访尸体的每一个物种都有自己的一套肠道菌群,而不同种类的土壤也可能收容着截然不同的细菌群体——决定这些群体的组成的,可能是类似温度、湿度以及土壤种类和材质等的因素。

所有这些微生物都会和尸体生态系统发生交融。落在尸体上的苍蝇不但会把它们的卵留下,还会带走一些尸体上的细菌,留下一些自己身上的细菌。而从尸体中淌出来的液化了的组织也使尸体和它身下的土壤得以交换细菌。

爆裂。图片来源:© Lightning + Kinglyface and Jess Bonham

在波切莱和林恩从尸体上取到的样本中, 细菌的来源千差万别:尸体表面的皮肤、来访的苍蝇和食腐动物,以及土壤。“当尸体开始自我清洗时,肠道内的细菌开始往外走了,我们发现在尸体外面这类细菌更多,”林恩说道。

所以,每具尸体可能都有它独特的微生物印记,而这种印记可能还会根据死亡现场的确切环境,随着时间而改变。在尸体分解的过程中,如果我们对于这些细菌群体的组成、它们之间的联系,以及它们的相互影响能有更深的了解,那么也许有一天,这将能帮助法医们更好地了解一个人是在什么地方、什么时候、怎么死的。

举个例子,如果我们在某具尸体上发现 了某种DNA序列,而这种序列只属于某种特定的有机体或者土壤类型,那么犯罪现场调查人员可能就能把谋杀案受害人的尸体和某个特定的地理位置联系在一起,甚至也许能把搜索的范围缩小到某片场地中的某个特定的区域。

为了实现这个目标,科研人员们正在紧锣密鼓地归纳人体表面和内部的细菌种类,以及研究不同的人身上的细菌种群有什么不同。“我很想得到一组从生到死的数据,” 波切莱说,“我很想遇见一个这样的捐献者,愿意让我在他还活着的时候、走向死亡的过程中,以及尸体分解的过程中,给他身上的细菌取样。”

清洗

“我们现在看到的,是从正在分解的尸体中流出来的清洗液,”丹尼尔·维斯考特(Daniel Wescott)说。他是位于圣马科斯的德克萨斯州立大学法医人类学中心的负责人。

维斯考特是一名人类学家,专长是头骨结构。和他合作的还有昆虫学家和微生物学家,以及电脑工程师和一位飞行员。后两者负责操作一架无人机,从空中给这个中心的尸体农场拍照。

“我读过一篇文章,讲的是农民操作无人机飞过玉米田,寻找哪片土地最适合种玉米,”维斯考特说。“他们用的是近红外光,而有机物丰富的肥沃土地的颜色会更深一些。我就想,如果他们能做到这种事,那也许我们也能用无人机找到那些小圆圈。”

“小圆圈”指的是“尸体分解岛”。一具正在分解的尸体会显著地改变它身下土壤的化学成分,这种影响可能会持续好几年。尸体的清洗——也就是被分解的物质从尸体剩余的部分里渗出来的过程——会往底下的泥土中释放营养物质,而蛆的移动也会把尸体中的很多能量带到更广的环境里。最终,这整个过程会创造出一个“尸体分解岛”,也就是一片土壤中浓缩了大量有机营养物的区域。这片区域不仅会向更广的生态系统中释放营养,而且还能吸引来其它的有机物,比如说昆虫的尸体和大一点的动物的排泄物。

解体。图片来源:© Lightning + Kinglyface and Jess Bonham

据估计,正常的人体中大概有50%到75%都是水,而每千克脱了水的人体物质,最终能往土壤中释放32克氮、10克磷、4克钾和1克镁。在最开始的时候,尸体会杀灭一些它身下和周围的植被,原因可能是氮的毒性或者尸体中含有的抗生素。抗生素是那些在吃尸体的肉的昆虫幼虫分泌的。不过归根结底,尸体的分解对周围的生态系统是有益的。

尸体分解岛中的微生物生物量比周围区域中的高。土壤中的线虫(被与尸体腐败联系在一起,被渗透出的营养所吸引)会更多,植物也会更多样化。如果我们能对分解中的尸体对周围环境的影响这一问题进行更深入的研究,那么也许我们能找到一种全新的方法,帮助寻找那些被埋得不深的谋杀案受害者的尸体。

墓地土壤分析可能也能够提供一种估算死亡时间的方法。2008年,一项关于尸体分解岛中的生物化学变化的研究显示,土壤中从尸体中渗透出来的磷脂含量在死亡后40天左右达到顶峰,而氮和可萃取的磷的含量达到顶峰的时间分别是72和100天。随着我们对这类进程的了解逐步加深,也许有一天,墓地土壤生物化学分析能够帮助法医学研究者们估算出一具尸体被埋藏了多久。

入殓

在德克萨斯州夏季连绵不绝的干热气候里,被弃之不顾的尸体会木乃伊化,而不是彻底分解。皮肤会迅速地失去所有水分,所以在整个过程结束时,它们还是会紧紧包在骨头上。

气温每上升10摄氏度,尸体分解过程中涉及到的化学反应速度就会加快一倍,所以在平均气温25摄氏度的天气里,尸体在16天之后就会进入分解的晚期。在那个时候,尸体上大部分的肉都被除去了,而蛆们离开遗骸的大规模迁徙也就可以开始了。

古埃及人不经意间了解到了环境对尸体分解的影响。在前王朝时代,也就是在他们开始建造精致的棺椁和陵墓之前,他们将死者包进亚麻布,然后直接埋在沙子里。高温抑制了微生物的活动,而埋葬阻止了昆虫接触到尸体,因此那些尸体都被极好地保存了下来。后来,他们开始为死者精心修建陵墓了,为的是死者在来世能过得更好,但是这恰巧事与愿违——将尸体与沙子分离开来其实加速了尸体的分解。所以他们发明了尸体防腐和木乃伊制作技术。

尸体防腐的步骤之一是用化学制品处理尸体,放缓分解的速度。古埃及人会先用棕榈酒和尼罗河水清洗死者的身体,从身体左侧的切口处取出大部分的内脏,然后把尸体用泡碱(一种存在于尼罗河流域的天然混合盐)包裹起来。然后他们会用一根长钩把死者的大脑从鼻孔处钩出来,再把尸体全身覆盖上泡碱,然后让它自然风干40天。在早期,人们会把死者干燥后的内脏装在卡诺匹斯罐里,放在尸体旁边下葬;后来,人们把内脏用亚麻布包起来,放回死者体内。最后,尸体会被层层裹上亚麻布,准备下葬。殡葬从业者至今仍在学习古埃及人的尸体防腐方法。

装内脏的卡诺匹斯罐。图片来源:cowofgold – Wikispaces

经过防腐处理的尸体也终将会腐败。至于腐败在什么时候发生、要持续多久,都极大程度上取决于防腐处理的程序、棺材的种类以及下葬的方式。归根结底,尸体只是能量的一种形式而已,能量被禁锢在一块块的物质中,等待着被释放回广袤宇宙中的那一天。

根据热力学的能量守恒定律,能量是不能被创造或销毁的,只能从一种形式转化为另一种形式。换句话说:物质分崩离析,同时将它们的质量转化为能量。尸体的腐败是一句终极的、病态的提醒:宇宙中的一切物质都必须遵守这些基本法则。我们的身体分解,与周遭的环境达到平衡,然后为其它的生物所用,循环往复。

尘归尘,土归土。(编辑:姜Zn)

新生。图片来源:© Lightning + Kinglyface and Jess Bonham

题图来源:Nur Publishers

编译来源

Mosaic Science, This is What Happens After You Die

高能预警!科学家发现迄今最强宇宙伽玛射线

|· 本文来自“我是科学家”·|

审稿:张颖 中科院高能物理研究所助理研究员

在中国西藏,海拔4300米的羊八井镇,坐落着一个国际宇宙线观测站。从地面看,这个观测站就好像一队队排列整齐的“高原哨兵”。它们在这里日夜站岗,长达数十年,默默守候着造访地球的宇宙线。

中国西藏的羊八井ASγ实验阵列。图片来源:高能物理研究所

就在近期,这个“高原阵队”取得了一项世界纪录级的成果——它捕获了迄今为止人类已知最高能量的宇宙伽玛射线辐射,能量高达450 TeV(4.5×1014电子伏特),是此前观测到的最高能量(75TeV)的五倍以上。

这一成果,是由中科院高能物理研究所和日本东京大学宇宙线研究所共同合作,历经三十年的不懈坚持和探索,最终克服难关取得的新突破。

研究一经公布立即引起了国际媒体的广泛关注,相关论文目前已经被物理学顶级期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)推选为高亮点论文,将在7月下旬正式发表。

“高能预警”来自何方?

这次的高能射线是从哪里来的呢?科学家们通过分析确认这些宇宙伽玛射线辐射来自大名鼎鼎的蟹状星云。蟹状星云距离地球6500光年左右,是位于金牛座的超新星遗迹。

成名已久的“蟹状星云”,宛如盛开在宇宙中的璀璨烟花。图片来源:NASA

判断宇宙线的来源,需要依赖不带电的光子。原理很简单:带电粒子会在银河系的磁场中发生偏转,很可能绕了几道弯才来到地球,就无法判断它们出发的地点。而类似中微子、伽玛射线等光子是不带电的,它们不会受到磁场的影响,基本沿着直线前进,因此能够指引人们找到它们真实的源头。

这次的测得的伽玛辐射所指的方向,正是蟹状星云的所在位置。

西藏ASγ实验观测到的最高能量伽玛射线(450TeV)的空气簇射在探测器上产生的密度分布,箭头所指的前端表示空气簇射的中心,箭头的方向表示到来的空气簇射(也就是伽玛辐射)的方向。图片来源:高能物理研究所

除了确认粒子来源,研究超高能伽玛射线还有更重要的意义。这些极端粒子是探索极端宇宙的重要探针之一,了解伽玛光子所能达到的最高能量以及这些超高能光子能量的分布,研究产生超高能伽玛射线光子的各种可能天体,有助于揭示宇宙中极端天体的性质,以及其中的极端天体物理过程和规律。

而对于蟹状星云来说,由于它在全电磁波段均具有较高的亮度,科学家已经从射电、光学、X射线直至伽玛射线的整个电磁波段对它进行了详细地观测和研究。但是,对于超高能光子的观测,就没有那么容易了。

能量越高观测越难

为什么能量越高的宇宙线粒子越难观测?原因在于宇宙线能谱是负幂律谱,宇宙线粒子的流强会随能量的增加而急剧下降。对低能段的宇宙线(能量低于100TeV),主要依靠卫星实验和高空气球实验进行直接探测。对高能段的宇宙线,流强小到每平方米每秒大约只有一个粒子,已经无法利用卫星和高空气球直接探测,因而要借助地面设备进行间接探测。

那么,如何进行间接探测?我们需要换一种思路。虽然人们没办法直接捕捉这些粒子,但是这些粒子在进入地球大气后,会与高空大气中的氧原子核和氮原子核发生相互作用,进而产生次级粒子,次级粒子中能量高的粒子继续发生反应产生更多的次级粒子,次级粒子再产生更多的粒子,这样的连锁反应就是“广延大气簇射”(Extensive Air Shower,EAS)。

原初宇宙线进入地球大气后,与大气中的原子核发生相互作用产生空气簇射的示意图。图片来源:高能物理研究所

原初宇宙线粒子通过广延大气簇射过程后,高能量的粒子转化为能量较低的粒子,虽然能量降低,但粒子总数显著增加。如此一来,人们通过分析原始宇宙射线与大气的作用,就可以来反推原始宇宙射线的性质。

间接探测方式主要有大气成像契伦科夫望远镜和广延大气簇射阵列探测器(EAS阵列)。此前,国际上探测到的最高能量的伽玛射线为75TeV,就是德国的HEGRA切伦科夫望远镜实验组观测到的。而这一次,中日合作ASγ实验团队发现超高能伽玛射线事例,靠的是西藏羊八井的EAS阵列与地下水切伦科夫探测器的强强组合。

“高原阵列”为何如此敏锐?

西藏羊八井位于东经90.53°北纬30.11°,海拔4300米的羊八井镇。ASγ实验于1990年一期阵列建成并开始运行,后来经历了多次升级改造。

之所以在选择在这样一个高海拔的地点“排兵布阵”,是由于它处在宇宙线簇射纵向发展的平均极大处,能够对赤纬-10°至+70°的许多北天区著名的源(如蟹状星云)进行连续而有效的观测,适合开展许多有物理意义的宇宙线课题的研究。自运行以来,羊八井ASγ实验阵列已经在银河系宇宙线的探测研究方面做出了一系列重大发现。

中国西藏羊八井ASγ实验(左图:ASγ表面阵列;右图:地下水切伦科夫探测器)图片来源:高能物理研究所

2014年,合作组成员在现有65000平方米宇宙线表面探测阵列下,又新增加了有效面积4200平方米的地下缪子水切伦科夫探测器。利用这种地下缪子水切伦科夫探测器的数据,能够剔除99.92%的宇宙线背景噪声,在众多宇宙线中捕捉到稀有的超高能伽玛射线源。

地下缪子探测器,能准确测量宇宙线空气簇射次级粒子中所含缪子数目,甄别该事例是伽玛光子事例还是非伽玛光子事例。图片来源:高能物理研究所

通过这样的技术,可以让羊八井ASγ实验排除99.92%的非伽玛光子宇宙线事例,从而显著降低它们对高能伽玛光子探测的影响,实现了在 20TeV以上能区的国际最高的伽玛射线探测灵敏度。

合作组正是凭借地下水切伦科夫缪子探测器,使得西藏羊八井ASγ实验成为100TeV以上能区国际上最灵敏的伽玛射线天文台。在这次的研究中,它帮助科学家们在3年间陆续探测到了来自蟹状星云方向的24个高度可靠的100 TeV以上的伽玛射线事例。

这标志着超高能伽玛射线天文观测进入到100 TeV以上的观测能段,打开了探索极端宇宙问题的新窗口,后续的运行还有望发现更多的超高能伽玛射线源。

启示与未来

研究人员认为,这些100TeV以上的高能光子可能是更高能量的电子与周围宇宙微波背景辐射光子发生“逆康普顿散射”的结果,而超高能电子、正电子则在蟹状星云的脉冲星风云中产生。由此可以推断,“蟹状星云”是银河系内“天然的高能粒子加速器”,与目前世界上最大的人工电子加速器(加速电子最高能量0.2TeV)相比,“蟹状星云”的电子加速能力至少高了上万倍。

西藏ASγ实验观测到蟹状星云方向100TeV以上的伽玛射线,×标记的地方是蟹状星云脉冲星所在的位置。图片来源:高能物理研究所

作为西藏羊八井ASγ实验的后续项目,中国正在四川稻城建设大面积高海拔宇宙线观测站LHAASO,其部分设备已经建成并投入观测运行。和ASγ实验相比,LHAASO的能量范围和灵敏度要高一个数量级以上,将把宇宙线物理和超高能伽马射线天文研究推进到一个新的高度。

此外,在空间探测方面,高能所物理所正在牵头申请“探索极端宇宙”EXU国际合作大科学计划,其综合性能比现有的同类空间探测设备将有大幅度的提升,宇宙线物理和高能伽马射线天文也是该计划的主要科学目标。

EXU和LHAASO以及国内外的其他空间和高山天文台相结合,将对宇宙极端天体和过程开展全面立体的观测研究,未来也将取得更加令人瞩目的成果,为人们揭开更多的宇宙未解之谜。

作者名片

女孩深夜遭殴打,除了惩罚恶徒,我们还能做些什么?

|· 本文来自“我是科学家”·|

近日,大连一起“女孩深夜遭暴力伤害”事件备受舆论关注,被害者在夜间回家途中遭一男子殴打致伤。目前,警方已于6月25日晚22时许将犯罪嫌疑人王某抓获,王某对其犯罪事实供认不讳,他将受到应有的惩治。

图片来源:@大连公安

暴力事件似乎每时每刻都在人类社会的某个角落发生:暴力伤害、暴力抢劫、家庭暴力、校园暴力等等事件时不时出现在公众视野当中。世界各国对暴力犯罪往往予以社会谴责和法律制裁,可是新的暴力事件依然不断发生,甚至有些施暴者在受到惩戒后再度犯案。

以暴制暴,未必奏效

暴力犯罪一直是人类社会的巨大问题,很多国家的刑法对此类犯罪的打击力度一直很大,严惩暴力犯罪震慑潜在暴力行为是共识。

国家存在的目的之一是严惩非法暴力行为,这个理念是所有刑事司法体系的根基。简而言之,犯下谋杀,袭击他人,以及其他任何违反社会契约的暴力罪行的人,都应该一个不落地被惩罚,既为了恢复社会秩序,也为了给受害者一个公正的结果。一旦暴力犯罪数量增加,司法系统往往倾向于用更暴力的方式制裁犯罪。

任何违反社会契约的暴力罪行的人都该被制裁。图片来源:Pixabay

但是,这种“以暴制暴”的做法收效如何呢?

就在近期,美国科学家在《自然-人类行为》(Nature Human Behaviour)发表了一篇“监禁对社区暴力影响的自然实验研究”。研究者们收集了密歇根州2003年到2006年因暴力入狱的刑事重犯的数据信息,并一直跟踪调查到2015年6月。

分析发现,通过监禁严惩暴力犯罪并不能长期有效地干预犯罪行为。事实上,上世纪70年代以来,监禁的罪犯数量井喷式上升,带来高昂的社会成本和财务成本,然而犯罪率并没有下降。服刑可以阻止罪犯在监禁期间犯罪,但是似乎不会影响他们出狱后的犯罪。

服刑可以阻止罪犯在监禁期间犯罪,但是似乎不会影响他们出狱后的犯罪。图片来源:Pixabay

一直以来,我们都仅仅在刑事司法系统内寻找问题的解决办法,效果并不理想,可是如果我们根本从一开始就找错了方向呢?

一些科学家给了我们另一种思考的角度——将暴力看成疾病:它能像流行病一样传播,同时也可以被有效预防。

换种思路看问题

假如我们将暴力行为看成一种可以预防的疾病,而不是一种需要强制惩罚的行为,结果会不会不同呢?

一些人会将自己置于各种可能导致严重健康问题的行为(如:吸烟、暴食、不安全性行为等)中。面对具有这些类型风险的人群,长期以来,医生的共识都是鼓励人们通过改变不良行为(如:戒烟,控制饮食,使用避孕套)来改善健康状况,而不是等到这些潜在问题发展成肺气肿,糖尿病,或者艾滋病再去治疗。对卫生系统来说,早期干预是更为经济的选择;更重要的是,对病人来说,早期干预会有更好的疗效。

健康问题通常“防大于治”。图片来源:Pixabay

然而在涉及暴力问题的时候,公众舆论对此的反应却往往大相径庭:一些人认为只有严惩暴力行为才能体现司法公正,而另一些人则更关注暴力发生之后的复健工作。前者更倾向于将暴力行为看成某种与生俱来的行为,并认为复健工作在某种程度上是一种奢侈品。而后者则极力支持复健工作,因为他们认为这种做法才能挖掘出人类本性中更柔和坚韧的部分。

但是这种争论的本质问题主要集中在暴力行为发生之后该做出什么反应,并没有涉及暴力行为的预防问题(暴力威胁行为除外)。实际上,改变整个争论的思维框架反而更加有效——比起等着处理刺伤或射击等暴力行为引发的身心创伤,决策者更应当致力于如何预防这些行为的发生。这样的思维方式与上文提到的复健工作或严惩罪犯的思路几乎无关,而是与和医生治疗疾病的思路息息相关。

决策者更应当致力于如何预防这些行为的发生。图片来源:Pixabay

这一理念最终得到重视,是在美国流行病学家加里·斯卢特金(Gary Slutkin)开展研究工作之后。上世纪九十年代末期,他在世界各地从事流行病防疫工作。多年后,他回到家乡芝加哥,发现枪支暴力的爆发和艾滋病或肺结核病爆发的方式一模一样——都是通过人与人的接触传播。于是,斯卢特金在芝加哥暴力犯罪最为严重的地区启动了一个试点项目,名字就是“治愈暴力”。彼时当地的谋杀犯罪率降低了将近60%。

“治愈暴力”效果惊人

该模式的作用原理是针对暴力行为进行“阻断传播”——雇佣街头闲散人员调停帮派间的冲突,防止矛盾升级。这个项目现在已经在巴尔的摩和纽约等几个美国城市开始运行;而相应的模式也已经在全世界范围内普及起来,从南非到伊拉克再到洪都拉斯都可以见到类似的模式。

在每一个使用了“治愈暴力”模式的地区,暴力犯罪的比例都降低了40%~70%。然而再回看芝加哥的情况,这个项目仍然在资金缺乏的情况下苦苦挣扎,这也是该项目多年来一直难以取得令人满意结果的原因。

把暴力行为归为公共卫生问题,而不是刑事司法问题,已经成为了很多全球性和国家级的卫生组织的共识。世卫组织针对相关项目的报告指出:“暴力行为一直存在于人类社会中,尽管面对着这样的现实,全世界也没有必要把它作为人类社会中不可避免的存在。正如公共卫生组织在世界许多地区努力,最终有效预防并减少怀孕并发症,工伤、传染病以及食品或水质污染导致的疾病那样,暴力行为也可以被预防,它的危害程度也可以被尽量降低。”

把暴力行为归为公共卫生问题,而不是刑事司法问题,已经成为了很多全球性和国家级的卫生组织的共识。图片来源:Pixabay

针对暴力问题,世界各地的公共卫生组织采取的措施各不相同,但是其本质是共通的。世卫组织将其分为四个步骤:第一,尽可能全方位多角度地了解与暴力行为相关的基础知识;第二,调查暴力行为发生的原因,着重发掘行为背后的导火索,行为之间的关联以及思考任何有可能的危险因素;第三,探索利用这些信息预防暴力行为发生的方法;最后一步是落实这些策略。

为了达到预期效果,不同政体和慈善团体之间都需要大量有效的合作。在公共卫生体系的作用之下,苏格兰的格拉斯哥市,已经在过去的12年间将谋杀率降低了50%以上。暴力行为的受害者无需排队等候,就可以立即进入急诊室接受酒精消毒或心理疏导等相关治疗。几乎无一例外的是,当某个城市或某个特定街区建立了有足够资金支持的公共卫生体系时,该地区的暴力犯罪率就会开始断崖式下跌。

“防暴未然”,阻力重重

然而,世界上许多国家普遍存在的正统观念是行政者必须要“严厉打击犯罪行为”,这使得人们在针对暴力行为的问题上难以达成共识,所以预防暴力犯罪的措施很难有效推广。在这种体系之下,公众也同样难以抛弃原有惩罚方式。

世界上许多国家普遍存在的正统观念是行政者必须要“严厉打击犯罪行为”。图片来源:Pixabay

一些学者认为,国家针对暴力行为建立专门的公共卫生体系,并将其归入司法系统管理会更为有效。格拉斯哥就是一个很好的例子,他们施行了胡萝卜加大棒式的“减少暴力行为计划”——有潜在暴力倾向的人,如果愿意加入项目并接受项目的帮助,将会得到宽容对待;而与此同时,持刀犯罪的人会得到更严厉的惩罚。随着时间的推移,该项目逐渐被广泛接受,实施过程中预防工作也比传统的警务工作得到了更多的重视。

尽管这些项目认识到了引发暴力行为的深层社会问题,然而它们仍然不能解决分布于整个社会体系层面上的不公正问题,尤其是在并非所有暴力行为都发生在公众视线之下。比如,在美国被监禁的非裔美国人数量异常多,这种状况并非偶然,其实质原因很可能是体系中的种族歧视意识。

并非所有暴力行为都发生在公众视线之下。图片来源:Pixabay

世卫组织用尽全力在进行暴力行为预防工作的城市取得了令人叹为观止的成功,尽管如此,依旧阻力重重。

早在1651年,托马斯·霍布斯(Thomas Hobbes)就极有预见性地描述了人类“自然状态”下的生活——如果没有政府强制人们遵守秩序的话,人类生活将是“肮脏下流,野蛮残忍,以及转瞬即逝的”。

尽管人们为了推进“预防与治愈”暴力做出了诸多努力,遗憾的是,几百年后,这句话的余音仍然回荡在每个人的耳边,主导着整个人类社会。(译者:李珩;编辑:Yuki)

参考文献:

  1. David J. Harding et al. A natural experiment study of the effects of imprisonment on violence in the community. Nature Human Behavior. (2019)
  2. 文章编译自:Violence Spreads Like A Disease. It Can Be Stopped Like One, Too; 原文链接:https://howwegettonext.com/violence-spreads-like-a-disease-it-can-be-stopped-like-one-too-13e08d8211b3

全职工作刷网站,竟然是个营养学博士?

|· 本文来自“我是科学家”·|

说到人类营养学,你会想起什么?是饮食健康,还是减肥秘方?其实,营养学研究的可不止“吃”这一件事,基因、细胞、动物以及人群同样是营养学的研究范畴。
接下来要介绍的这位人类营养学博士,她的研究对象更特殊,既不是各种美食,也不是实验动物,而是微博、微信和脸书。她究竟在做怎样的研究?如何通过社交媒体让营养学更接地气?下面,就让我们就来围观下她与众不同的日常吧!
(**专栏中所涉及的内容为嘉宾自身的经历,仅供参考,不同院校/专业/研究方向的博士在研究和生活方面都会有不同的体验哟**)

营养系博士都包含什么?

说到营养,大家第一个反应都是如何靠饮食减肥。

说到营养系研究,大家第一个反应也很有可能是研究如何减肥。

然而,我们的研究远远不止减肥那么简单。

和很多医学系一样,我们营养系的研究涉及基因、细胞、动物、人群等分支。

有些研究方向和营养素有直接的关系,例如:

这个基因在某个营养素的代谢上起到了什么作用?

吃了这类食物是否会影响某种荷尔蒙分泌?

这样的蛋白质搭配是否可以让患有某类疾病的人群更好的恢复?

有些研究方向是和一些食品法规有关,例如:

我们是否应该禁止碳酸饮料出现在小学校园的自动售卖机里?

食品包装上是否一定要标出添加糖含量?

对于代餐食品是不是需要一个最基础的营养成分标准?

还有些研究方向是和饮食文化有关,例如:

在最近十几年,某某国家的饮食变化;

女性杂志中食品广告营销方法的转变;

某某地区在饮食上的消费和地理位置的影响。

总之,减肥的确归营养系管,但是营养系可以研究的内容远远不止这些,只要你对美食和科研有一定的热爱,脑洞够大,营养系都欢迎你。

一位靠刷网站当全职工作的博士生

好了,给我们营养系打完广告了,我们进入主题来说说我的科研项目吧。

我的科研项目

如果给我的课题打上三个关键词的话,那就是

线上平台、I型糖尿病、低血糖。

这个课题结合了临床医学、营养学、社会学、心理学、以及最重要的公共健康学。

图片来源:作者

现在互联网和医疗科技变得如此发达,大家看手机刷网络的时间越来越多,但患者和医生交流的时间却非常的短暂。对于I型糖尿病患者来说,控制血糖是一个长期的工作。血糖控制不好就会降低,这样长期对神经系统和生活质量都会有一定的影响。有很多医疗仪器可以让大家更好的控制血糖,可是由于操作复杂,一般患者都不知道咋用。有些线下的课程可以帮助大家更好的控制血糖,但毕竟费事费力,还不是那么的方便。

所以可爱的我(们)就出现啦!了解现在线上医疗科普平台的现状、通过科学依据设计一个针对I型糖尿病患者的科普平台。这样大家随时随地就可以了解到靠谱的健康知识来改善血糖了!

我的日常

线上科普平台肯定不能凭空造出来,为了增加用户(患者)的使用率、体验感,我要做的第一步,就是去了解互联网科普平台的现状和这类人群的所需。

所以刷文献早已变成我的主要工作——看一看在过去有没有其他科学家做过线上平台,ta们是如何做的,效果如何;并且分析一下现在互联网学习平台以及大家都在使用的app的各种功能。虽然我的课题是网页平台,但是网页和app还有一些相同之处的嘛。

图片来源:作者

如果你能看到这篇文章,相信你对微信绝对不陌生。在当微信每次都推出一个新功能的时候,你通常会看到一个大大的红色的提示;另外还会有一个“加星”功能,让你最爱的公众号置顶,以方便查看。 这些小小的功能看起来貌似很不起眼,可是我就要去研究它们是否真的实用、是否能帮助用户增加体验感。毕竟一个平台功能太少不行,太多也会乱。

其次我还需要了解I型糖尿病的人群所需。这些可以主要通过文献阅读和患者沟通了解。看一看过去的文献提到了什么,问一问患者ta们的个人真实体会。当然,由于我是做线上平台的,我还需要去刷一刷各种社交平台有关糖尿病的话题。大家最近都在聊什么、有什么热点、都在参加什么活动、努力进入群众内部!

除了了解I型糖尿病患者在自我疾病管理会遇到的潜在障碍以外,我还需要及时更新我的临床知识。关于血糖管理的仪器和用药发展简直是太快,把这些内容弄清楚也需要一定的时间和精力。

当准备工作做好后就可以把科普学习的网站建立起来啦!这将由科研团队的IT负责人来完成,我只需要每一个功能都符合我的要求就好。

接着就需要去招志愿者来试用网站,通过问卷来了解:

大家对网站的体验感;

大家是否合理地使用这个平台;

科普的内容是不是的确够“科普”;

线上平台能不能真的可以帮助ta们来改变血糖控制;

讨论如何改善这个平台以供未来怎样更好的开放给所有I型糖尿病患者。

总之,知道临床知识是一部分,但是要如何把这些知识简单的推广出去就是另一回事了。而我的课题,就是希望把复杂枯燥的医疗内容简单化,让大家随时随地的都用的上,增加医疗资源的使用率。

为什么想起来读这样的营养博士?

我的科研方向在营养系其实还算是比较新颖的。因为不仅包括了临床知识、健康宣传(公共营养)、还加上了数字健康 (digital health)的这一部分。

选择这个领域和我个人的工作经验有很大的关系。我学士毕业当了加拿大注册营养师后,迫不及待地想把我学到的知识分享给大家,所以开了一个微博,一边读硕士一边写科普。我发现其实很多人对营养知识非常感兴趣,也很希望改变自己的健康状况,但是完全不知道从何处下手。

网上的科学信息的确很多,但是真正实用并且靠谱的少之极少。所以我的微博就叫做“特接地气的营养师Oria”,希望能把真正接地气的营养学带给大家。

图片来源:作者

我硕士做的就是临床研究,方向是早产儿成年后的骨骼健康。在读硕士的过程中,我再次意识到健康状况不仅仅是饮食和运动那么简单,还涉及到了生活环境、周围的医疗资源、心理健康等因素。

因此,我就希望自己的博士课题可以结合互联网和健康传播这两个主题,来更好的帮助慢性疾病患者。我当时带着我的想法去找了我现在的博士导师,和她说了我的选题以及期待的未来发展方向,由此一拍即合地展开了我的博士生生涯。

申请建议和遇到的困难

关于博士申请,除了确认申请资格以外,我认为一定要确定你能和你的导师合得来。这所说的合得来包括课题方向和工作方式。博士一般至少三年,如果你和导师合不来,那真的会很难过。

在申请的过程中需要深入地研究导师在过去的研究方向和ta现有的课题。不要觉得发邮件麻烦,在申请之前就和导师进一步的沟通能增加你对导师的了解也可以顺便给自己加个印象分。就算最后不成,也锻炼了沟通能力。

在合适的情况下,也要和导师沟通好经费、毕业时间、所需工作量、假期等“小事情”。知道你导师对你的预期,也让导师知道你对ta的预期。把丑话说在前面,以后的日子才能好过。

我觉得博士本身就是很锻炼意念的一个过程。我个人希望以后可以当科研项目负责人(principal investigator, PI)以及大学老师,所以读博对我来说是必经之路。

这个过程让我在科研的路上更独立和接触更多的人。对于我个人来说,虽然有时不在电脑前工作,但也无时无刻的想着如何去计划这个课题,优化这个平台,博士的工作已经融入了我的生活。我觉得如果你还不确定你的未来方向或者喜欢的领域,千万必要为了读博而读博,不然生活会很枯燥,很被动。

除了科研我还干啥?

一开始选择营养系的时候就抱着一颗我要当专业吃货的心去的。因此,有时间我就会不停旅游来研究全世界的饮食文化,顺便体验生活。

图片来源:作者

我觉得无论是我做的自媒体科普内容,还是博士课题的线上平台,这些都和生活有密切的关系。因为只有了解到大家都在做什么、需要什么、喜欢看什么,才能把这些平台做的更实用。从日常生活中了解大家所需以及潜在问题,才能去研究项目中用科学依据来找到答案。取之于生活,再用之于生活,所以自己更要去懂得如何好好生活。

以上就是我的科研生活了,希望大家通过这篇文章可以更多地了解营养学,感受到这门学科丰富多彩与时俱进的风采!(编辑:Yuki)

嗡嗡嗡的不只有蚊子,还可能是机器人!

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夏天到了,蚊虫们的嗡嗡声又不时回响在大家的耳边,一不留神身上就会多几个大包,许多人甚至听到它们的声音都会浑身发痒。然而,在大洋彼岸的一个实验室中,一群研究者却在努力制造嗡嗡声,他们在设计一种微型机器人——以昆虫为灵感的扑翼式飞行器。

这种机器人属于仿生机器人。仿生机器人是一个非常前沿、热门的研究领域。自然界中一切能够运动的生命体,比如飞鸟、游鱼甚至昆虫、真菌,都能为研究者们提供灵感。而模仿昆虫的扑翼式飞行器具有体积小、飞行灵活、低速安静等特点,可以轻易完成狭窄空间、复杂地形的穿越与导航,在遥感测绘、灾难救援等多种场合都有着广泛的应用前景,因此也受到极高的关注。

哈佛大学的WYSS研究院是一间专注于生物交叉技术的研究机构,其中的微型机器人实验室专注于仿生机器人的开发。早年间,他们研发了名为RoboBees的微型扑翼式飞行器[1],其翼展仅为3cm,重量80mg,能够像昆虫一样灵活地飞舞。

灵活的RoboBees | 图片来源:参考文献[1]

为了制造适合微型扑翼飞行器的驱动结构,研究者们提出了一种创新的结构与加工方法,“智能复合材料微结构(Smart Composite Microstructures,SCM)”。通过在SCM中加入压电材料,电能可以直接作用于扑翼结构使其产生运动,这样制作的飞行器尺寸要比传统电机驱动的飞行器更加紧凑,推力效率也更高。

从图中可以清楚地看到,早期的RoboBees用的是一种有缆飞行技术,通过外接的电缆给飞行器供能。这种技术的缺陷也很明显:飞行器移动的空间被电缆限制,无法发挥出最大的功能优势。

对于微型飞行器来说,电池技术是个难关——如果想要RoboBees进行无缆飞行,使用的锂离子电池可能会比飞行器本身重好几倍;如果使用太阳能板供能,则需要5-7倍的太阳光光强才能让飞行器持续正常飞行。总之,突破自供能的无缆飞行始终是一个巨大的挑战。

因此,微型飞行器目前最主要的研究方向就是供能方式的革新以及能量利用效率的提升。在去年的机器人与自动化国际会议(ICRA)上,华盛顿大学的研究员就发表了一项供能方式上的创新[2]:通过激光照射微型飞行器上的光电转换板,就可以高效地为其供电。当然,这种方式也存在很大的缺陷:激光光源必须实时追踪飞行器才能为其供电,而这在实际使用场景中基本是无法做到的。就目前而言,这项技术仅能用于飞行器的起飞,而无法用于持续飞行。

通过激光为飞行器供能 | 图片来源:参考文献[2]

本周,WYSS研究院研发的一个新的微型仿生机器人RoboBee X-Wing登上《自然》封面[3]。他们选择了更为艰难的道路:提升能量的利用效率。研究者称,RoboBee X-Wing是迄今为止最轻的、能够实现无缆飞行的昆虫级飞行器。

登上《自然》封面的RoboBee X-Wing | 图片来源:参考文献[3]

作为RoboBees的改进型,RoboBee X-Wing一个明显的变化,就是采用了四翼结构以增加升力。主体结构翼展3.5cm,自重90mg,与原版相比增加不多,但是峰值推力可以达到370mg。结合一些驱动电路、波形等等其他方面的优化,其推力效率已经基本和同体积的昆虫相当。

RoboBee X-Wing具有四翼结构 | 图片来源:参考文献[3]

通过搭载一枚60mg的太阳能板以及100mg的驱动电路板,总重259mg的RoboBee X-Wing可以在3倍太阳光强的实验条件下进行持续的飞行,并且还能提供少量载荷用于搭载其他设备。此外,他们的仿真结果显示,如果将飞行器的体积放大至现在的1.26倍,则其飞行需要的光强仅需1.5倍太阳光强。

RoboBee X-Wing主体结构;加装太阳能板与驱动电路 | 图片来源:参考文献[3]

不过研究者也承认,这项工作距离真正的实用化飞行器仍然有一段距离。RoboBee X-Wing看似距离室外飞行只差临门一脚,但是实际上还需要大量的优化甚至关键技术的革新,才能够攻克这最后的壁垒。

然而不积跬步,无以至千里;正是这一点一滴的技术进步,才让今天的人类能够享受到各种高科技带来的便利。随着电池技术、微电子技术的不断进步,能够受控飞行的微型机器人也许指日可待了。(编辑:Yuki)

参考文献:

  1. Ma K Y, Chirarattananon P, Fuller S B, et al. Controlled flight of a biologically inspired, insect-scale robot[J]. Science, 2013, 340(6132): 603-607.
  2. James J, Iyer V, Chukewad Y, et al. Liftoff of a 190 mg laser-powered aerial vehicle: The lightest wireless robot to fly[C]//2018 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). IEEE, 2018: 1-8.
  3. Noah T. Jafferis, E. Farrell Helbling, Michael Karpelson & Robert J. Wood. Untethered flight of an insect-sized flapping-wing microscale aerial vehicle[J]. Nature 570, 491–495 (2019)

作者名片

不用颜料,如何画出比芝麻还小的《蒙娜丽莎》?

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审稿:
秦德韬(京都大学细胞-物质统合科学研究所Sivaniah 研究室特定研究员);
蒋涵东(京都大学Sivaniah 研究室分子工学研究生)

想象一下,假如给你一张1毫米宽的画布,没有笔,也没有颜料,你能否在上面绘制出一幅清晰的画作呢?你或许会觉得这个任务太难,甚至完全不可能实现。

但最近,日本京都大学细胞-物质统合科学研究所(iCeMS) Easan Sivaniah教授带领的研究团队,就创造出这样的“奇迹”,他们绘制了迄今为止世界上最小的名画——“神奈川冲浪里”,宽度仅有1个毫米。

更令人不可思议的是,这张画没有使用任何颜料或墨水。

“神奈川冲浪里”(又名“巨浪”)是一幅彩色浮世绘版画作品,它是日本艺术界的泰坦葛饰北斋(1760-1849)的代表作,原画尺寸是25.7cm×37.0cm。图片来源:iCeMS

这项研究颠覆了传统打印理念,研究成果已于本月(2019年6月)发表在顶级期刊《自然》(Nature)杂志上[1],其中有两位研究成员(秦德韬与蒋涵东)来自中国。

不用颜料,能呈现色彩吗?

人类自古就有追求艺术的天性。早在三万八千年前,印度尼西亚人就用赭石在“Lubang Jeriji Saléh”洞穴的墙壁上绘制出公牛的图形,留下人类已知最早的具象绘画。从那时起,人类就在不断尝试各种绘画创作。自上古石器时代的“手绘”,到后来的水墨画、油画,再到今天的各种街头艺术,几乎都离不开对墨水颜料的依赖。就算是数字绘画,想要将它们打印出来,同样离不开墨盒。

目前已知最早的具象手绘:Lubang Jeriji Saléh洞壁上的公牛。图片来源:Nature|Luc-Henri Fage

然而,在大自然中,却存在着不用颜料就可以呈现缤纷的色彩的现象,比如蝴蝶的翅膀,昆虫的甲壳,以及那些有虹彩效应的鸟羽。地球上许多的生物的颜色,实际上并不是化学色素,而是通过其表面结构和光线之间的相互作用,产生令人目眩神迷的斑斓色彩。这种非颜料型的色彩现象被称为“结构色”。

金龟子的结构色及其微观结构。图片来源:Wikimedia Commons、参考文献[2]

那么问题来了,我们能不能利用结构色的原理来绘图呢?答案是肯定的。这次iCeMS团队创造的新型打印技术,就蕴含着结构色的原理。

如何“人造”结构色?

这样的结构色是如何“制造”出来的呢?

原来,在聚苯乙烯等高分子材料中存在着一种特殊现象——当这些高分子受到水平方向上的拉力时,会产生细长的纤维,即“原纤维”,原纤维的形成会产生强烈的视觉效果。打个比方,拿起一把透明塑料尺反复掰,尺子受力的部分就逐渐变成半透明的白色。

iCeMS的研究人员发现,通过控制微观下原纤维的形成过程,并按一定的规律来排列,排列后的原纤维就会反射不同光线产生鲜亮的色彩。

“无墨打印”原理示意。图片来源:参考文献[1]

打印过程需要先制备光敏聚合物薄膜,然后在薄膜中引入光学“驻波”,这种驻波的作用是给材料分层施加能量。于是薄膜上就有了获得能量的“交联层”和没有能量的“非交联层”交替排列,使交联层间产生应力。将薄膜放入相应溶剂,非交联层会生成细小纤维释放应力,形成能够干涉光线的层状结构。

以《蒙拉丽莎》为例,“打印纸”是硅片,“墨水”是聚苯乙烯。“打印”过程需要先将光敏高分子溶液涂在硅片上形成薄膜,然后把薄膜放在micro-led仪器中进行交联(micro-led是一种光学仪器,仪器上有成千上万个小的led灯,每个led灯可以独立开关)。

iCeMS的研究人员正在超净间中操作micro-led。图片来源:iCeMS

在交联前,研究人员会将蒙娜丽莎的图片在电脑中转成CAD的图片格式,由micro-led读取CAD格式,并控制各个小灯的亮和暗(比如,蒙娜丽莎的面部有颜色,那么位于蒙娜丽莎面部上方的那些小led灯是,从而这部分的薄膜被交联了;而她的头发是黑的,那么位于头发上方的的小led灯是关闭的,这部分的薄膜就没被交联)。

“蒙娜丽莎”图片转为CAD格式示意图。图片来源:参考文献[1]

将交联好的薄膜在溶剂中浸泡一段时间,交联部分的薄膜在溶剂中应力释放,形成层状结构,未交联部分没有层状结构,这样一来,图案就能显现了。

这一发现被命名为“组织性微纤维化”(Organized Microfibrillation, OM),它的色彩范围能够覆盖由蓝到红整个可见光光谱。从此,一种革命性的新型“调色板”产生了。有了OM无墨打印,印刷再也不必受限于墨水和颜料。

使用不同的分子量的聚苯乙烯和不同交联照射光波长,能得到各种各样的颜色。图片来源:参考文献[1]

无墨打印,不仅是省墨那么简单

与传统打印相比,这种无墨打印技术实现了很多新的突破。比如它打印出的图案分辨率可高达每英寸14000点数,也就是说每英寸(2.54毫米)的长度上放置14000个墨点。而目前喷墨打印机所能达到的理论极限是4800点数,但如果真的在普通的纸张上用这个规格来打印,纸张对墨水等吸收过饱和,墨水就会糊成一团。

运用OM无墨技术打印出亚毫米级别的高清艺术图案。你看到蒙娜丽莎的微笑了吗?图片来源:iCeMS

与此同时,这种打印技术的应用范围也很广。京都大学的研究人员已经证明,这项无墨打印技术适用于多种常用的聚合物(如聚苯乙烯和聚碳酸酯),能在各种饮料瓶、食品药品塑料包装;同时也适用于在透明的玻璃材质上进行打印。人们可以使用这项技术来制造类似水印的安全标签,以显示产品是否被打开过包装或遭到过破坏,抑或是用来制造塑质钞票上的防伪图案。

显微镜下OM打印呈现出的多层微孔结构。图片来源:参考文献[1]

另外,从显微镜观察可以发现,这项技术印制出的高分子是一种多层微孔结构。这种结构能够让液体或气体流入,并在其内部实现连通,同时这种网状结构又具有透气性和可穿戴性特色。人们或许可以依此制造出一种柔性的“流体线路板”,将其安置在人皮肤表面或者隐形眼镜内。皮肤或眼睛的分泌物流入线路板微孔后会造成多层结构物理性质的改变,对这些物理性质进行分析就可以收集到人体相关的生物医学信息,然后通过信号传输及时上传给云数据空间或医护人员。

论文的第一作者伊藤真阳表示,未来可以在多项基础科学领域延伸这一突破性研究。“我们已经展示可以在亚微米尺度上通过控制应力从而控制高分子的结构”“而我们知道,金属和陶瓷承受应力时也能产生裂纹。如果未来能用类似方法在这些材料也实现对裂纹形成的操控,将会同样令人激动振奋。”

参考文献:

  1. Structural color through organized microfibrillation in glassy polymer films. Masateru M. Ito, Andrew H. Gibbons, Detao Qin, Daisuke Yamamoto, Handong Jiang, Daisuke Yamaguchi, Koichiro Tanaka & Easan Sivaniah. Nature. 570, 363–367 (2019)
  2. Arwin, H., Berlind, T., Johs, B., & Järrendahl, K. (2013). Cuticle structure of the scarab beetle Cetonia aurata analyzed by regression analysis of Mueller-matrix ellipsometric data. Optics express, 21(19), 22645-22656.

为阻止镇痛药被滥用成毒品,药学家们简直操碎了心

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镇痛药可以说是人类历史上一项伟大的发明。

吗啡、芬太尼、羟考酮和哌替啶(杜冷丁)等阿片类药物,具有强大的镇痛效果,在临床上有着广泛而悠久的应用。而与此同时,这些药物的不正当使用会带来成瘾性和严重的副作用。

镇痛药的不正当使用会带来成瘾性和副作用。图片来源:Pixabay

因此,大多数阿片类药物只能作为处方药使用。但即使这样,这类药物仍有可能被滥用。以美国为例,从2004年至2011年间,由于这类处方药造成的急诊数量翻了一倍,滥用芬太尼等阿片类药物造成的死亡更是达到16200起之多[1]

另一方面,滥用处方止痛药又很可能导向危害更强的毒品使用,例如海洛因[2]。因此,从各个角度来说,阻止阿片类处方止痛药的滥用,都是禁毒工作的一项内容。

阿片类药物如何被滥用?

很多阿片类的药物会被制作成药片,正常使用时,患者按照说明书和医嘱服用就可以了,此时药物缓缓地释放出来,具有更持久的作用时间。但瘾君子们渴求强烈的效果,会追求在短时内迅速达到超高的药物浓度。

很多阿片类的药物会被制作成药片。图片来源:Pixabay

他们通常利用三种手段。一种是口服,但这里当然不是按照正常用法用量吃,而是远超推荐剂量的服用药品;第二种是吸入,就是影视剧里常见的把药片研碎,通过呼吸道粘膜吸收粉末或烟雾;第三种是注射,包括但不限于皮下注射、肌肉注射和静脉注射等等方式,这种时候吸食者会把药片研碎后溶解到水里,再用注射器打进身体[1]

这样的行为非常危险,掌握不好剂量可能会致命。

为阻止镇痛药滥用,药学家们操碎了心

阻止药物滥用并不只是政府部门和社会团体的责任,在药品研发的上游也有人一直在为此而努力。

针对这样的滥用问题,药品生产企业提出了“防滥用型制剂(abuse deterrent formulations, ADFs)”的概念,并逐渐为各方接受。

根据FDA指南文件所述,防滥用型制剂主要应用了包括制作前药,设置物理/化学屏障,联合使用激动剂和拮抗剂,使用新型给药系统等等手段。

乍一听防滥用型制剂的概念会觉得晦涩拗口,但其实很多产品的设计思路,细说起来非常有意思,你会发现药学家为了阻止滥用真的是操碎了心。

药学家为了阻止滥用已经操碎了心。图片来源:Pixabay

有人把药片做得特别硬,用锤子砸也砸不碎的那种硬,这样就不会被磕碎,也没法研磨(不知道不小心咬到的话会不会硌掉牙)[2]

有人往药片里掺了一定比例的拮抗剂,即使吃很多也不会达到过强的药效[2]

超硬止疼药,锤子砸了都会疼……图片来源:参考文献[2]

还有在辅料组成上下功夫的。2010年,FDA批准了一种新型的羟考酮片,它与传统的羟考酮片生物等效,但是其中加入了特殊的高分子材料[3],使整个药片变得像塑料一般很难被研磨成粉末,如果有人非要把它溶解到水里,高分子材料会变成黏黏糊糊的胶状——这样的东西显然不能拿来注射。在美国康复中心通过追踪140000名研究对象后分析发现,这种药片推向市场之后有效地减少了羟考酮的滥用[2]

左边是传统的羟考酮片,可以被研磨成粉末,进而容易被滥用;右边是这种新型的药片被砸了之后的状态,这……这真的吸不动了吧。参考文献:[2]

另一项研究中,新型羟考酮片(reformulated ERO)的滥用频率比传统的羟考酮片(original ERO)低了很多,特别是注射和吸入这两种滥用途径,几乎完全被终结了[4]

还有一些人尝试设计“前药”。所谓的前药,就是在本来的药物分子结构上加一坨其他的东西,让它变得无法直接发挥药效,只有在进入人体之后,通过体内一些酶的加工,切掉多余的结构,“解除封印”后才能发挥作用。由于这些酶只存在于消化道中,就直接限定了给药途径——只能吃,不能注射或用鼻子吸。

那么,如果有些人想靠大量地吞食药片来解瘾该怎么办呢?药学家们又想到一个办法,他们设计了前药的同时在药片里加了少量的酶抑制剂。这会造成一种有趣的结果——如果你只按照剂量来吃一两片药,这少量的酶抑制剂不会产生任何作用,体内的酶会正常工作切掉药物上多余的部分,使它发挥镇痛效果;但如果你一次塞了一大把药片,对不起,酶抑制剂的总量就足够使消化道里的这种酶失效,不能对前药产生作用,也就不会释放出大量有活性的药物了[2]

昨天是第32个“国际禁毒日”,毒品给个人、家庭及社会带来的危害已无需多言。而像这样“魔高一尺,道高一丈”的故事还会一直继续下去。这些药物的成瘾性没有解决,药学家们的努力就不会停止。

另外也要提醒正在和这些药物相伴的患者,使用时务必谨遵医嘱,如果发现异常反应要积极寻求专业的帮助,以防不良后果的发生。(编辑:Yuki)

参考文献:

  1. ZiyaurRahman, Effects of excipients and curing process on the abuse deterrentproperties of directly compressed tablets [J], International Journal ofPharmaceutics, 2017, 517: 303-311
  2. Elie Dolgin, Barriers to misuse[J], Nature, 2015, 522:60-61
  3. Raymond CRowe, Handbook of Pharmaceutical Excipients (6th edition) [M],
  4. 2009Jennifer R.Havens, The impact of a reformulation of extended-release oxycodone designed todeter abuse in a sample of prescription opioid abusers [J], Drug and AlcoholDependence, 2014, 139:9-17

作者名片

从医学转行化学,他用超前分析手段破获“高智商谋杀案”

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在各种影视作品中,我们不时可以看到法医通过对中毒身亡的人进行尸检,检测出具体的毒素以帮助警方破案。从生物组织中检测某种化学成分,可谓现代生物分析领域的日常工作。

《非自然死亡》剧照

然而,在一百多年前,这门科学还没有兴起时,人们几乎无法知道受害者究竟因何丧命。而就在那时,有位名叫斯塔斯的年轻分析化学家站了出来,第一次用现代科学手段与思维分析生物样品,并成功破获了一起毒杀命案。

醉心化学的医生

让·塞尔韦·斯塔斯(Jean Servais Stas)是一位比利时人。早年间,他在国立鲁汶大学学医。然而,相比于医学,斯塔斯更感兴趣的其实是分析化学、无机化学、有机化学等学科。这位年轻人曾经从苹果树的树皮分离出根皮苷,进行纯化和性质研究。

1835年,由于鲁汶大学发生变迁,斯塔斯转而到巴黎综合理工学院,有机会在化学家让-巴迪斯特·杜马(Jean-Baptiste Dumas)的实验室工作,主要研究精确测定碳的原子量。在巴黎求学期间,斯塔斯有幸在马修·奥菲拉(Matéo José Bonaventura Orfila)的毒理学课程上担任助教。而奥菲拉有个响当当的江湖名号:现代毒理学之父。

斯塔斯。图片来源:Wikimedia Commons

彼时毒理学家已经可以进行一些有毒物质的分析和检测,比如鉴定生物样品的有毒无机物,或者鉴定一些植物性毒素的纯品。但是,对于生物样品中的有机毒物却无从入手。

这是因为当时的技术手段,还不能让科学家们从动物的组织中分离得到纯净的小分子有机化合物,那么针对纯净物的常规鉴别方法放到动物组织和体液上就毫无意义了。

1847年时,奥菲拉在咨询了一系列著名的化学家并进行了相关研究之后,下了一个武断的结论——检验生物组织样品中的植物性毒物,或许永远无法实现。

但是,斯塔斯对此不以为然。1841年,他回到比利时布鲁塞尔,在皇家陆军学院担任化学教授。而就在几年后,一宗离奇的凶杀案发生了。

波卡莫伯爵凶杀案

案件的主角伊波利特·维斯塔·德·波卡莫伯爵(Hyppolite Visart de Bocarmé)是一位烟草商的儿子,父亲去世后,他继承了“彼得蒙特的城堡”(Château de Bitremont)。随后 ,伯爵与莉迪·弗朗西斯·布瓦(Lydie·Fougnies du Bois)小姐缔结百年之好。

布瓦小姐出身资产阶级,父亲是一位富有的药剂师。伯爵追求布瓦小姐,正是看中了她家族的钱财。可是,莉迪父亲去世后,却将大部分财产留给了小儿子古斯塔夫(Gustave)。“幸运”的是,古斯塔夫自小身体羸弱,伯爵夫妇期待着他英年早逝,继承财产。然而等来等去,他们等到了古斯塔夫决定结婚的消息。

若是有了妻子儿女,作为姐姐姐夫的伯爵夫妇就甭想继承遗产了,为了钱财,夫妻俩动了杀机。为此,他们精心谋划了一场凶杀案。

波卡莫伯爵。图片来源:Wikimedia Commons

“彼得蒙特的城堡”,毁于1998年的一场大火。

一天,伯爵夫妇假意款待古斯塔夫,可是温馨的家庭晚餐刚结束,仆人们就被告知,古斯塔夫突然中风了。仆人们被吓到了,但同时也觉得这事儿有点蹊跷,就报了官。受理此案的是预审法官厄贝尔(Heughebaert),他很快就带着宪兵和外科医生来检查了古斯塔夫的遗体,发现死者的口腔、舌头、咽喉、胃都有被腐蚀灼烧的痕迹,似乎吞下了什么化学物质。但是,法官大人对于化学和毒物的认知毕竟有限,他心存疑惑却无法拿到有效的证据。为了查明死因,厄贝尔一边将伯爵夫妇羁押;另一边则下令将古斯塔夫的器官取出浸泡在酒精里,马上带着样品去布鲁塞尔请教让·斯塔斯。

抽丝剥茧,在线鉴毒

如那个时代的同行一样,斯塔斯大多只能通过有限的手段——比如嗅觉和味觉等感官——来鉴别化学物质,他也能够对纯净的化学物质晶型测试,比如颜色试验和结晶试验等。但是在这个案例里,古斯塔夫的遗体已经被人用醋反复清洗过,样品散发着醋味,掩盖了其他化学物质存在的气味从而难以鉴别。但斯塔斯还是尝试这进行了试验,他怀疑毒物是某种植物性的生物碱。

基于这样的思路,在某个下午,他将苛性碱加入到组织样品碎片中,用乙醚进行了萃取。随后将提取物放在特制的玻璃容器中蒸发,容器中已经预先加入了硫酸,用以结合可能存在的生物碱。第二天一早,他走进实验室,闻到了一股烟草和鼠尿的气味,在当时的认知里,这是尼古丁的特征。

尼古丁是烟草的重要成分。图片来源:Pixabay

通过对萃取物的进一步纯化,斯塔斯获得了一些具有烟草味道的褐色的固体残留物,他把之前用在纯品尼古丁的测试用在了这些物质上,并成功得到了阳性结果。

随后斯塔斯还进行了一系列的交叉对比验证:他从屠宰场和兽医学校取得动物样本,从医学院取得生前吸烟/不吸烟的死者遗体样品,对这些样品都用上述的尼古丁萃取法挨个进行了测试,进一步确认了检测结果。有了这些依据,斯塔斯基本上可以确定无疑的认为,古斯塔夫的遗体中存在着高浓度的尼古丁,随后他将发现报告给了预审法官厄贝尔。

取证的雏形

根据斯塔斯指明的方向,厄贝尔收到检验报告以后迅速展开了行动。一方面他立即调查波卡莫伯爵是否曾经获得过尼古丁。据城堡的仆从反映,这位伯爵曾宣称要制造一种新型的古龙水/用于果园的杀虫剂,并以此为名头购置了大量的烟叶,在城堡外附属建筑设置的“实验室”中制备提取物。为此,伯爵不仅拜访著名的化学家,还设计实验,用动物测试提取物的毒性效果,而这些动物的尸体就埋在他的城堡花园里。

另一方面,他请斯塔斯继续进行取样分析工作。取样的范围从在城堡花园里掘出了经过焚烧的猫狗尸体,到 “实验室”的木地板,再到帮助搭建制造“古龙水”设备的园丁的长裤。而在所有的物品中,斯塔斯都发现了尼古丁的痕迹。

为什么尼古丁可以杀人?
通过现代研究人们已经知道,尼古丁可以作用于乙酰胆碱受体,是一种快速起效的有毒物质。高剂量的尼古丁能够在几分钟内导致恶心、头晕、瞳孔缩小、心动过速、高血压、大量出汗、流涎、抽搐、呼吸肌松弛等症状,成年人摄入40~60 mg尼古丁就有可能导致死亡。

波卡莫的实验室。图片来源:Murderpedia

1851年5月,经过审判,法庭最终裁定波卡莫伯爵谋杀罪名成立,并于1851年7月19日被公开处决,而法庭所依据的关键证据之一就是斯塔斯的检测报告。

现代生物分析技术和毒理学的原点

此后,以分析化学为基础的毒理学逐渐发展为一个新的科学分支,并在案件侦破过程中发挥着越来越大的作用。而这,或许都要归功于斯塔斯最初的努力。

以今人的眼光来看,斯塔斯能够提取成功,可能也部分得益于他所得到的样品(古斯塔夫的遗体)的前期处理方式——浸泡在酒精中,并用醋洗过。酒精可能部分地起到了解除蛋白结合的效果,而酸性的介质也让尼古丁能更稳定地存在于检材中——尼古丁是一种容易挥发的小分子碱性物质,溶液中的酸可以“拉”住尼古丁,避免它的损失。

而如今,人们再无需那么古老的方法来鉴别尼古丁或其他有毒的有机物,取而代之的则是更为先进的化学分析手段。例如在分离上最常使用的是各种细致的色谱法;检测方法上,更为灵敏的质谱检测器得到了广泛的应用。

如今人们拥有更先进的化学分析手段。图片来源:Pixabay

但是,在样品的前处理阶段却仍然能够找到当年“尼古丁杀人案”的痕迹。“蛋白沉淀法”依然是现在的研究者们常用的手段,而他们在检测尼古丁的时候,也仍然要加入酸来阻止样品中的损失。现在的生物分析人员已经可以使用几百微升血浆,检测到pg/mL级别的尼古丁了(做个粗略但直观的类比,将一块方糖切成10份,其中的一块扔到一个游泳池里,充分分散均匀,最后取1/5毫升水拿来检测)。

然而,灵敏而苛刻的现代分析手段却给研究者带来了新的困扰:随着烟草的普遍流行,对生物样品中的尼古丁进行检测时,筛选完全不含尼古丁的空白样品作为对照,以及在操作中注意样品不要被来自环境和空气中的尼古丁污染,却变得有些困难。

不得不说,这还真是有些讽刺啊。(编辑:Yuki)

参考文献:

  1. Robert Wennig, Back to the roots ofmodern analytical toxicology: Jean Servais Stas and the Bocarmé murder case [J], Drug Testing and Analysis, 2009(1):153-155
  2. Nicotine: Toxicology Data Network, NIH. https://toxnet.nlm.nih.gov/cgi-bin/sis/search2
  3. 李文魁. 生命科学实验指南系列:液相色谱-质谱(LC-MS)生物分析手册 最佳实践、实验方案及相关法规 (Handbook of LC-MS Bioanalysis: Best Practices, Experimental Protocols and Regulations)[M]. 1版. 北京:科学出版社,2017年
  4. Hippolyte Visart de Bocarmé: Wikipedia. http://en.wikipedia.org/wiki/Hippolyte_Visart_de_Bocarmé
  5. Hippolyte Visart de Bocarmé: Murderpedia. http://murderpedia.org/male.B/b/bocarme-photos.htm

作者名片

量子力学随机性被推翻了?事情才没那么简单

|· 本文来自“我是科学家”·|

近日,一则名为“薛定谔的猫终于有救了,Nature 研究首次观测到量子跃迁过程”的新闻报道刷屏。诸如“耶鲁大学实验推翻量子力学随机性”“爱因斯坦又蒙对了”等等标题党纷纷出现,仿佛战无不胜的量子力学一夜之间阴沟翻船一样,很多文青纷纷哀叹宿命论又回来了。然而,事实真的如此?还是报道偏差歪曲了论文本意?

刷屏的新闻报道。图片来源:百度搜索截图

什么是量子力学随机性?

咱们先搞懂量子力学的随机性说的是什么,再看看这篇论文做了什么。

根据数理双修的大师冯诺依曼的总结,量子力学有两个基本的过程,一个是按照薛定谔方程确定性地演化,另一个是因为测量导致的量子叠加态随机塌缩。薛定谔方程是量子力学核心方程,它是确定性的,跟随机性无关。那么量子力学的随机性只来自于后者,也就是来自于测量。

这个测量随机性正是让爱因斯坦最无法理解的地方,他用了“上帝不会掷骰子”这个比喻来反对测量随机性,而薛定谔也假想了测量一只猫的生死叠加态来反对过它。

薛定谔选猫作为实验对象是不是因为猫爱钻盒子……图片来源:Unsplash

但是无数的实验证实,去直接测量一个量子叠加态,它的结果就是随机在其中一个本征态上(概率为叠加态中每个本征态的系数模平方),这就是量子力学最重要的测量问题。为了解决这个问题,诞生了量子力学多个诠释,其中主流的三个诠释为哥本哈根诠释、多世界诠释和一致历史诠释。

哥本哈根诠释认为,测量会导致量子态塌缩,即量子态瞬间被破坏,随机跌到一个本征态上;多世界诠释觉得哥本哈根诠释太玄了,于是就搞了个更玄的,认为每一次测量就是世界的一次分裂,所有本征态的结果都存在,只是互相完全独立(正交),干扰不到对方,我们只是随机地在某一个世界当中;一致历史诠释引入了量子退相干过程,解决了从叠加态到经典概率分布的问题。但是在选择哪个经典概率上,还是回到了哥本哈根诠释和多世界诠释的争论。

从逻辑上看,多世界诠释和一致历史诠释的结合对解释测量问题似乎是最完美的,多个世界组成一个总的叠加态,即保留了“上帝视角”的确定性,又保留了单一世界视角的随机性。但物理学是以实验为准的科学,这些诠释预言了同样的物理结果,相互之间不可证伪,那么物理意义就是等价的,所以学术圈还是主要采用哥本哈根诠释,即用塌缩(collapse)这个词代表测量量子态的随机性。

耶鲁大学的论文说了什么?

那么我们再看看耶鲁大学这篇Nature论文[1]做了什么。先铺垫一个量子力学知识,那就是量子跃迁是一个量子叠加态完全按照薛定谔方程演化的确定性过程[2],即在基态|G>上的概率幅按照薛定谔方程连续地转移到激发态|E>上,再连续地转移回来,形成一个振荡(频率称为拉比频率),它属于冯诺依曼总结的第一类过程。

图片来源:nature.com

这篇论文测的就是这样一个确定性的量子跃迁,所以得到确定性结果毫无意外。文章的卖点在于怎样不让这个测量破坏掉原本的叠加态,或者怎样让量子跃迁不会因突如其来的测量而停止。这个也不是多么神秘的技术,而是量子信息领域目前广泛应用的“弱测量”方法。

图片来源:Nature 570, 200–204 (2019)

我们来看这篇nature论文里的实验用到的能级图,是一个三能级系统,|G>是基态,|D>是一个激发态,称为暗态(不易受影响的态),|B>是亮态(易操作的态)。这个实验用的是超导电路人工构建的三能级系统,信噪比相比真实的原子能级还要差很多。

实验用到的弱测量技术,就是把原本基态|G>的粒子数(这个实验用的是超导电流)分出一点点,让它和|D>形成叠加态,同时|G>剩下的粒子数继续和|B>叠加,这两个叠加态(几乎)是独立的,(几乎)不互相影响。例如通过光(微波)强控制两个跃迁拉比频率,就能让概率幅在|B>接近1时,在|D>上也接近1。这时测量|G>和|B>的叠加态,会发现粒子数塌缩在了|B>上面。此时尽管|G>和|D>的叠加态没塌缩,也能知道概率幅都在|D>上面,再测量|G>和|D>的叠加态结果就是粒子数塌缩在了|D>上。所以测量|G>和|B>的叠加态本身还是个引起随机塌缩的测量,但这个测量对于|G>和|D>的叠加态来说却不引起叠加态塌缩(仅有很微弱的改变),同时还能监视|G>和|D>的叠加态演化到什么程度了,这就成为了相对|G>和|D>叠加态的弱测量。

如果这个三能级系统只有一个粒子,那么塌缩在|B>上的粒子数为1时,塌缩在|D>和|G>上的粒子数为零。但这个三能级系统是用超导电流人工制备出来的,相当于有很多电子可用。当一些电子塌缩在|B>上之后,仍然有一些电子处于|D>和|G>的叠加态。所以多粒子系统也保证了这个弱测量实验可以进行。这和冷原子实验非常类似,即大量原子具备相同的能级系统,叠加态的概率可以反映在相对原子数上。

上帝依然掷骰子

用一句话总结,这篇nature论文里用了实验技巧去弱测量一个确定性过程,主动避开了对这个过程能导致随机结果的测量,一切都符合量子力学预言,对量子力学的测量随机性没任何影响。所以爱因斯坦没翻身,上帝依然掷骰子。

这篇nature论文只是又一次验证了量子力学的正确,为什么会引起这么大的误解?这里我不得不吐槽一下。这与作者们在摘要和引言里立的错误靶子脱不了干系。估计是为了制造大新闻,他们找到了玻尔在1913年提出的量子跃迁瞬时性的想法做靶子[3],但这个想法早在1925年海森堡方程和1926年薛定谔方程提出(也就是量子力学正式建立)之后就被否定了,他们在论文里也明确说了实验其实验证了薛定谔关于跃迁是连续确定演化的观点。把玻尔搬出来,很可能是为了营造一个和爱因斯坦对立的效果,延续世纪论战,多博取关注。但是在量子跃迁这个问题上,是玻尔最早的想法错了,海森堡和薛定谔对了,不关爱因斯坦什么事。

玻尔(左)和爱因斯坦(右)。图片来源:Wikimedia Commons

这篇论文的英文报道[4]的作者是Phillip Ball,他尽管写过很多优秀的科学新闻,但这次大概是碰到了知识盲点,整个报道写的也是故弄玄虚,没抓到重点,还把海森堡拉去陪玻尔一起给瞬时跃迁背锅(不知道海森堡方程和薛定谔方程实质等价吗?)。然后中文媒体再翻译过来,其它自媒体再自由发挥一通,就变成了科学传播的“车祸现场”。

笔者几年前在丹麦Aarhus大学物理系做博士后时(Aarhus物理系大概一百年前是从哥本哈根大学物理系——即现在的玻尔研究所分出来的,这样也算和玻尔扯上点渊源),也做过一个监视超冷原子相变的量子弱测量实验,可不敢像耶鲁这个团队这样立靶子吹牛,文章后来发的很普通的英国物理学会杂志。量子技术既然瞄准的是第二次信息革命,未来的应用才决定其价值,而不应该沾染为了发顶级期刊而哗众取宠的风气。这样做即使一时受宠,很快还是会被历史埋没。(编辑:Yuki)

参考文献:

  1. Z. K. Minev, et. al., To catch and reverse a quantum jump mid-flight, Nature 570, 200–204 (2019)
  2. 一般的高等量子力学教材中都有专门的章节讲怎么用含时薛定谔方程描述量子跃迁,在量子光学教材中有更细节的光与二能级原子相互作用的半经典模型,光学Bloch方程,全量子J-C模型等,无一例外都属于含时薛定谔方程。
  3. N. Bohr, On the constitution of atoms and molecules. Part I. Binding of electrons by positive nuclei. Phil. Mag. 26, 1–25 (1913).
  4. https://www.quantamagazine.org/quantum-leaps-long-assumed-to-be-instantaneous-take-time-20190605/

作者名片

如果有一盏灯能被聚变之能点亮,我期望它最先在中国

本文为2019年5月20日“我是科学家”演讲活动第十一期——中国制造 | 钟武律 演讲实录:

“未来如果有一盏灯能够被聚变之能点亮,我们期望它最先在——中国!”目前,中国环流器二号A(HL-2A)等大型装置(也被称为“人造太阳”)正在进行核聚变相关的研究和测试。为了让人类有朝一日可以用上清洁可靠的核聚能,科学家如何运用智慧在地球上建起“人造太阳”?中核集团核工业西南物理研究院博士、特聘研究员钟武律为大家带来演讲《受控核聚变:用“人造太阳”点亮能源梦想》。

大家好,我叫钟武律,来自中核集团核工业西南物理研究院。我今天要讲的东西温度特别高——超过1亿度。

1亿度是什么概念?俗话说,万物生长靠太阳,太阳的核心温度大概在1500万度~2000万度;而地球上的金属材料在1000度左右就会融化。1亿度,已经超过太阳温度的5~6倍了。

我们现在要做的工作,就是在地球上建一个能够承受住1亿度、甚至超过2亿度高温的装置。

为什么要建这么一个装置?是为了通过核聚变反应持续续稳定地输出能量,最终解决人类的能源问题,从而造福人类。由于核聚变的原理和太阳发光发热的原理很相似,所以,这些以探索聚变清洁能源为目的的装置被人们称为“人造太阳”。

东方超环(EAST),还有中国环流器二号A(HL-2A),都属于“人造太阳”实验装置。

中国环流器二号A装置在成都,在中核集团核工业西南物理研究院——也就是我工作的地方。实验期间,我天天和它打交道。它由成千上万个零部件组成,非常复杂。

有人问我:你们以后要在地球上造一个太阳吗?

其实这话还真有几分道理,因为我们装置的基本原理确实和太阳的原理是一样的。

太阳之所以能够持续发光发热,正是因为它在时时刻刻发生核聚变反应。

那核聚变是怎么来的,它的能源从哪里来?

其实核聚变是两个轻的原子核融合在一起形成一个重核的过程,它与核裂变相反。在反应过程中,原子核的总质量会减少(质量亏损),会释放出巨大的能量。

反应释放出的能量有多少呢?可以由著名的质能方程来描述,E=mc2。正所谓“大道至简”,爱因斯坦用我们现在看来非常简单的一个公式,就描述了质量和能量之间的关系。

地球上,氢的同位素氘和氚非常容易发生核聚变反应。从左图可以看到:我们可以利用氘和氚,让它们的原子核无限接近,然后融合在一起发生核聚变反应,就会释放能量。

从原理和公式来看,核聚变非常简单;但真正实现起来,却是异常的困难。

想利用核聚变能,就必须要让核聚变变得可控——就意味着要满足三个非常苛刻的条件。

第一,温度要足够高,使燃料变成超过1亿度的等离子体。

第二,密度要足够高,这样两个原子核碰撞的概率就会更大。

第三,要把等离子体在有限的空间里约束足够长时间。

然而在地球上,没有任何材料可以把1亿度高温的等离子体给直接包裹起来。但是聪明的科学家想了一个办法——用强磁场的方式,把带电粒子约束住。

如果我们制造一个环形的磁容器(像甜甜圈或者轮胎),把带电粒子约束住,把高温的等离子体和材料隔离开,它们就会在磁容器里面盘旋、绕圈,而不接触装置内壁。这样的装置就叫托卡马克装置,这种装置很复杂,由很多外部线圈和辅助系统组成。

中国环流器二号A装置装置运行的时候,周边就有很多支撑系统,比如电源系统、控制系统、诊断系统、加热系统等等。

还记得我上完研究生基础课回所里报到的第一天,我们主任就说,“托卡马克等离子体物理啊,没有5年入不了门”,当时我还很不理解。

我回来以后,就参加所里的实验。当时一到控制大厅,就被大屏幕上面形态各异的曲线给镇住了。

后面我们不断学习、不断参加物理实验、不断和专家们一起讨论,才慢慢地对装置运行有了一个概念。我也逐渐明白,核聚变是对每一项技术逼近极限的挑战,是一个多学科高度交叉融合的领域,也是一项系统而庞大的工程,需要科研团队齐心协力合力,去攻克整个聚变研究过程中关键的科学与技术问题。

演讲嘉宾钟武律:《受控核聚变:用“人造太阳”点亮能源梦想》

我回到所里的时候,正赶上2A团队重点攻克一项关键技术——实现高约束模式运行。

什么是高约束模运行呢?如果把磁容器约束的等离子体比作一个沙堆,我们的目的就是把这个沙堆堆得足够高。但是往上加沙子的时候,沙子会往两边垮下来。在底面积不变的前提下,怎样才能把沙堆堆得更高呢?很简单:把沙堆用一块木板围起来,挡住垮下来的沙子。

我们要实现高约束模运行,也是要在等离子体的边缘形成一个很陡的垒,让它起到像木板一样的作用,把芯部等离子体的密度和温度进一步提高,从而有利于聚变反应。

从物理图像来看,高约束模很简单,但真正实现起来却并不容易。我们2A团队花了很多年的时间来攻克这个难题,我们的专家和老师查阅了大量的资料,夜以继日地开展研讨和讨论。因为高约束模运行是整个装置综合能力的体现,不仅要求各个系统要达到最优,还要求参数也达到最优的范围。经过大概1万多次的实验,我们终于在2009年于国内首次实现了高约束模运行。

左边这个照片,是当时实验成功以后大家在一起庆祝,当时我们还是第一次开香槟,大家都沉浸在喜悦之中。当时新闻联播也报道了这个消息,因为这是中国磁约束聚变研究史上一个里程碑的事件。

有了高约束模这个平台以后,我们就可以开展很多更先进的实验。

过去,我们请国外顶尖的科学家来做实验和指导,有时候都请不来,但有了这个平台以后,国外的同行都主动联系我们,想来我们装置做实验,甚至有些还是组团来。

从过去的“请不来”,到今天的“组团来”,这样的变化,靠的是实力。我们也有了越来越多的底气,在国际聚变舞台上,中国有了绝对的话语权。我们将和全世界聚变领域的科学家携手,共同解决人类未来的能源问题。

硕士毕业以后,我以访问学者的身份去了法国原子能委员会的聚变科学所(图右),继续从事等离子体物理实验研究。

其实等离子体被磁场约束住以后也不会那么老实,会时不时会形成一些不稳定性,破坏约束性能,阻碍温度和密度的进一步提高。

其实这种现象,我们在2A装置上早有发现,但并不知道为什么。所以我带着这个问题和我法国的导师,一起利用他们装置的数据进行了进一步分析。

但是对物理本质的理解,除了实验,往往还要结合理论模拟。所以当时我导师联系了一位做理论模拟的法国专家,请她来指导我开展理论模拟的研究。但那个老师特别忙,几个月都没有任何进展。我导师就让我去找她学习程序,然后自己做理论模拟。

后来我找了她,她也热心地指导了我,通过两年实验和理论模拟研究,我们终于找到了答案,这个结果也很快被物理学国际顶级期刊《物理评论快报》接收发表。

收到文章被接收的邮件以后,我非常高兴,大半夜打电话给我法国的导师分享这份喜悦。那一年正好是我接触核聚变的第五年,我心想,这算入门了吗?如果是这样,核聚变的门槛还真不低啊。

确实,受控核聚变研究非常困难。世界上第一颗原子弹爆炸以后,不到十年就实现了和平利用,建成了核电站。科学家就想,氢弹成功以后,应该也用不了多长时间就能够实现和平利用,实现受控核聚变。但后来的研究发现,并没有那么简单,它需要全世界的科学家一起来努力完成。

所以就有了国际热核聚变堆计划,简称ITER计划。由中国、美国、欧盟、俄罗斯、日本、韩国和印度七方参与,计划在法国南部美丽的普罗旺斯地区共同建造一个世界上最大的托卡马克装置。

ITER是目前全球影响最深远的、最大的国际合作项目之一,也是中国以平等身份参加的最大的国际科技合作项目。其中,中国承担了大概9%的采购包研发任务。

中国在采购包研发制造过程中,取得了重大突破,解决了一系列的工程和技术问题。比如说核工业西南物理研究院研发的第一壁采购包半原型部件,在国际上率先通过了高热负荷的认证,这也是中国在世界范围内首次通过这样的认证。所以圈内非常振奋,国际同行也纷纷发来邮件祝贺。

其实这是ITER组织交给中国团队的一份高难度的作业,因为第一壁是ITER装置的关键部件,要直接面向1亿度的高温等离子体。世界上拥有这种特殊材料提取和制备工艺的国家中,美国处于绝对的技术垄断地位。所以那个时候,我们有钱也买不到。我们院的科研团队通过超过十年的特殊材料研制,该自主研制的材料问世后,将美国的垄断价格降低了90%,也让中国在这个技术上直接从“跟跑”实现了“领跑”。

中国参与ITER十多年来,在材料科学、超导技术和精密加工等领域的研发能力和制造水平都取得了长足的进步。目前我们中国承担的ITER采购包,不管是在研发进度还是完成质量方面,都处于七方之首。在科学研究方面,我们依托国内的几个大装置和国际的装置,通过国际合作的形式也取得了一系列国际领先的科技成果。所以看得出来,中国的磁约束聚变正在走向国际的前列。

其实核聚变还是很多科幻大片里面的素材。过年的时候,《流浪地球》热映,有朋友就问我,“行星发动机是不是你们研究的那个东西?”包括我儿子也问我发动机什么时候造成。前不久,《复仇者联盟4:终局之战》上映,又有人问我,“钢铁侠胸前那个放射反应堆是不是你们研究的东西?”

其实还是有区别:《流浪地球》里面烧石头的行星发动机,原理是重核聚变,如果真的带着地球去流浪了,可能还没到目的地地球就被烧光了。

我们做的轻核聚变就不一样。地球上更容易实现的聚变是氢的同位素氘和氚,其中氘可以从海水里面提取——一升海水里面的氘如果用于聚变反应,释放的能量大概等效于300升汽油燃烧释放的能量。据目前估计,海水中的氘里面可供人类使用上百亿年,而太阳的寿命也就100亿年。所以从这个时间尺度来看,聚变燃料非常丰富,可谓“取之不尽,用之不竭”。

此外,核聚变堆是固有安全的,因为反应条件非常苛刻,任何一点小故障都会让它的反应停止。

最后,它是一种清洁友好的能源。整个反应过程中,它不会释放有害气体和温室气体,也不会产生长寿命的放射性产物。所以说,核聚变能是人类最理想的能源之一。

等到实现核聚变的那一天,我想我们有望彻底解决人类的能源问题。那个时候,环境问题、社会问题、电价问题等等,都将不成为问题,我们的生活将是多么美好。

我们中国环流器2A装置在运行的时候,控制大厅的中间有一个大屏幕来呈现等离子体的图像。当我看到这个等离子体被约束住,发光的时候,我觉得它特别美。这种感觉就像人类第一次看到自己点燃了篝火——发光发亮,充满希望。

最后,期待更多的新生力量能够加入我们中国聚变队伍,接力聚变火炬,我们一起用智慧来点燃蓝色的海洋!

演讲嘉宾钟武律:《受控核聚变:用“人造太阳”点亮能源梦想》