相对论时空结构的极限考验；寻找超高能宇宙线中微子；近视的三种遗传机制 | 一周科技速览

返朴 返朴

点击上方蓝字“返朴”关注我们，查看更多历史文章

目 录

1. 相对论时空结构的极限考验

2. 揭开尘封的巴西噬菌体疗法

3. 研究发现近视的三种遗传机制

4. 雷达回波寻找超高能宇宙线中微子

5. 大鱼吃得越多，鱼的种类越少

6. 中国防控措施或已避免70万例新冠感染

7. 刷手机总是晚睡？有害心血管健康

8. 几纳米粗的导线有发热熔化的危险吗？

9. 量子效应触发的材料反常膨胀

撰文 | 董唯元、杨凌、韩若冰、顾舒晨、刘天同、于槐、太阁尔、姜小满、徐颖

1

相对论时空结构的极限考验

物理学家总是喜欢在极端条件下寻找物理定律的破绽，从而发现理论改进的线索或者验证新理论是否成立。

在地球引力场中，爱因斯坦的相对论其实跟牛顿定律并没什么区别。无论是水星近日点的进动，还是光线经过太阳边缘时的弯折角度，这些支持相对论的实际观测结果，都得拜太阳的强引力场所赐。至于近来才观测到的引力波，更是需要类似黑洞合并这样的极端事件帮忙。

如今诸如量子引力理论或者弦理论等一批新理论，也必须寻找足够极端的环境，才能发现当前理论描述与实际观测的偏差，并借此验证新理论的种种预言。

在试图统一相对论和量子理论的模型中，有些理论将时空的和谐对称视为一种宏观近似，预言在足够微观的尺度上不再有满足洛伦兹协变性的时空结构，即产生所谓LIV（Lorentz invariance violation，洛伦兹不变性的破坏）。尤其是在量子引力的理论中，如果时空本身可以被量子化，那么几乎必然意味着洛伦兹不变性将在某个小尺度上被破坏。如果能够通过观测接近这一尺度，无疑将对相关理论验证提供诸多直接证据。

不过想要触及此类理论预言的极限并非易事，据推算只有在能量接近100TeV量级的光子身上，才能表现出与现有理论的明显差异。这种能量级别足够驱动一辆载重卡车从北京行驶到上海，可想而知将其全部加诸于一个光子之上的难度。不过好在除了在地球上大兴土木地建设高能对撞机之外，那些来自宇宙深处的神秘高能射线，也是我们天然的极限条件实验场。

位于墨西哥塞拉内格拉火山的HAWC天文台，就是这样一座专门观测高能宇宙射线的观测站。HAWC是High Altitude Water Cherenkov的缩写，顾名思义就是在高海拔地区观测水中的切伦科夫辐射，从而寻找超高能射线的踪迹。

2020年3月，HAWC的一个美国和墨西哥联合研究组，在《物理评论快报》（PRL）上发表了他们的最新观测结论[1]。在这篇署名作者近百位的论文中，研究者共观测了来自4个不同源头的宇宙高能γ射线，并对能量范围为10-100TeV的数据进行了分析。很遗憾在所有这些高能射线中，都没有出现LIV的预期证据。

图中四个不同颜色的曲线表示来自4个不同源头的宇宙高能γ射线分布密度（相应的浅色条带表示不确定度），虚线表示预期高能光子的LIV迹象，它们在实际数据中并没有出现 | 图片来源[1]

看来相对论时空的和谐对称之美，还将继续坚守在物理学中。有可能引力的量子化尺度比我们原本预期的更小，也有可能那些弦理论和量子引力的反对者是对的——引力根本无法量子化。

[1] arXiv:1911.08070v2 [astro-ph.HE]

2

揭开尘封的巴西噬菌体疗法

新冠病毒肆虐全球，人们 “谈毒色变”，但其实病毒大家族中存在一些对人类有益的成员，比如“噬菌体”。噬菌体能够感染细菌导致其死亡，从而保护人体免受致病菌伤害。利用噬菌体治疗细菌感染的方法被称为“噬菌体疗法”（Phage Therapy）。早在1920年，法国巴黎就开始使用噬菌体疗法，但随着抗生素的普及，这一疗法渐渐地从西方世界消失。如今抗生素耐药性问题日益严重，噬菌体疗法的复兴被认为是解决这一危机的可行方法。

3月出版的《柳叶刀传染病》杂志刊登了芬兰于韦斯屈莱大学对巴西噬菌体疗法的历史回顾性研究[1, 2]，揭示了由于语言障碍而被国际社会忽视的噬菌体疗法热点，对医学史和噬菌体研究都具有重要意义。

葡萄牙语的历史医疗记录（1915-1952）显示，巴西在噬菌体使用方面有着悠久的历史，是噬菌体治疗的重要践行者，但由于语言障碍迄今鲜为人知。回顾历史可知，从最初对噬菌体产品的大规模检测到常规使用，巴西已经发现了噬菌体治疗痢疾和葡萄球菌感染的安全使用细节。文献中所记载的实际临床数据对于形成现代噬菌体疗法、对抗急性肠道感染和对抗耐药病原体都至关重要。这份关于巴西噬菌体疗法的历史回顾填补了我们对噬菌体治疗的知识空白，为现代研究提供了有用的经验。

[1] https://www.jyu.fi/en/current/archive/2020/03/forgotten-tale-of-phage-therapy-history-revealed-2013-phage-therapy-was-succesfully-used-against-dysentery-and-staphylococcal-infections

[2] Almeida GMF, Sundberg LR. The forgotten tale of Brazilian phage therapy [published online ahead of print, 2020 Mar 23]. Lancet Infect Dis. 2020;S1473-3099(20)30060-8. doi:10.1016/S1473-3099(20)30060-8

3

研究发现近视的三种遗传机制

近视是一种极其复杂的疾病，通常由父母遗传给孩子。根据《自然-遗传学》杂志发表的一篇新研究[1]，现在我们终于得到了足够的“碎片”，可以拼出近视的遗传学全景。

该研究分析了超过50万名志愿者中与视力和近视度数有关的DNA，发现了近450个基因的大约1000个遗传变异，这些变异似乎是众多的中度到重度近视病例的原因。

这项研究发现，近视可能是由光信号通过视网膜传输到大脑的机制引起的。同时，与昼夜节律有关的基因可能是近视的一个重要因素，昼夜节律即调节24小时长睡眠和唤醒周期的内部生物钟。研究者称，以往已经观察到在户外时间较少的人中，近视的发生更为普遍，而昼夜节律的变化很可能就是该现象的解释。

除了参与维持昼夜节律的基因，负责眼睛、头发和皮肤色素沉着的基因也与近视有关。研究者称，以往已经发现一些影响色素沉着的严重遗传疾病会引起眼底变化，并导致严重的近视，但是在更广泛的人群中，色素沉着与近视之间也存在着惊人的关联。

如果患者遗传了足够多的遗传变异，就会发展出近视。基于研究发现的DNA变异的遗传模型，研究者首次成功预测了参与者中75％的近视。

研究者称，遗传标志物的发现在未来可能有助于预测儿童的病情。如果能够研发出近视的预防方法，这些发现或许能够帮助我们识别出风险最高、最需要采取预防措施的人。

[1] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-03/kcl-gpt033120.php

4

雷达回波寻找超高能宇宙线中微子

在南极冰面下两公里处，坐落着全球最大的中微子观测站——冰立方（IceCube）。自2013年冰立方合作组公布累计观测到28个超高能宇宙线中微子后，中微子天文学观测的新时代正式开启。在冰立方中，中微子与核子撞击产生带电粒子，这些带电粒子的速度甚至会超过光在介质中的速度，从而产生切伦科夫辐射，发出蓝色的光学冲击波，科学家据此可以确认中微子行经的痕迹。然而，这种观测方式的有效能量范围在TeV（1012 eV）到PeV（1015eV）之间，要观测更高能量级的中微子，就需要新的观测手段。

近日，在一篇发表于《物理学评论快报》（PRL）的文章[1]中，俄亥俄州州立大学的Steven Prohira研究组运用雷达回波技术，首次在实验室中实现了对模拟中微子事件的确定探测，将现有中微子能量的探测区间推广到了10 PeV以上。

当超高能宇宙线中微子穿过物质时，有时会与物质中的原子核相互作用，形成快速移动的带电粒子簇，这种现象被称为级联。随着这些粒子的速度变慢，它们会使介质中的原子发生电离，留下一团电荷云，通过雷达观测这个电荷云就可以探测中微子。

不过由于中微子被捕捉的几率很小，为快速检验这种概念的可行性，研究人员在美国SLAC国家加速器实验室模拟了高能中微子撞击原子核的级联反应，而不是等待中微子观测站的偶然事件。他们精心选择电子脉冲的能量，使得由此产生的级联与能量为 1019 eV量级的中微子与冰中原子核相互作用产生的粒子级联相当。同时，在垂直于电子束的方向上，他们向级联产生的电荷云持续发射无线电波，并通过多个接收天线监视雷达反射的信号。在扣除掉背景噪声之后，研究人员最终确认了级联的证据。

高能粒子级联中的雷达回波 | 图片来源[2]

这项实验成功实现了对单个粒子级联的雷达回波测量，是非常有突破性的一次实验尝试。接下来要做的，就是将实验室中的新技术应用于真实的自然环境。

[1] Observation of Radar Echoes from High-Energy Particle Cascades”, S. Prohira et al. PHYSICAL REVIEW LETTERS 124, 091101 (2020)

[2] https://physics.aps.org/articles/v13/33#

5

大鱼吃得越多，鱼的种类越少

生物相互作用（biotic interactions）包括捕食、竞争、寄生、共生等。

早在1887年，生物地理学家华莱士（Wallace）就提出，由于低纬度冰川的消失，生物相互作用让更多的物种得以出现和繁殖。之后百年间的类似构想无不围绕两个基本假设：1）捕食作用（predation）在赤道附近最为剧烈；2）捕食强度与物种丰富度成正相关[1, 2]。

然而，最近发表在《自然-通讯》上的一项研究为驳斥这两条假设提供了证据。研究者发现：1）远洋鱼类的捕食强度在温带（而非热带）最为激烈；2）捕食强度与海洋中鱼类的物种丰富度成负相关。至少对于远洋鱼类，经典的物种相互作用与纬度之间的关系也许并不适用[3]。

研究人员获取了多个海洋过去55年间远洋延绳捕鱼的数据，并将海洋区域划分为5°×5°（经度×纬度）的方形区域进行比较，发现温带地区的捕食作用比热带地区更为剧烈，而且在南半球较为显著。虽然这些年间过度捕捞导致总体捕食强度有所降低，但温带>热带的模式并没有太多变化。

1960-2014年间不同海洋区域大型鱼类相对捕食强度的比较：通过把海洋划分为多个方形区域进行比较，研究人员发现温带地区的捕食作用更为激烈，且这一特点在南半球较为显著 | 图片来源[3]

此外，在南纬40°至北纬40°之间（该区域远洋鱼类为主要捕食者），除西太平洋外，东太平洋、印度洋和大西洋中鱼类物种的数量与大鱼捕食的强度均呈明显的负相关，而非之前认为的正相关。

此类研究将为物种丰富度的产生和维持提供新的研究方向和思路。

[1] Schemske DW, Mittelbach GG, Cornell HV, Sobel JM, Roy K. Is There a Latitudinal Gradient in the Importance of Biotic Interactions? Annu Rev Ecol Evol Syst. 2009 Dec;40(1):245–269.

[2] Coley PD, Kursar TA. Ecology. On tropical forests and their pests. Science. 2014 Jan 3;343(6166):35–36.

[3] Roesti M, Anstett DN, Freeman BG, Lee-Yaw JA, Schluter D, Chavarie L, et al. Pelagic fish predation is stronger at temperate latitudes than near the equator. Nat Commun. 2020 Dec;11(1):1527.

6

中国后期防控措施或已避免70万例新冠感染

自2019年12月新冠病毒疫情暴发以来，截至2020年4月3日，全世界已有205个国家和地区出现新冠感染病例，累计确诊1010702例，死亡51688例[1]。目前，各国防控力度不一。2020年3月31日，北京师范大学田怀玉研究团队联合普林斯顿大学以及牛津大学等科研团队在《科学》杂志发表研究性论文[2, 3]，明确指出实施封城、禁止公众集会等干预措施能够有效遏制新冠病毒的传播。

该研究根据我国发布的新型冠状病毒肺炎（COVID-19）疫情数据中的病例报告、人员流动和公共卫生干预措施等相关数据，调查了实施干预措施的类型和时间对COVID-19的传播和控制的影响。研究发现，武汉封城措施减缓了病毒向其他城市的传播（2.91天）。与暴发后才开始实施干预措施的城市相比，及早采取措施的城市在疫情暴发的第一周的病例平均减少33%。暂停市内公共交通，关闭娱乐场所和禁止公共聚会等措施能够有效减少病例的发生。全国应急响应减缓了新冠病毒在中国的传播速度，减少了新冠病例的数量，并限制了流行的规模，截至2月19日（第50天）避免了全国范围内超过七十万病例的发生。

这一结果对仍处于COVID-19暴发早期阶段的国家具有参考意义。此外，尽管中国国内的疫情现状已相对明朗，但仍不能放松管控，以免疫情死灰复燃。

[1] https://mp.weixin.qq.com/s/0NiOfcY0CgWl0c3vdfAt9A

[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-03/ps-ccm033120.php

[3] https://science.sciencemag.org/content/early/2020/03/30/science.abb61

7

刷手机总是晚睡？有害心血管健康

睡眠不足会导致各种健康问题，每天至少7个小时睡眠对健康的意义已经是科学常识。可是，在一个流行刷朋友圈点赞的世界里，在一个居家办公24小时在线的世界里，在一个被笔记本/平板电脑/手机等移动设备包围的世界里，我们很难对拖延睡眠说No。

不仅缺觉会诱发各类疾病，而且根据美国圣母大学的最新研究[1, 2]，每天不能按时入睡也会对健康产生影响。研究人员利用可穿戴设备，在4年中收集了圣母大学557名学生的255,736条睡眠数据。通过对睡眠时间的规律性和静息心率之间的关系进行分析，研究人员发现，即使只比正常入睡时间晚睡30分钟，静息心率也会显著的升高，这种升高在随后的几天也会持续。而且，当人们比正常时间越晚入睡，其静息心率在随后的几天里就会越高。正常入睡时间定义为一个人平常就寝时间的前后半个小时。

那么早睡会如何？结果令人惊讶，早睡也会导致这一现象。若只是早睡半个小时，这种影响很轻微，但若是早睡半小时以上，则会显著提高静息心率。早睡的影响相对晚睡来说要小一些，在睡眠过程中静息心率的变化会得到恢复。

研究者称，即便每天保证7小时的睡眠，但如果不是每天在相对固定的时间点就寝，静息心率就会上升。因此，尤其对于需要倒班或者经常国际旅行的人来说，保证正常的作息时间表很重要。

[1] https://news.nd.edu/news/past-your-bedtime-inconsistency-may-increase-risk-to-cardiovascular-health/

[2] https://www.nature.com/articles/s41746-020-0250-6

8

几纳米粗的导线有发热熔化的危险吗？

随着科学技术的不断进步，电子芯片中元件的尺寸越来越小，正在逐渐逼近摩尔定律的极限，这带来了很多技术上的难题。例如，金属导线在电流通过的时候会发热，因此会产生极轻微的热膨胀。对于宏观物体来说这可能并不是什么严重的事情，但工程师们担心，在导线只有几纳米粗的时候，这种热膨胀带来的压力可能会让纳米尺度的金表现出液体的性质，进而影响器件的可靠性。

电路芯片 | 图片来源[1]

但近日斯坦福大学的研究人员在发表于PRL的一项研究中表明[2]，4 nm大小的金纳米颗粒在高压下仍然体现出固体的特性。研究者们首先借鉴铁砧，设计了一个叫做“钻石砧”的装置，从而能够给金纳米颗粒施加7.5GPa的压强（约等于7万个大气压），并原位测量其结构受损情况。

金纳米颗粒中的原子就像摩天大楼一样层层堆叠，在钻石和砧板的强大挤压下，金晶格中的一些原子会脱位形成缺陷。而当照射X光时，未经挤压的和有缺陷的金纳米颗粒对X光的反射角度不同，根据这一点我们就可以测量挤压后金纳米颗粒的形变。一个重要的结果是，撤去压力后金纳米颗粒中的缺陷仍旧存在，这说明在这样的尺度和压力下，金纳米颗粒仍然是固体，而没有发生之前人们担心的液化现象。因此，在可预见的将来，芯片制造商们似乎仍然可以继续使用金来制作芯片中的导线。

[1] https://www.militaryaerospace.com/trusted-computing/article/14035222/trusted-computing-microelectronics-manufacturing

[2] Parakh et al., Nucleation of Dislocations in 3.9 nm Nanocrystals at High Pressure.Phys. Rev. Lett. 124, 106104

9

量子效应触发的材料反常膨胀

水在结冰后体积会增加，可是飞机上的很多金属部件会面临相反的问题——在高海拔（低温）下它们会收缩。为了避免这种收缩带来的灾难，工程师将具有相反膨胀系数的材料制成合金，来平衡不同温度下的体积变化。

虽然水是一种最为常见的材料，但像水一样随着温度降低反而膨胀（负热膨胀）的材料事实上非常少见。近日，一种材料负热膨胀的机理得以阐明[1, 2]，这种材料就是钇（Y）掺杂的硫化钐（SmS）。随着外界温度、压力等条件的不同，这种材料既可以是金色的金属，电子在其中自由移动，也可以是黑色的半导体，只允许部分电子移动。其中金色的金属态会在低温下膨胀。

X射线衍射实验说明，当温度降低时，材料中的原子会相互远离，造成最多达3%的体积膨胀。而X射线吸收光谱揭示出，之所以出现这种膨胀，是由于材料中的电子会进入钐原子的最外层，使得电子云因此变大，造成体积膨胀。

这一现象可以由“近藤效应（Kondo effect）”解释。该效应指出，电子会与磁性杂质作用，使电子自身的自旋与磁性杂质的磁矩方向相反，从而抵消磁矩。在硫化钐中，钐的最外层电子接近半满，每一个钐原子就类似一个磁性杂质，而金属态中的自由电子就可以接近并抵消这些磁矩。

在降温时，电子填充造成硫化钐膨胀｜图片来源：Brookhaven National Laboratory

[1] https://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=117135

[2] D. G. Mazzone et al. Kondo-Induced Giant Isotropic Negative Thermal Expansion. Phys. Rev. Lett. 124, 125701 (2020)

当当当～看完来投票吧～

《返朴》新冠病毒专题

上下滑动可见全部报道

经 验 与 反 思

专访汤胜蓝教授：疫情直报和院内感染两大顽疾怎么破？

117疫情观察 | 颜宁·普林篇·Ⅰ

各国防疫反映的国际关系：为何预想的全球合作没有出现？

新药研发专家的抗疫日记：愿临床数据不再引发悲剧 | 117三人行

问世快，上市慢，量产还难说：新冠疫苗何时拯救人类？

全球疫情高峰何时到来？多久能结束？硬核主任张文宏全面解读

各国实验室趋于寂静，科研人员做好准备应对疫情的长期干扰

中国第一波、欧美第二波，还会出现第三波大疫情吗？

新冠阴影下的德国抗疫百态：二战以来最大挑战

各国抗疫作业自己做，中国该如何应对输入压力？

专访公共卫生专家汤胜蓝：WHO正在失去主角光环

波士顿新冠暴发危机：Biogen年会病毒大传播始末

世卫组织：新冠疫情已成“大流行”，总干事怎么说？

曹彬：抗新冠病毒治疗有药可期

天花是怎么消灭的？一场众多孤儿活体接力的救世壮举

武汉疫情暴露政府治理能力短板，突破口何在？

中国延缓了病毒的全球传播，各国公卫比拼才刚刚开始

新冠病毒源于美国？“专家”到底错哪

武汉一线专家详解新冠肺炎死亡病例：他们是窒息而死，过程很痛苦

悲剧换来制度的改革：记制药史上最悲催的一次临床实验

非典之后，为什么这些治愈的病人更绝望了？

彻底扑灭百年不遇的烈性传染病，1920年是如何做到的？| 展卷

血浆治疗是“稻草”还是“神药”？专家：谨慎乐观，尊重科学

中国疾控中心原副主任：反思此疫，中国疾控该改革了

控制疫情，现在最大的挑战是时间 | 专访清华药学院院长丁胜教授

前夜：新冠病毒传播时间线详解 | 117三人行

应对疫情，春运人口回流情况如何？基于春节前人口流动模拟的预测

赵国屏院士：科研、疾控和临床缺乏协同，希望这是“最后一次教训”

这些野生动物的病毒怎么就到了人类社会？为何现在比过去多那么多传染病呢？

需要评估“封城”的影响；尚无经验证的疗法 | 世界卫生组织新闻发布会实录

专家呼吁：避免重复检测新冠病毒，不确诊不应影响治疗 | 117三人行

专家讲解新型冠状病毒的检测 | 117三人行

对抗新型冠状病毒，能从抗击非典中汲取什么经验？

硬 核 科 普

“死神”蝙蝠是如何与病毒共舞的？

全球遭遇新冠检测难题，多国专家联合支招

警惕！不应过度解读新冠病毒基因序列分析

莫被误导！准确理解新冠病毒可能分为两种类型，且在暴发早期就已并存

除了紫外线，这些光也可以杀死病毒

全世界只有少数实验室能接触新型冠状病毒，它们长这样

传播力胜过SARS，需要担心新冠病毒变异吗？

炎症风暴：人体免疫系统，是怎样反噬自身的？

给你的生物网课加点料：世界最大冷冻电镜基地给青少年的7个科普锦囊

中国结构生物学家发力：揭示新冠病毒侵染人体细胞瞬间

西湖大学团队成功解析新冠病毒细胞受体的空间结构

以史为鉴：也说新冠肺炎的血浆疗法

有抗体就能清除病毒吗？认识抗体的复杂性

宅在家里不动，你的身体会发生什么变化？

病毒，那条静止的河流

新冠病毒是人造的？专家教你告别阴谋论

武汉新型冠状病毒的进化来源和传染人的分子作用通路

Remdesivir到底是不是治疗新型冠状病毒的“神药”？

为什么新型冠状病毒疫苗肯定会研制成功？

抗新冠病毒的药物为何还没研发出来？

权威观点：治疗冠状病毒感染，新药开发为啥那么难？

中间宿主亟待确定！武汉病毒所确证新冠病毒极大可能源自蝙蝠

比起流感，为什么全世界更害怕新型冠状病毒？

科 学 防 护

肺炎恐慌下，如何保护自己和家人？｜6个心理防护方案

吸烟能预防新冠病毒感染？事实可能正相反

怎样应对新冠病毒空气传播？| 117三人行

冠状病毒在体外可以存活多久？| 117三人行

开工在即，面对新冠病毒，如何练成“百毒不侵体”？

怎样安全吃喝拉撒？旅途最全防护指南请收好

一次性医用口罩怎么做出来的？如何消毒？

世卫组织建议：如何在家护理疑似新冠感染者？附正确的打喷嚏、洗手方法 | 摸象记

病毒来袭，科学家告诉你这样选口罩 | 117三人行

特 别 提 示

1. 进入『返朴』微信公众号底部菜单“精品专栏“，可查阅不同主题系列科普文章。

2. 『返朴』提供按月检索文章功能。关注公众号，回复四位数组成的年份+月份，如“1903”，可获取2019年3月的文章索引，以此类推。

相关阅读

1 何时封城抗疫效果最佳；哪种病毒检测方法最有前途？“超越”黑体辐射极限的发光材料| 一周科技速览

2 搜寻轴子的比赛；达尔文进化理论的新证明；探测地球周边的暗物质 | 一周科技速览

3 一个对称性解释三个宇宙学难题；引力波碰撞会发光？粘液霉菌助力寻找宇宙网 | 一周科技速览

4 新的暗物质候选粒子；薛定谔之猫的逆问题；治疗新冠的关键策略 | 一周科技速览

5 光电作用中的新粒子；少吃点儿真能促进长寿么？| 一周科技速览

近期热门

1 琥珀中的“史上最小恐龙”，也许是史上最大乌龙

2 对抗新型冠状病毒，能从抗击非典中汲取什么经验？

3 2020沃尔夫数学奖得主Eliashberg：找到正职前的两年是我做数学的美好时光

4 对付癌症, 是否都该早发现, 早诊断, 早治疗？

5 曹则贤跨年演讲：什么是量子力学？∣ 贤说八道

↓↓↓长按下方图片关注「返朴」，查看更多历史文章

原标题：《相对论时空结构的极限考验；寻找超高能宇宙线中微子；近视的三种遗传机制 | 一周科技速览》

阅读原文