人造皮肤、脑机接口…马化腾请了7位科学家,揭秘全球最前沿的科学突破 | 附演讲全文

若然 2020-11-08 13:06

作者丨若然

编辑丨大湿兄

马化腾是腾讯WE大会的忠实观众,每年都追,还乐此不疲地在朋友圈分享。

今年,他不用摇旗呐喊了,因为每个人的微信朋友圈都置顶了这条WE大会的直播。

11月7日,腾讯科学WE大会正式举行,主题为“蓝点”,意指我们的地球。

三十年前,史上第一个无人外太空系空间探测器旅行者1号,在探索太阳系边缘时,为太阳系拍下了一张全家福。这张全家照中,地球只是一个 0.12 像素的小点。美国天文学家卡尔·萨根将其命名为“暗淡蓝点”。

2020年,是“暗淡蓝点”照片被记录下的三十周年纪念。这一年,人类遭遇了近百年来影响范围最广的全球性大流行病,新冠疫情的爆发,让所有人意识到,我们迎来了地球历史上一个特殊的时期。

谈及此次大会主题,腾讯首席探索官网大为说:“它时刻提醒着我们要保护这唯一的家园。”

他认为,2020年,新冠疫情爆发,面对困境,我们采取的行动将很可能改写这个时代。前沿科学突破能帮助我们做好准备拥抱未来,因此我们要深入地理解世界所面临的挑战,它也能够进一步激发我们的热情去成为向善的一股积极力量。”

始于2013年的腾讯WE大会,在过去的7年里,著名宇宙学家霍金、引力波发现者BarryBarish、诺贝尔奖获得者KipThorne、图灵奖获得者姚期智等60余位科学家及科技界人士,都曾先后在这个科学盛会上,分享当年最值得关注的科学突破和前沿思想。

今年,腾讯WE大会则邀请到了7位全球顶尖科学家,包括诺贝尔物理学奖获得者Steven Weinberg、干细胞生物学家中内启光、脑机接口权威专家Miguel Nicolelis、化学家鲍哲南、量子物理学家潘建伟、天体物理学家Victoria Kaspi、金星生命迹象发现者Jane Greaves,他们分享了量子物理、干细胞、神经科学、天文学等领域的最新科技进展。

以下为7位科学家的演讲(部分有删减):

1. Miguel Nicolelis:帮助人类实现数字化“永生”

今天我将为大家介绍脑机接口和这一技术从基础科学到应用于神经康复的研究历程。

1998年 我和John Chapin开始着手研究一种新的技术——脑机接口,希望将活体动物或人类的大脑与设备直接连接。

我和约翰的想法是,实时采集实验对象准备移动身体时大脑发出的电信号,但我们并不观察实验对象的身体活动,而是记录相应的大脑活动。然后在不到1/3秒的时间里,将其转化为能够发送至人造执行装置的数字指令。

我们最初的实验是在猴子身上进行,之后逐步实现了人类实验。

第一个实验,一只恒河猴学会了如何玩电子游戏。这个游戏的规则是,让光标穿过显示屏上随机出现的一个球体,由猴子通过操纵杆来完成。

每一次光标成功穿过目标,猴子就能得到一滴喜爱的橙汁作为奖励。但它不知道的是,每次正确完成操作,我们就会记录下它大脑中100个神经元的活,然后把这些脑电信号发送给一组计算机。由它们来提取其中的运动指令 ,将其嵌入、然后转化为机械手臂可以理解的电子指令。

我们的想法是,当猴子能够非常熟练地通过操纵杆玩游戏的时候,我们就拿走操纵杆,打开脑机接口,观察猴子能否让机械手臂控制光标穿过目标。而且仅靠想象来完成这一过程,不涉及任何身体动作。正如大家所见,猴子做到了。这就是实验的上半部分,我们将大脑从身体的束缚中解放出来,使之能够直接与外部世界互动。

猴子一开始用操纵杆玩游戏,这个操纵杆惯性非常低 ,精准度很高,能够准确地将光标移入目标中。每一次操作完成,猴子都会得到一滴它喜欢的橙汁。猴子对游戏越来越熟练,每天玩一个小时,准确率能达到99%以上。

于是我们意识到,是时候首次测试一下,通过脑机接口进行实时操作这个想法了。

我们拿走操纵杆,让猴子自然地坐在椅子上。我们问自己:猴子能不能弄明白 它只需要动脑想象,就可以让机械手臂控制光标,然后和之前一样得到果汁呢?

结果,它做到了。猴子的身体没动,手臂也没动,只是想象着把光标移到目标内。与此同时,我们的电脑记录下猴子大脑发出的电信号,提取其中能够控制真实手臂活动的运动指令,转变其路径,使之控制机械手臂来完成游戏。逐渐地,猴子能越来越熟练地,用大脑控制机械手臂完成游戏,无需任何身体动作。

这只是脑机接口发展之初的情况,在过去20多年里,我们制造出了很多不同种类的脑机接口。比如同时控制两只机械手臂的,还有控制腿部的,其中最复杂的一种,我们称之为“脑-机-脑接口”。

动物能够学会使用搭载了无线传输技术的脑机接口来控制一辆自动驾驶设备,载着某一对象从房间里的某一随机位置出发,到达目标位置。取走我们放在那里的,比如说葡萄,而整个的过程全部通过思考完成。

有了这样的发现后,我们意识到,它的意义要远远超过我38年来一直在寻找的新的大脑研究方法。我们或许可以把这一发现,转化成新的治疗手段,来帮助全世界2500万因为严重的脊柱损伤而在痛苦中挣扎的人们。

2012年,FIFA宣布由巴西主办2014年世界杯足球赛,当时我就意识到,我们可以在开幕式上做一次脑机接口技术演示,让一名瘫痪的巴西年轻人,在首个脑控下肢机械外骨骼的帮助下为世界杯开球。

我联系了五大洲、25个国家156个朋友,耗时10个月制作第一个脑控下肢机械外骨骼。同时招募了8个完全性脊髓损伤患者,他们有的瘫痪超过10年、11年、13年,在世界杯之前的半年时间里,每周训练两天,每天一小时,学习使用一种非侵入式的脑机接口设备。

无需手术,无需植入电极,我们仅仅使用能够贴在头皮表面的扁平传感器,用来记录脑电信号。

病人通过观察自己的虚拟替身进行训练,该替身是一个看起来和他们相似的虚拟足球运动员,会在足球场上走动和踢球。病人们一边观察,一边学习用自己的大脑控制它的活动。每一次虚拟人物的脚接触地面,病人的手臂都会收到触觉反馈,从而再次感受到在地面行走的感觉。

当病人们能够熟练地在虚拟环境中进行操作后,我们开始让他们使用一系列世面有售的,用于脊柱损伤病人恢复的机械助行器,最后再为他们装上我们设计的外骨骼。

我们希望外骨骼脚部每一次接触地面时,都能向病人的前臂发送触觉反馈信号。这样,病人就能体会到到踩在地面的感觉,感受地面的触感、硬度,踩在什么样的地面上,能走多远?甚至能接收到温度反馈。

在世界杯之前,8名病人都在我们的实验室里成功实现了站立行走,因为他们都学会了熟练控制外骨骼。

Juliano Pinto,世界杯开幕式上开球的运动员,脊柱T4以下身体瘫痪已经9年。正式开球前Julian最后一次试踢,他把双臂放在外骨骼的扶手处,那里安装的传感器在感受到来自手臂的压力后启动外骨骼。之后,Julian只需要摆好身体姿势,想象踢球的动作,就能够把球踢出去。

2014年6月12号下午3点半整正式开球时也是这样的流程,我们还给他准备了一个小惊喜,启动了一个安装在足尖的传感器。巴西的孩子可能在还没出生的时候就会用足尖大力触球,在球场上没有其他办法时,足尖大力射门是最后的进球手段。

Julian把球踢出去之后开始欢呼,我们冲上去拥抱他,大家的情绪都非常激动,整个球场都因为这个开球而沸腾了。

Julian当时喊得并不是:我踢出去了,我做到了或者我射门成功了。他喊的是:我感觉到球了,我碰到球了。这是10年来,Julian 第一次真正体验到踢球的感觉。

几个月后,我们对Julian和其他7名患者重新进行神经测试。之前实验时,Julian脊柱T4以下瘫痪已经10年,但当天他的等级评定是脊柱T11以下瘫痪。也就是说 ,经过10个月的训练,他的7节脊椎,恢复了感知 、活动和运动控制方面的功能。

平均来看,从启动训练开始 ,我们对这些病人进行了28个月的观察。在此期间,他们平均恢复了10节脊椎功能。这涵盖了身体的一大块区域,他们恢复了这部分身体的感知能力和内脏控制能力,处于这一区域的内脏有膀胱、小肠、胃等等。

还有一位准妈妈,终于能感觉到孩子在肚子里踢她,在9个月的正常孕期中,能感受到胎动和子宫收缩,最后生下一个男孩。

这些病人中,后来3人坚持继续接受训练,他们不再是完全瘫痪,在小型助力车辅助下,有了一定自主运动能力。这样的结果,病人自己也从没想过。

这就说明,有时候基础科学能引领你,到达你从未想象过的地方,为你带来意料之外的发现 。为了这一天,我等了38年。因为亲眼见证了这一切,我的每一秒付出都是值得的。

2. 潘建伟:经过10到15年努力,发展天地一体广域量子通讯网络

我今天给大家报告的题目是新量子革命。

目前我们所面临着的计算能力的瓶颈,是我们拥有的计算能力非常有限,如果我们把全球的所有的计算机的计算力加在一起,一年里面,都没办法完成对2的90次方个数据的穷举搜索,但是这个传统的发展模式目前已经受到了严重的制约。

摩尔定律正在逐渐地逼近极限,那么大概会在不到十年左右的时间,我们晶体管的尺寸大概就会达到原子尺寸——亚纳米水平。这个时候,晶体管的电路原理将不再适用。

那么怎么来解决这些问题呢?量子力学。它生的第一个小孩是现代信息技术,现在它又准备好生第二个小孩,量子计算和量子通信,解决算力不够,信息安全传输不安全等问题。

首先解释什么是量子?其实就是构成物质的最基本单元,它是能量的最基本携带者,它的基本特征就是不可分割。比如说我手中有一个激光笔,这个激光笔打出来的光的能量,如果你可以用一个放大镜来看一下的话,其实发出来的光本身是由很多个小颗粒构成的,那么这样的小颗粒我们把它叫做光子或者光量子。你不可能再拿刀来切一下,变成1/2个光子等等。它有基本特征,它就叫做量子叠加。

那么量子叠加是什么意思呢?在我们的经典物理学当中,一只猫,它可以处于死和活这么两个状态,可以来代表一个信息的传输单元0或者1,就是加载一个比特的经典信息。但是到了量子世界的时候,在微观世界里面的一只猫,它不仅可以处于0或者1的状态,甚至可以处于死和活这个状态的相干叠加。对这样一种态,我们就把它叫做量子比特。

爱因斯坦对这个问题做了比较深入的思考,他说,对一只猫可以处于死和活状态的叠加,那么两只猫是不是可以处于活活和死死状态的叠加呢?这就相当于两个骰子纠缠在一起,哪怕他们相距非常遥远,一个在合肥的科大,一个在深圳腾讯的总部。那么我们在扔这个骰子的时候呢,单边的结果是完全随机的,但是两边的结果在当时实验当中的是一模一样的。

爱因斯坦把这种现象:遥远地点之间的诡异的互动,这么一种现象就把它叫做量子纠缠。量子纠缠,在实验上怎样才能把它造出来呢?你需要有这种单个量子的调控,比如说我有一杯水,你把它喝掉一口是很容易的,但是如果你能在里面拿出一个水分子来,这在技术上就变成一个非常困难的事情。科学家经过几十年的努力,慢慢地掌握一种能力,可以对一个光子、一个原子把它拿出来,按照你的需要进行操纵,行进主动的操纵。

那么有了这样一种能力后,你就可以把一个个量子比特,按照你的需要进行调控。那么这个时候就催生了一个新的学科,我们把它叫做量子信息科学,这直接导致了第二次量子革命的发生。

利用量子通信可以提供一种原理上无条件安全的通信方式,利用量子计算可以提供非常强大的计算能力,而用于各种各样的复杂系统的研究。

量子通信的第一个应用就是秘钥分发。那比如说有张三和李四,他们为了进行安全的通信,可以先送一系列单光子,处于各种各样状态的单光子,由张三送给李四。如果中间有个窃听者存在,光子的能量是不再可分的,不能分成半个,所以如果窃听者要把这个光子拿走的话,接收者李四就收不到了,所以这个秘钥你就没有收到。

再或者窃听者对这个光子做个测量,那么量子力学里面有个原理---测不准原理,去测量光子,就会影响光子的叠加态。

所以说有了窃听就必然会被发现:第一,它不能分半个光子,光子是不可分割的;第二,这种光的状态是去测量它,它就会被扰动。

那么这个通信的双方,把那些被别人扰动过的或者被别人拿走的光子扔掉,就可以形成了一种安全的秘钥分发,利用安全的秘钥分发你就可以实现了加密内容不可破译的安全的量子通信。

那么除了这个之外呢,我们可以利用量子纠缠可以把一个粒子的量子信息从一个地方的转移到另外一个粒子上,而不用传输这个物体本身。

比如说我在合肥要到深圳腾讯去开会,但坐飞机来不及了。如果说合肥的一个实验室和腾讯总部的一个实验室正好有一团纠缠物质,那么我们可以把合肥的潘建伟跟这样纠缠物质做一个操纵,把他纠缠起来。纠缠起来之后,你就会得到一种信息。那么这种信息通过网络传到深圳的腾讯总部,就是说对这些物质做一些操纵,我们就可以把潘建伟全须全尾地在深圳把它构造出来,我们把这样的过程就叫做量子隐形传态。

那么当然在很久的将来,我们可能都无法做到传送一个复杂的物体,但是目前的技术已经允许我们可以进行了多体的、多终端的、多自由度的量子隐形传态。

随着这个量子计算的发展我们可以把它用到经典密码的破译、气象预报、金融分析和药物设计等多个方面,这是它的一个相关的应用。在更广的范围里面,我又可以利用卫星中转来实现远距离的量子通信。

量子计算本质上,目前的国际的学术界大概把它们分成三个阶段:

第一阶段,我们希望能够造出一台机器来,这台机器在计算某个具体的问题上,它可以比目前最快的超级计算机算的快。那么为了达到这个目标,我们大概需要有50个量子比特的相干操纵,这是当时我们学术界的一个目标之一。

第二阶段,我们希望能够操纵数百个量子比特的这么一种量子计算机,这叫做专用量子模拟机,那么利用它可以来揭示若干经典计算机无法胜任的一些计算任务。

第三阶段,我们希望能够来实现一种可编程的通用量子计算机。

最后,简要来展望一下我们这个领域未来的可能发展。

首先,经过十到十五年的努力,我们希望能够完整地发展天地一体广域量子的通讯网络技术体系。在这个基础上呢,在国防、政务、金融、能源等领域以应用,为最后形成下一代的国家信息安全生态系统的奠定基础,这是第一方面。

第二方面,我们希望在量子计算方面,通过对数百个量子比特的相干操纵,能够对一些现实的问题的求解,能够超越目前的超级计算机,并且能够来解决一些重大的科学问题。

除此之外,我们也希望通过十到十五年的研究能够研发具备基本功能的通用量子计算原型机,来初步探索对密码分析、大数据分析等方面的相关应用。

3. 中内启光:动物体内培育可移植人体器官

大家好,我今天的演讲题目是:异种培育人体器官。我们正尝试在动物体内培育功能完整的可移植的人体器官。

我们为什么要研究这个课题?很多病人都会出现晚期器官衰竭,对于某些人体器官,我们已经有人造或机械器官来取代它们的功能,但目前器官移植仍是治疗晚期器官衰竭的唯一方法。

可是这种疗法面临几个问题:一是,器官捐献不足,仅仅在美国,就有10万多人在等待器官移植,但只有3万人能够获得移植,这导致每天都有20人在等待移植的过程中逝去;二是,排异反应问题。即使病人足够幸运得到了移植,也必须吃药来抑制免疫系统,防止人体对移植器官产生排异反应。

但这些问题其实都是可以解决的。我的思路是在活体中培育器官,也就是在动物体内的生长环境中,通过使用诱导多能干细胞技术制造嵌合体的方法来培育器官。

怎么得到嵌合体?我们将小鼠的多能干细胞注入大鼠的囊胚期胚胎,囊胚期是胚胎的早期阶段,通常是受孕后的三到四天形成。三周后两种鼠类的嵌合体就产生了,这就是我们培育嵌合体的方法。

那什么是诱导多能干细胞?我认为它是最伟大的生物学和医学发现之一。比如我们选用皮肤纤维源细胞之类的体细胞,然后在其中引入胚胎干细胞中的4个基因。我们会惊讶地发现这些体细胞变成了多能干细胞这样的胚胎干细胞,这就是诱导多能干细胞名字的由来。

生成之后,它们就像胚胎干细胞一样活动,并且可以分化成许多不同的细胞类型。这项技术可以让我们容易地培育来自患者的多能干细胞,这不仅是对生物学也是对医学的重要贡献,尤其是再生医学。

假设有一位晚期心衰患者,我们首先生成患者的诱导多能干细胞,然后将其注入有器官形成障碍的猪胚胎的囊胚中。这个胚胎事先经过基因改造,所以无法自我形成心脏。那么如果我们可以生成人-猪嵌合体,这个嵌合体全身都应该有人类细胞,尤其心脏应该完全是由人类细胞组成的,因为猪细胞无法生成心脏。

所以当这只嵌合体猪长到一定程度,我们就可以取出心脏供人体移植。尽管这颗心脏是在猪体内培育的,但心脏细胞完全来自病人自己的诱导多能干细胞,所以它本质上属于自体器官移植。也就是病人自己的细胞和心脏移植到自己体内,所以移植时和移植后都不需要免疫抑制。

这就是我的设想,人们称之为囊胚器官互补。这听起来像科幻故事,但我们已经通过啮齿类动物实验得到了很好的数据验证。

这种方法还适用于培育其它器官。比如,胰脏、胸腺、肝脏、血管和血液,以及最近培育的脑、肺和甲状旁腺等。

当然,这项研究也会涉及到一些伦理和社会问题。很多人的担忧在于动物的人像化,比如人面猪身,这是具有人脑或人类生殖细胞的猪,还有人认为利用动物培育人类器官是对动物福祉的侵害。

但我想强调的是,我们的所有研究都是在得到相关机构批准的情况下进行的,包括政府以及斯坦福大学道德委员会和相关大学的动物实验委员会。我们正一步步地做研究,保持透明度并接受这些机构的监督。

如果研究取得成功并能够为患者提供自体器官,就可以挽救许多患者的生命或提高他们的生活质量,并大大降低医疗费用。

4. 鲍哲南:人造电子皮肤未来将改变电子工业

大家好,我是鲍哲南。我们认为将来的电子工业将会有一个巨大的改变,我们将会用像人造皮肤一样的电子器件让我们人和人之间沟通,这就是我们所说的电子皮肤的理念。

我们人的身体不是一条直线,是一个弯曲的形状。所以你可以看到如果我们的电子皮肤也必须是像人的身体一样,可以覆盖在身体上而不会束缚人的运动,同时也不会碎裂,这个电子皮肤在身体上的时候也必须要能够工作。

因此,电子皮肤需要解决三个问题:

第一,我们所用的电子材料不能再是刚硬的。因为刚硬的材料放在身体上,当身体在运动的时候,这些材料就会断裂而不能够工作。所以我们必须把这些材料做成像皮肤一样的柔软,像皮肤一样的可以拉伸,甚至可以自修复、甚至可以生物降解。

第二,这些材料还需要把它们做得让这些人造皮肤真正可以感受到不同的物体。

最后,我们的皮肤要能够感受到不同的知觉,所以皮肤的信号或者人造皮肤的信号需要能够和人体结合起来。

经过16年的研究,我们已经有了重大突破。

首先是材料,我们用那些可以自己修复的化学键去制作这些新型的电子材料,使所得到的电子材料,即使其中的化学键断裂之后,它们也会自己重新修复,就有了可拉伸性和自修复性,甚至可以有生物降解的性能。

其次,需要做的是将这些材料做成灵敏的传感器,它既需要有灵敏度,也需要可以分辨不同的外界的信号。我们早期开发一个可以测压力的传感器,是用小的金字塔做成的形状,当塔尖接受到压力的时候,塔尖会变形,使得电信号改变,但压力更加大的时候,塔底也会变形,使得电信号的改变更加大,这样我们就可以测出不同的压力。

最后需要做的就是,所接收到的信号让大脑可以理解。人造皮肤必须能够把传感器所得到的信号改变成这样子的脉冲的信号,那有了这个信号之后,还需要把这个电信号直接接到我们的神经,通过神经才可以传输到大脑,所以人造皮肤必须非常柔软,必须不伤害到我们的神经或者大脑。

现在我们已经把它植入小老鼠的身体,小老鼠可以正常地运动,正常地生活,证明这些人造皮肤是确实是可以和生物体系相容的。

这些人造皮肤要真正用到人的身上还会需要一段时间,但是最重要的这些理念我们现在已经可以证实。经过我们前面的所有的这些研究,我们现在已经有一系列的材料和电子器件,使得我们可以证实人造皮肤是可以做成的。

我现在可以非常有信心地说,人造皮肤将会改变我们将来的生活。可以使得我们人和人之间更加多地沟通,可以使我们人和人之间更加多地互相的理解。

5. Jane Greaves:金星云层是否存在生命?

我是卡迪夫大学教授简·格里夫斯,主要做天文学和天体生物学方面的研究,主要研究方向是太阳系外行星的形成,对太阳系内的行星也很感兴趣,最近迷上了金星。

金星是距离地球最近的行星,但它如今的环境非常恶劣,因此我们并没有花太多时间去在金星上寻找生命迹象。我们过去关注更多的是火星,人类发射了可以在火星表面行走和观察的探测车,也观察了火星大气层中是否存在生命迹象。

金星看起来并不适合生命存在,但我们也向金星发射了一些探测器,比如前苏联发射了猎人探测器对金星地表进行探测,美国国家航空航天局发射了观察金星大气层的探测器。他们发回的照片显示,那里的环境极其恶劣。金星的地表就像一个被烤熟了的贝壳,而且大气层气压非常高,这是由于金星大气层基本都是由二氧化碳组成的,也就是一种温室气体。

在几十亿年前,太阳的亮度不及现在,因此那时金星的表面温度没有现在这么高。比如说当时有可能存在海洋,那么也就有可能孕育出生命。但随着太阳的亮度不断增加,金星的环境变得恶劣起来,海洋因为更强的阳光开始干涸,海水蒸发殆尽。水被分解为能够自由逃逸的氢原子和氧原子,这些原子逃逸出大气层之后,就只剩下了今天我们看到的高气压地表。生命在那里不太可能存活,因为条件实在太恶劣了。

但尽管地表条件恶劣,我们认为金星云层的条件也许会好一点,那里更凉爽且更潮湿。这是目前金星云层的图表,金星大气层的高度远大于地球大气层,高度大概在50-60千米。

如果把航天员送到金星大气层,他们会发现那里环境恶劣,因为那里90%都是硫酸,而且风势极其猛烈,他们会以每小时几百公里的速度被吹走。

但我们坚持认为也许能够适应这些强烈气流的微小生物可以在那里存活,这就是为什么人类打算在未来把重量很轻的气球发射到金星的云层中,通过现代信息与科技开展更多的观测。

我们为什么会对金星大气层感兴趣,这是因为地球上存在一种所谓的空中生物圈,微生物或者单细胞可能漂浮在云层中。并且在地球上,它们很可能会返回地表以获得营养或休息,或在地表上具有自己的生命周期,但在金星上则不可能。如果这些微生物落到金星表面,它们会直接被烤干。

那么我们是如何判定金星大气中存在生命痕迹的呢?通过寻找金星大气中磷化氢分子的光谱得到的信息。为什么目标是磷化氢?这是因为磷化是地球生物圈的标志之一,磷化氢是生活在无氧环境中的微生物的副产品,而金星的云层恰恰就是无氧环境。如果金星大气中也发现存在磷化氢,那么就说明发现了生命活动的迹象。

我使用的是位于夏威夷的麦克斯韦望远镜(JCMT),这种一种射电望远镜,如果金星大气层中真的有磷化氢,它就能观测到磷化氢吸收射电波。

经过一段时间之后,我们真的观测到了磷化氢对射电波的吸收,这让我大为震惊。我们想板上钉钉,所以我们又去申请使用更为现代的天文望远镜,那就是位于智利高山地区的ALMA天文望远镜。我们通过这个望远镜进行了观测,并证实了我们最初通过麦克斯韦望远镜观测到的结果,那里真的有磷化氢在吸收射电波。

那么,金星上的磷化氢会是自然形成的吗?我们不能简单地认为金星云层中存在自然形成的磷化氢,因为金星上没有多少游离氢,因此形成磷化氢会非常难。如果存在磷化氢分子,它要么会与其它分子快速发生反应,要么会被阳光破坏,所以它不会存在很久。

我们不得不接受这个观点:金星的云层中是否存在生命?金星云层中90%都是硫酸,但仅仅是也许,生物能以某种方式在小滴的硫酸中存活。这种小滴应该是硫酸和水的混合液体,而不是气体或固体,这也许能让微生物建立起微型生态系统。

在金星几十亿年的历史中,也许曾出现过达尔文《进化论》中物竞天择的景象,无论是否是最强健的生命体,它们可能也都曾逐渐进化并适应飘浮在云层中的生活方式。

尽管金星那样恶劣的环境中可能存在生命的这种想法听起来的确很疯狂,但确实有这种可能性。我们也在通过望远镜持续地观测,围绕磷化氢这个简单的分子开展其它研究,更多地思考我们的化学和实验室能做什么?

这是一张日本破晓号轨道探测器拍摄的金星照片,它观察着金星高空云层中的神秘变化。我们希望能发射更多探测器来探测金星,并最终答案。我认为这将是未来几年激动人心的挑战。

6. Victoria Kaspi:神秘的宇宙快速射电暴到底来自哪?

今天我想和大家聊一聊快速射电暴,一种我们不久前发现的天体物理现象,它是一种我们尚未破解的神秘现象。如果你问我研究的是什么,我会说不知道。因为我们真的不知道快速射电暴来自哪里。

快速射电暴是什么?接收快速射电暴的装置和收音机类似,都是接收无线电信号的。我们接收到的快速射电暴基本上都是来自银河系之外,这些信号转瞬即逝,持续时间仅毫秒量级。

目前有报道的捕捉到快速射电暴的次数只有100次左右,但如果我们仰望天空,理论上每天可以探测到一千次快速射电暴。这意味着它在宇宙中并不罕见,随时随地都在发生,但直到最近我们才发现它,并且对它的源头一无所知。

我们如何捕捉到快速射电暴?抛物面型的天线就像一个盘子,表面可以收集来自外太空的无线电波,并将它们集中到树立在表面上的天线中。然后无线电波在天线中产生电流,电流通过电线传输到中控室的电脑中,电脑会将无线电信号放大并转为数字信号,记录在电脑磁盘上。

当然肉眼是看不到无线电波的,但天线可以看到它们,我们用这样的望远镜记录下它们,并通过读取电脑磁盘上的数据,将其转换成图表。X轴表示捕捉到无线电信号数字化样本的时间,每隔半毫秒甚至更短的时间我们就会获得这样的样本。Y轴表示望远镜能探测到的所有不同的无线电频率。

我们对频率进行了数字化处理,每个地面广播电台只有一个频率,但快速射电暴看起来则完全不同。它是一个频率组合,可以发射所有频率的无线电,但我们首先探测到的是最高频率的无线电,然后是频率较低的无线电。这期间会有一个延迟,而这个延迟非常重要,因为这说明快速射电暴来自遥远的宇宙深处。

对于大多数快速射电暴,我们只能在天空中看到一次,以后就再也看不到来自同一爆发源的射电暴,那么为什么高频无线电波会更早到达呢?

这是一种我们很熟悉的现象,和光的散射同理。就像不同颜色的光以不同的速度通过棱镜一样,不同频率的无线电波通过星际介质时的速度也不同,也会出现所谓的“色散”效应,根据这种效应就能反推快速射电暴的距离。

快速射电暴是一个比较年轻的研究领域,第一篇论文发表于2007年。快速射电暴是如何起源的呢?目前还没有标准答案,有可能来自超新星爆炸、中子星并合、黑洞吞噬中子星以及中子星磁层活动等等。

2006年,天文学家观测到了重复爆发的快速射电暴,这是一个非常重要的事件。可重复的快速射电暴的发现,表明了发生快速射电暴的源头没有在事件中摧毁,这排除了像超新星爆发和中子星并合这种灾难性的爆发事件。但所有的快速射电暴都会重复吗?目前还不知道。

由于快速射电暴在天空随机出现,科学家就需要一种能够随时观察任意位置的望远镜,这听起来是个很大的挑战,但我们正在加拿大使用新型的CHIME望远镜做这件事,它是能够满足这种要求的装置。

CHIME是一种革命性的新型望远镜,它和你们见过的任何射电望远镜都不一样,它没有传统的聚焦于一点的抛物面反射镜,而是由四个圆柱形反射镜组成。每个反射镜长100米,宽20米。CHIME望远镜的总面积相当于五个曲棍球场,所有部件都是不可移动的,反射镜都是沿正南正北方向放置的。

如果天空中有什么出现在它上方,我们就可以看到。因此我们可以全天候地观测整个北半球的天空,进而探测出快速射电暴。因此CHIME望远镜能在一年左右的时间里探测到数百个快速射电暴。

自从运行以来,CHIME已观测到17个新的重复暴,这表明2016年探测到的第一个重复爆发源并不是个例。CHIME望远镜让我们可以探测到全部重复爆发源发出的射电暴。有了这个基础,我们就可以做一些有趣的统计研究。

通过对比重复暴和非重复暴的特点,我们发现,重复爆发源和非重复爆发源可能是两种类型完全不同的天体。快速射电暴可能不止来自某一种类型的天体,而是两种甚至更多种类型的天体。

目前我们正在制作第一个CHIME望远镜快速射电暴目录,记录500多个爆发源。我们还将进行多项研究,比如天空分布 属性分布和散射程度分布,从而破解爆发源在宇宙中是如何分布的,我们对此感到非常兴奋。

7. Steven Weinberg:基本粒子瞄准模型不是最终答案

我是史蒂文·温伯格,今天我想说一说基本粒子标准模型,包括什么是标准模型?我们如何建立了这一模型?我们为什么认为这个模型不完美?以及未来的希望在哪?

理论物理学巨擘、基本粒子标准模型主要奠基人、1979年诺贝尔物理学奖获得者Steven Weinberg

在我读研究生的上世纪50年代,理论物理取得了巨大成就。比如量子电动力学理论的发展,这是一种光的量子理论,讲的是电磁场和电子的相互作用。经过十多年的研究,理论物理学家发现了如何在这个理论下进行计算,并由此计算出了小数点后很多位的预测性结果,而这些计算结果后来也被实验证实了。

实际上,理论和实验之间的吻合程度已经达到最高,比如对电子磁场强度的计算。基于这一成果,我们希望能够对已知的自然界其它基本作用力的研究上也取得类似的突破,比如量子电动力学中提到的电磁力之外的作用力。我们知道有一些强大的作用力让中子和质子结合形成原子核,原子核的直径比原子要小10万倍,而核反应释放的一部分能量也源于这些强大的作用力。

我们都知道弱相互作用发生得很慢,但会导致原子核衰变,衰变时一个中子会衰变成一个质子,并且放射出一个电子和一个中微子。这些作用力的存在就带来了问题,因为量子电动力学并没有对这些作用力做出解释,但我们希望能建立一种类似的理论来解释这些作用力。

我们在上世纪六七十年代开展了相关研究,并给出了一个理论,也就是大家所知的基本粒子标准模型。这个模型将强弱原子力和电磁力包含在了一套公式中,除了我们已知的电磁场,自然界还存在其它11种场。我们已知的大多数自然界基本作用力都与这12种场有关,只有一个特例,我稍后会说到。

除了电子,物质还包含其它多种粒子,比如和电子类似但质量更大的带电粒子。比如和电子类似但表现为电中性的粒子,也就是中微子。再比如组成中子和质子的,参与强作用力的粒子,也就是夸克。一个中子或质子由三个不同类型的夸克组成,关于夸克和电子与中微子等带电粒子,以及12种力场的理论与量子电动力学理论非常类似。如果你不知道有多少种力场和多少种构成物质的粒子,你就很可能分不清这些理论。

那么为什么在上世纪50年代,科学家没有做出标准模型呢?主要是我们在理解上遇到了困难,难点之一就是所谓的“对称破缺”。相比于针对实际现象的计算公式,标准模型的公式看起来大大简化了。

我们需要一些跟踪来证明这一点,还有一种叫做“color trapping”的现象。夸克也有和电荷量类似的量子数代名词,我们称作“色”(“色”量子数是物质世界的一个基本特征)。

“色”荷与电荷的区别在于如果我们把两个带电粒子拉开,即使它们之间相互吸引,但吸引力会随着距离增大而减弱,也就是说吸引力与距离成反比。但在拉开两个夸克时,吸引力会随着距离变大而增强,所以我们永远也无法分开两个夸克。到目前我们的探测器还从没看到过单独存在的一个夸克,它们是无法单独分开的。

我们相信这些观点,是因为我们认同基于这些观点的理论。

理论指出每个中子或质子都是由三个夸克组成的,因此我们就认为夸克是真实存在的。而对于标准模型来说,理解了“对称破缺”和“color trapping”等问题,并解决了这些难点后,这个理论看起来很不错。

到了上世纪七八十年代,粒子物理实验发现了标准模型预测的粒子,从此该模型走进了物理教科书。但为什么我们还是对这个理论不满意?为什么我们要去向政府申请建设更大的粒子加速器和开展更多的实验,从而突破标准模型的界限?

原因有几个方面,一个是标准模型本身有一些需要给定的常数,从而通过理论做出预测。比如,除了电子的电荷量和质量,我们还要知道与电子和夸克类似的所有其它带电粒子的质量,也就是需要从实验中测出理论中给出总共9种粒子的质量。

大家可能会问,有那么难吗?毕竟牛顿在建立太阳系理论的时候,他要做的可是通过观测来得出不同行星轨道的半径,但不是什么都能靠纯理论得出结果的。

现实就是这样,但我们的不同之处在于,太阳系行星运动的参数是随机生成的,但基本粒子的参数不是。这些参数肯定有内在关系,也包含物质创生的奥秘。但我们还不能确定那是什么。

看着这些质量和电荷的数值,它们似乎传递着我们尚无法理解的信息,这就是困扰我们的问题之一。

第二个问题就是我们不但不知道这些数值是怎么得出的,还发现其中一些数值看起来非常奇怪。比如质量比,质量比的数值是像10或100这样的数字,很难想象这是经过计算得出的数值。

还有一些比率也很奇怪,例如标准模型中涵盖的所有粒子的质量标度。比如电子、夸克、具有作用力的粒子等等,它们的质量都取决于同一个质量参数,那就是遍布整个宇宙的某种场的质量参数。这个参数大约是质子(也就是氢原子核)质量的250倍,我们不知道个中原因。

还有一些描述自然界的数字是很不同的,其中之一就是标准模型中没有给出解释的一种作用力,也就是引力。引力很弱,因为我们观察到的能量很小。

引力有一个质量标度,这个质量标度下的粒子相互吸引,其吸引力不亚于原子核内(中子和质子之间)强大的作用力。这一质量标度被称为“普朗克尺度”,是马克斯·普朗克于1900年提出的,普朗克尺度比标准模型中的质量标度大了约16个数量级。

还有一个非常巨大的数值,刚才我曾说到和电荷类似,强弱相互作用力和电磁力的强度取决于类似电荷量的三个数量,它们的作用就像电荷对强弱作用力和电磁力起到的作用。

这三个数量的数值相差很大,最大的那个是其它两个的一百倍左右,但这三个数值都取决于能量。如果从将它们投射到能量上,你会看到它们慢慢地越来越接近,然后在某个能量值,这三个数值汇合到一起了,而这个能量值和普朗克尺度的数值相差并不算大,大概比普朗克尺度小了10或100的因数那么多倍。

所以我说宇宙中数字的尺度是很神秘的,自然界存在四种基本作用力,引力的标度处于一个特别的数量级,而标准模型中研究的其余基本作用力。它们的标度大概比引力的标度小了16或14个数量级,我们称之为“等级问题”。

是什么造成了标度上的等级差异?还有更糟的,如果从另一个方向,也就是从那些非常小的能量标度来看,也有一个标度是我们不理解的。我们知道每个单位体积的真空区域都有一定的能量,但这个能量非常小,而宇宙的空间是巨大的。因此这些能量加起来可以影响宇宙的引力场,进而影响宇宙膨胀的方式。

比如1998年天文学家们发现宇宙在加速膨胀,即有可能是这种能量引起的,现在我们能够估算出导致这种宇宙膨胀加速的能量标度,这个数值大约比标准模型中的能量标度小16个数量级左右,这又是一个奇怪且巨大的数字。为什么会是这样一个数字?我们还是不知道。

最后结尾,我想说点积极的,上世纪50年代读研究生的时候,我很羡慕前辈们在量子电动力学领域取得的成就,而我们这一辈理论物理学家建立了标准模型,将前辈们的成果进一步向前推进。

标准模型解释了自然界存在的所有其它作用力和我们发现的其它粒子,只有引力没有给出解释,我们的工作尚未完成,我们引以为傲的标准模型并不是最终答案。

今天年轻一代的理论物理学家们,你们有你们的使命,那就是解释与自然界不同现象有关的这些巨大的、神秘的数字。祝你们好运!

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