光电作用中的新粒子；少吃点儿真能促进长寿么？

2. 猫主子难伺候？来点音乐试试

3. 如果能像控制电子一样控制光子，未来芯片将酿成怎样？

4. 少吃点儿真能促进长寿么？

5. 地球形成的速度快得“超乎想象”？

6. 癌细胞染色体异常未必是坏事

7. 离奇的量子概率

8. 慷慨or自私？神经元舞蹈中找谜底

撰文 | 董唯元、顾舒晨、刘航、洪俊贤、姜小满、陈航、韩若冰

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光电作用中的新粒子

相识引力定律和空气阻尼是一回事，盘算一片树叶飘落的时间和落点则是另一回事。当简练优雅的基础理论应用于凝聚态物理中的详细问题时，类似的情况就会泛起，种种各样的修正项会使局势异常庞大。课本上寥寥几个字母的哈密顿量表达式，在现实中经常酿成占据半页纸的数学符号宏篇。

数学盘算的繁冗尚且可以交给盘算机处置惩罚，真正的难题在于，如何找到合适的模型来定量地构建这些修正项。一方面，讨论理想情况时忽略的那些次级相互作用在现实情境中往往大到不行忽略；另一方面，研究者希望寻找的新奇特性也往往藏匿于微妙的特殊相互作用之间。因此，构建既足够周全又详略恰当、使盘算可行还能展现特定物理性质的模型，就成为了凝聚态研究者们各显神通的竞技场。

仅在半导体光电作用方面，常见的多体模型就有Hubbard模型、扩展Hubbard模型、Falicov-Kimball模型、Pariser-Parr-Pople模型……等等。每一个乐成的构建都可以用提出者的名字来命名，足见此类问题的难度和重要性。

除了种种模型理论，研究者还会引入许多准粒子。例如，电子受激跃迁后会在原能级留下一个空位，它对系统中其他粒子的作用在数学上就等效于带一个单元正电荷的虚拟粒子，于是“电子空穴”就成了凝聚态研究者最经常使用的准粒子之一。类似这样具有数学等效性的准粒子另有许多，它们不仅可以资助简化凝聚态物理自己的研究，还同时辅助和启发了许多理论物理的研究事情。

最近，一个欧洲研究团队在半导体光电作用的仿真模拟中，意外地发现了一种性质很是有趣的准粒子[1]。这种准粒子其实是两个形影相随的电子空穴对，他们被电荷密度波“拉拢”在一起，前后相位差一直保持在180°（π），所以研究团队就将这种准粒子命名为π粒子（π-ton）。

两种准粒子的物理历程示意图（上）和费曼图（下）。左边的图表现激子（exciton），入射的光子（黄色海浪线）引发质料中的电子，形成一个电子-空穴对（空心和实心圆圈），电子和带正电的空穴之间具有库伦作用（红色海浪线），它们相互联合并释放出一个光子。右边的图则表现两个电子-空穴对形成的π粒子[1, 2]。

随后研究团队又实验了数种其他模型举行仿真，效果都发现了这种奇特的粒子。这就如同动物学家在差别地理和气候条件的森林里，都发现了两只原本独居的小兔子突然手拉手并排行走的特殊习性。这说明我们原本对兔子习性的相识一定存在缺失。

事实上，整个量子理论都缘起于100多年前人们对光与物质相互作用的探索，爱因斯坦就是因1905年那篇光电效应方面的论文而获得1921年的诺贝尔奖。近100年来，量子理论的生长又反过来进一步加深了半导体光电效应方面的研究，并因此在质料科学、信息技术、新能源和现代工业等领域目不暇接地收获着巨量结果。这次仿真模拟中发现的π粒子，如果能够在实验中得以验证，就立刻可以应用于新型光伏质料的开发，极大提升现有质料的性能效率。

[1] DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.047401

[2]https://physicsworld.com/a/introducing-the-%cf%80-ton-which-could-be-the-newest-known-quasiparticle/

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猫主子难伺候？来点音乐试试

带不循分的猫主子去看兽医可以说是紧张又刺激。美国路易斯安那州立大学研究团队的新研究给宽大铲屎官们带来了好消息：播放适用于猫咪的音乐，可以有效地资助猫咪放松平静[1]。

音乐有助于身心平静的看法已经深入人心。此前也有研究发现，全麻状态的猫对音乐依然会有生理响应，听到古典音乐时也似乎越发放松平静[2, 3]。在最新的这项研究中，科研团队思量到猫与人类听觉的差异，凭据猫发出的有亲和性的声音，如呼噜声、吮吸声，以及猫发声音域的近似频率，挑选了特定的“撸猫音乐”。在实验中，20只宠物猫每隔两周接受一次体检，每次随机播放“撸猫音乐”、古典音乐或无音乐，之后划分检测猫的压力指数、反映得分和生理应激等指标。研究发现，“撸猫音乐”可以有效地减小宠物猫的压力，使其镇静；相比之下，古典音乐和平静情况则无此效果。

这一发现[4]讲明，特定的音乐不仅有助于提高猫咪的幸福感，也可以资助兽医们抚慰就诊猫咪，从而做出更准确的诊断。

爱猫的朋侪们，你们心动了吗？

[1] Hampton A, Ford A, Cox RE III, et al. Effects of music on behavior and physiological stress response of domestic cats in a veterinary clinic. J Feline Med Surg 2020; 22: 122-128. https://journals.sagepub.com/doi/full/10.1177/1098612X19828131

[2] Mira F, Costa A, Mendes E, et al. A pilot study exploring the effects of musical genres on the depth of general anaesthesia assessed by haemodynamic responses. J Feline Med Surg 2016; 18: 673-678.

[3] Mira F, Costa A, Mendes E, et al. Influence of music and its genres on respiratory rate and pupil diameter variations in cats under general anaesthesia: contribution to promoting patient safety. J Feline Med Surg 2016; 18: 150-159.

[4] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-02/s-tm022420.php

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如果能像控制电子一样控制光子，未来芯片将酿成怎样？

盘算科学的下一个纪元将依赖于科学家控制光子的能力。我们现在能广泛地使用电子盘算机，是因为人们已经掌握了准确控制电子的技术。为了生长量子盘算机这样的未来科技，科学家们也努力实验找到方法来控制光的基本粒子——光子。电子间的相互作用力简朴明晰，光子却不像电子那样容易操控。

令人兴奋的是，日前斯坦福大学向导的一个团队首次实验使用赝磁力的方法来准确控制光子，并将研究结果揭晓在近期的《科学》杂志[1, 2]上。在短期内，这种控制机制可以通过光缆传输更多的互联网数据。在更远的未来，这一发现将很有可能被用于制造基于光的芯片，其盘算能力将远大于电子芯片。

那么研究人员是如何实现了对光子的操控呢？实际上，他们欺骗了本质上非磁性的光子，使其体现出了类似带电电子的行为，通过将光子送进经心设计的仪器迷宫，从而使光子被所谓的“合成”或“人工”磁场所影响。仪器能以可预测的方式发生磁力，推动光子运动。通过引入合成频率维度上相互作用的哈密顿量，进而实现量子模拟和量子信息处置惩罚。

实验中用到的调制环形谐振器。

芯片存储信息主要牵涉到控制粒子的可变状态。对于电子芯片，我们通过打开和关闭芯片中的电子，以建立数字“0”和“1”来实现存储。对于基于光的芯片，我们可以使用磁力来控制光子的频率（或能级）和自旋等，以发生比简朴的开关电子更多的可变状态。与电子芯片相比，这些可能的可变状态将使科学家能够在基于光子的设备上处置惩罚、存储和传输更多的数据。

[1] https://engineering.stanford.edu/magazine/article/what-if-we-could-teach-photons-behave-electrons

[2] Dutt A, Lin Q, Yuan L, et al. A single photonic cavity with two independent physical synthetic dimensions[J]. Science, 2020, 367(6473): 59-64.

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少吃点儿真能促进长寿么？

节食真能延年益寿吗？这是一个争议多年的科学问题。以往的研究认为，在不造成营养不良的情况下限制饮食可以促进长寿基因的表达、延缓衰老及相关疾病的发生。现在的进化理论认为，人或动物在食物供应不足时会改变生存计谋，促进机体修复，调整机体状态，等候未来食物供应富厚时更好地吸收使用。然而，克日一项新的研究结果[1, 2]对该理论提倡了挑战。

来自英国谢菲尔德大学和布朗大学的科学家通过果蝇实验发现，先限量供食、后足量供食的果蝇与一直足量供食的果蝇相比更容易死亡，且产卵数量也更少，这与先前的理论相悖。节食后的果蝇机体并没有调整至越发适应食物增加、从而提高生存和生产能力的状态，而是在限制饮食的状态下趋于死亡。因此科学家认为，与其说限制饮食促进了机体修复，促进了长寿，倒不如说它只是制止了过量饮食对机体造成的伤害。该研究还讲明，在某些情况下重复或突然地改变饮食也倒霉于康健。

饮食对康健有着庞大的影响，但现在我们依然不清楚这种影响的详细机制。这项研究为康健饮食提供了新的看法，这将资助人们越发明白饮食与康健的关系，促进人类康健长寿。

[1] Andrew W. McCracken, Gracie Adams, Laura Hartshorne, Marc Tatar and Mirre J. P. Simons. The hidden costs of dietary restriction: Implications for its evolutionary and mechanistic origins. Science Advances.21 Feb 2020:Vol. 6, no. 8, eaay3047

[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-02/uos-nrc022020.php

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地球形成的速度快得“超乎想象”？

人类探寻地球起源和演化之谜的脚步从未停歇。18世纪的天才科学家康德和拉普拉斯提出了地球形成的热星云说，这一学说统治着地学界二百年而不衰。20世纪六七十年月，前苏联科学家Safronov破除前见，提出了地球起源的星子假说，经由后世科学家的不停完善，现已形成一套被学术界普遍接受的星子随机碰撞吸积理论，即冷星云说[1]。冷星云说认为，地球主要由一套具有独立化学身分组成的硅酸盐质星子群随机碰撞吸积而成。然而，最近揭晓在《科学-希望》（Science Advances）杂志的文章[2]对这一学说提出质疑。

哥本哈根大学地球研究所恒星和行星形成中心的Martin Schiller主导了这项研究。凭借迄今为止科学界最精准的铁同位素丈量手段，Schiller对差别陨石中金属元素的同位素混淆物举行了丈量。在众多陨石中，他仅仅只发现一种组成与地球相似的陨石物质——所谓的CI球粒陨石。Schiller认为，如果地球的主要形成阶段真是一个随机碰撞吸积的历程，好比你将物体打碎并混淆在一起，那么你会获得所有工具的混淆物，而不是仅仅只有一种被称为CI球粒陨石的物质与地球成份相似。

基于此，Schiller对地球形成的时间举行进一步的斗胆预测。他认为，地球的形成历程要比由空间中物体间的随机碰撞吸积的形成历程快得多。传统看法所认为的地球形成时间，即随机碰撞吸积历程往往连续数千万年， 而Schiller则认为，在约莫500万年的盘状生命周期中，地球就已经通过吸积这些富含挥发性的类CI物质快速形成。

Schiller表现[3]，如果将太阳系存在的约46亿年的时间类比为一天的24小时，那么传统理论认为地球形成的时间约莫相当于5-15分钟，而新的效果讲明这一历程需要的时间只相当于90秒。

[1] 欧阳自远，《天体化学:地球起源与演化的几个关键问题》。

[2] Schiller, Martin, Martin Bizzarro, and Julien Siebert. "Iron isotope evidence for very rapid accretion and differentiation of the proto-Earth." Science Advances 6.7 (2020): eaay7604.

[3]https://healthsciences.ku.dk/newsfaculty-news/2020/02/the-earth-formed-much-faster-than-previously-thought/

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癌细胞染色体异常未必是坏事

癌细胞以其基因杂乱而污名昭著。癌细胞通常包罗大量的DNA突变，而且大多存在染色体数目异常。一些晚期肿瘤甚至会泛起含有100多条染色体的细胞，而正常体细胞中仅有46条染色体。

缺失的或分外的单条染色体会造成一种称为非整倍性（aneuploidy）的异常。以往的研究讲明，高水平的非整倍性与癌症的侵袭性和患者预后不良有关。然而，美国冷泉港实验室的研究人员揭晓在《发育细胞》杂志上的新研究[1]称，并不是所有的非整倍性都能促进癌症希望，某些非整倍性反而抑制了癌症的转移能力。

研究人员对一组人类细胞做出了革新，使每个细胞都含有一条差别染色体的分外拷贝，并保证细胞在其他各方面相同。由于高度侵袭性的癌细胞往往是非整倍体，因此研究人员预计，所有或大多数非整倍体都市有助于癌症的转移行为。然而实验室的测试效果令人惊讶，非整倍性和癌症的转移性体现出了更庞大的关系，差别的染色体会发生种种差别的影响——某些分外的染色体对癌症转移没有影响，而另一些实际上抑制了转移。

研究小组对患者临床数据的分析也显示出类似的情况。虽然总体而言，非整倍性水平高的癌症患者生存率最差，但某些染色体的分外拷贝与患者的生存率增加相关，只不外这些有益的染色体异常比起不良的异常更少见。

[1] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-02/cshl-eci022120.php

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离奇的量子概率

量子世界由概率统治，这一点已为人所熟知。然而与我们日常体验的一般随机概率纪律相比，量子世界的全同性和非定域关联关系使得其概率漫衍纪律更为奇特。好比在统计中最常使用的正态漫衍，在量子世界中就经常遭遇种种陷阱。

举个简朴的例子来体会一下全同性带来的影响：随机向两个碗中扔三个乒乓球，知识告诉我们，泛起一个空碗的概率只有25%；然而若将乒乓球换成光子或者其他波色子，泛起空碗的概率就会酿成50%！

至于叠加态和量子纠缠造成的非定域关联对概率漫衍造成的影响就更为奇特。就连我们最经常使用的乘法原则，P(A, B)=P(A)P(B)，都无法愉快地使用了。这也正是著名的贝尔不等式，以及与其等效的CHSH不等式在量子世界中不再建立的基础原因。

在量子盘算和量子通讯蓬勃生长的当下，这些特殊的概率属性正变得越来越重要。如果多个量子间存在纠缠关联，那么系统的随机统计将体现“非高斯性”（Non-Gaussianity）；如果发生退相干或纠缠关系被破坏，则非高斯性就会削弱甚至彻底丢失。可见，非高斯性是量子盘算和量子通讯系统的重要康健指标之一。

可是，定性容易定量难。如果同一系统，一会儿遵循高斯钟形曲线，一会儿又不遵循，该如何轻便快速地甄别呢？尤其贫苦的是，有些貌似“非高斯”的曲线，其实是由多条高斯钟形曲线错落叠加而成，如果不审慎充实地举行分析，很难将这些伪康健与真正的康健快速区隔。

这一困扰着诸多研究机构和国际知名企业的技术问题，最近竟然被一个名不见经传的海内研究团队乐成破解。2020年1月底，《欧洲物理期刊D》揭晓了一篇论文[1]，题目为“A method for efficiently estimating non-Gaussianity of continuous-variable quantum states”（高效评估一连值量子态非高斯性的方法），作者是来自中国湖南怀化学院的一个研究小组。

别看这个朴素的研究小组至今仍使用着163.com后缀的邮箱，论文中也没有志自得满地为自己的方法命名，可是他们所提出的方法却确实展现了很是优秀的特点。不仅兼容性很是广，险些对所有非高斯性的子类都有效，而且盘算庞大度和便捷度方面也显着优于现在的所有其他方法。

[1] Xiang S H, Zhao Y J, Xiang C, et al. A method for efficiently estimating non-Gaussianity of continuous-variable quantum states[J]. The European Physical Journal D, 2020, 74(1): 16.

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慷慨or自私？神经元舞蹈中找谜底

途经乞讨者时，为什么有人慷慨解囊，有人冷漠走过？慷慨和自私的生物学起源恒久令神经科学家着迷。作为群居动物，灵长类依赖于互助；然而在资源匮乏或追求职位时，自私往往会胜出。美国耶鲁大学的研究者2月24日揭晓于《自然神经科学》杂志的一项新研究[1, 2]发现，这种现象的谜底可能藏在大脑两个特定区域之间庞大而有节奏的神经元舞蹈（neuronal dance）中。

影像学研究显示，大脑中许多区域都与做出分享决议相关。耶鲁大学心理学和神经科学助理教授、论文的第一作者 Steve Chang和他的同事设定了差别场景，让猴子决议是否与其同伴分享果汁，并主要视察猴子大脑中杏仁核（大脑的一个相对原始的区域）与内侧额叶皮层（该区域卖力发生更深思熟虑的想法）之间的神经元运动。

在一个场景中，猴子要决议把果汁分享给同伴或是扔掉。在另一个场景中，猴子可以选择独自喝果汁或和同伴一起分享。效果猴子们更偏向于独自喝果汁。可是，如果第二个场景是看着果汁被扔垃圾桶，猴子们就更愿意把果汁分享给同伴。两种情况下，研究人员都发现了大脑两个区域之间的神经元运动相互作用的差别模式。当猴子体现得慷慨或亲社会时，两个脑区之间的相互作用高度同步；当它们体现得反社会时，这种同步率显着降低了。研究者们发现，可以通过这种同步率的差异来预测猴子们的决议，只需要检察神经元数据即可。

该研究还发现了大脑在决议历程中的其他分化特征。好比，当动物做出亲社会或反社会决议时，神经元相互作用的传输频率差别，频率巨细由神经元触发的大脑区域决议。

“我们发现了一种神经同步率的奇特特征，它能反映大脑做出了亲社会还是反社会的决议，”Chang说。“我们都知道慷慨水平存在个体差异，也许吝啬鬼就是没有很高的同步率。”

[1] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-02/yu-wmc021920.php

[2] Dal Monte, O., Chu, C.C.J., Fagan, N.A. et al. Specialized medial prefrontal–amygdala coordination in other-regarding decision preference. Nat Neurosci (2020). https://doi.org/10.1038/s41593-020-0593-y

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