目 錄
1. 引力如何拯救薛定諤的貓？
2. 持久反社會，大腦有問題
3. 電子：我也可以像軟物質
4. 新技術讓我們聽見癌細胞之間的悄悄話
5. 出乎意料的K介子衰變事件會導向超出標準模型的新物理嗎？
6. 越吃越瘦，從豐盛的早餐開始
編譯 | 董唯元、顧舒晨、劉航、洪俊賢、姜麗佳
1
引力如何拯救薛定諤的貓？
量子疊加態的詭異，被薛定諤提出的那隻既死又活的貓表達得淋漓盡致。一方面，在量子尺度上代表不同可能性的多種量子態同時存在；另一方面，每種微觀量子態所對應的宏觀狀態卻無法同時存在。這一被稱為QSMDS（quantum superpositions of macroscopically distinct states，宏觀可區分態在量子尺度的疊加）的古怪事實，逼迫著研究者們不斷提出各種理論解釋。
除了多世界理論、哥本哈根詮釋、隱變量理論等各類解讀，還有一類名為客觀塌縮的理論。這類理論認為，所謂的波函數“塌縮”過程，其實是從量子尺度到宏觀尺度的“演化”過程。就像幹細胞演化成不同的組織細胞一樣，量子尺度的疊加態也會自發地演化為不同的本徵態，從而與那些宏觀經典態嚴格對應。
最早提出量子態可以自發塌縮的是Giancarlo Ghirardi、Alberto Rimini和Tullio Weber，他們在1985年提出的這一理論，就以三位研究者的首字母命名為GRW理論[1, 2]。後來這一理論在解決了對稱性方面的問題之後，在1990年左右發展為CSL（continuous spontaneous localization，連續自發投影）理論[3]。
與GRW/CSL理論並列的另一個客觀塌縮詮釋，來自於著名學者彭羅斯（Roger Penrose）。他受到量子引力方面研究工作的啟發，在1996年左右提出：引力會導致波函數塌縮[4] 。他還勇敢地將這一非常前沿的認識寫入了面向大眾的科普讀物《皇帝新腦》，以致於很多非相關專業的讀者如墜煙霧，一片茫然。
客觀塌縮詮釋的最新理論進展，來自於法國學者Franck Laloë。他在今年2月發表的論文[5]中，綜合吸收了GRW/CSL理論和彭羅斯理論的研究思路，提出了非常清晰易懂的由引力作用造成波函數塌縮的理論模型。具體而言，就是在引力常數中添加一個很小的虛數部分，就可以直觀地推導出波函數演化過程。
作為解決QSMDS問題的實例，Franck Laloë在論文中甚至直接計算出薛定諤之貓的塌縮時間大約為10-6秒。過程如此之短，難怪我們從未在宏觀世界中遇到過一隻處於既死又活疊加狀態的貓。
當然客觀塌縮理論的研究目的，並不只是為了解救這隻可憐的小貓。其更為深遠的意義，在於幫助我們改善對量子世界種種奇特屬性的理解和認識。如果不依靠玄不可及的平行世界，也可以符合邏輯的理解所有自然規律，也許會令科幻迷們略感失望，但對物理學家來說則肯定是一種福音。
[1] Ghirardi, G.C., Rimini, A., and Weber, T. (1985). "A Model for a Unified Quantum Description of Macroscopic and Microscopic Systems". Quantum Probability and Applications, L. Accardi et al. (eds), Springer, Berlin.
[2] Ghirardi, G.C., Rimini, A., and Weber, T. (1986). "Unified dynamics for microscopic and macroscopic systems". Physical Review D. 34: 470. Bibcode:1986PhRvD..34..470G. doi:10.1103/PhysRevD.34.470.
[3] Ghirardi, Gian Carlo; Pearle, Philip; Rimini, Alberto (1990-07-01). "Markov processes in Hilbert space and continuous spontaneous localization of systems of identical particles". Physical Review A. 42 (1): 78–89. Bibcode:1990PhRvA..42...78G. doi:10.1103/PhysRevA.42.78. Retrieved 2013-10-07.
[4] Penrose, Roger (1996). "On Gravity's Role in Quantum State Reduction". General Relativity and Gravitation. 28 (5): 581–600. Bibcode:1996GReGr..28..581P. doi:10.1007/BF02105068.
[5] Laloë, F. A model of quantum collapse induced by gravity. Eur. Phys. J. D 74, 25 (2020). https://doi.org/10.1140/epjd/e2019-100434-1
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持久反社會，大腦有問題
《柳葉刀-精神病學》雜誌上的新研究[1, 2]表明，在一生中持久表現偷竊、暴力、欺凌或說謊等反社會行為的人，腦部結構特徵存在異常。
該研究利用了672名45歲參與者的MRI腦部掃描圖像。根據來自家人、照看者、教師及本人報告的品行問題，參與者被分為表現出長久反社會行為、青少年時期反社會行為和無反社會行為的三類。
研究者比較了三類參與者的平均大腦皮質厚度和皮質表面積（體現灰質大小），同時分析了360個不同皮質區域的厚度和表面積。研究發現，長久反社會個體的平均皮質厚度和表面積比無反社會行為的個體的更小，而且在前者的360個腦區中，282個的表面積和11個的皮質厚度都減小了。在以往的研究中，這些異常區域中的大多數都被認為與反社會行為相關。
然而，僅在青春期表現出反社會行為的個體中，沒有觀察到廣泛的腦結構異常。
首席作者、英國倫敦大學學院的Christina Carlisi博士說，持久反社會行為者的大腦結構可能存在差異，這使得他們難以發展社交技能，從而無法停止反社會行為。
論文合作者、美國杜克大學的 Terrie Moffitt同時強調，該研究絕不推薦將腦部掃描圖像用於區分青少年犯罪的性質以制定相應的懲罰手段，因為目前我們對腦部結構的理解還不足以支撐具體到個人層面的應用。
[1] Carlisi C O, Moffitt T E, Knodt A R, et al. Associations between life-course-persistent antisocial behaviour and brain structure in a population-representative longitudinal birth cohort[J]. The Lancet Psychiatry, 2020.
[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-02/tl-pss021420.php
3
電子：我也可以像軟物質
電子是種很有趣的粒子，它們能根據所處的環境改變自身的行為。通常，材料中的電子之間相互作用比較弱，它們可以自由移動，從而使材料導電，表現為導體。但是，同樣是這些電子，它們在某些情況下相互作用會變強，使電子的行動受到限制，材料就變成了絕緣體。材料性質在金屬和絕緣體之間的這種轉變被稱作莫特轉變（Mott transition）。莫特轉變過程中會出現高溫超導、巨磁阻等現象，在工業上有極大的應用前景。
最近一組來自日本的科學家對電子做了進一步研究。他們基於準二維有機莫特絕緣體κ-(ET)2Cu[N(CN)2]Cl（兩個2為下標），分別通過X光照射和施加壓力，改變材料的無序性和電子相互作用強度。當用X光對材料照射500小時後發現，電子的運動減慢了約百萬至萬萬分之一，表現出長程的自組織和慢動力學，這種狀態可由軟物質領域的 “格里菲斯相（electronic Griffiths phase）”概念描述。此時的關聯電子錶現得像是軟物質（如聚合物、凝膠、奶油等）中的組成粒子。當再對這種狀態下的材料施加壓力，電子的行為馬上回復到正常狀態。
材料在溫度-壓強-隨機性的空間發生莫特轉變[1]
基於這項實驗，科學家們得出結論，為了使固體中的電子錶現得像軟物質中的粒子，需要兩個必要因素：其一，材料必須處於金屬-莫特絕緣體的轉變邊界；其二，材料在溫度和能量極低時必須仍具有無序性（quenched disorder）。這項研究[2]發表於最近的《物理評論快報》（Physical Review Letters）。
長期以來，固體物理和軟物質物理領域獨立發展，幾乎沒有物理概念上的交流。通過最近這項研究人們認識到，固體物質中處於莫特轉變附近的關聯電子，在特定條件下可以表現出類似“結構化流體”的行為。這項研究為物理學這兩個獨立領域之間搭建了一座橋樑，也為開發物理學新領域打開了一扇機會之門。
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Mott_transition
[2] Riku Yamamoto, Tetsuya Furukawa, Kazuya Miyagawa, Takahiko Sasaki, Kazushi Kanoda, and Tetsuaki Itou, Phys. Rev. Lett. 124, 046404
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新技術讓我們聽見癌細胞之間的悄悄話
發表在《自然方法》雜誌上的研究介紹了一項新技術，可以讓科學家實現對數百萬個細胞的“監聽”[1, 2]。這是科學家首次能夠同時分析腫瘤類器官中單個細胞的不同信號分子，破譯腫瘤細胞是如何相互相溝通的。
類器官是由多種細胞所組成的具有3D結構的微型器官，能夠在體外環境下更準確地模擬癌症的發生。科學家優化了一種檢測和分析蛋白質分子的大規模細胞分析技術，並在類器官中進行了測試。科學家將類器官分解成單個細胞後，加入重金屬標記的抗體，這些抗體將針對性地與相對應的信號分子結合。在對這些細胞進行霧化並使重金屬原子帶電後，科學家就能夠通過分析磁場以區分不同的信號分子，並對其進行監測。
這項技術有助於我們更好地理解癌細胞或其他細胞之間的複雜交流，揭示癌症復發或擴散的秘密，幫助科學家理解腫瘤免疫逃逸以及產生抗藥性的原因。該技術雖然目前還處於開發的早期階段，但有望在未來幫助我們實現更精細的個性化治療，幫助更多的人戰勝癌症。
[1] https://www.nature.com/articles/s41592-020-0737-8
[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-02/cru-nta021420.php
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出乎意料的K介子衰變事件會導向超出標準模型的新物理嗎？
標準模型是描述強力、弱力及電磁力這三種基本相互作用，及組成所有物質基本粒子的理論。然而，作為理論物理學的最大成就之一，標準模型並不是對自然的完整描述。要尋找超出標準模型的新物理，一種最佳方法是尋找標準模型理論預言的稀有事例的信號，觀察到少量此類事件即可構成新物理的有力證據
[1, 2]。 如果進一步的實驗證實了這種稀有的K介子衰變，可能會迫使物理學家修改標準模型[4]。
[1] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-02/aps-ats_2021820.php
[2] https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.124.071801
[3] S. Shinohara, Search for the rare decay KL → π0νν ̄ at J-PARC KOTO experiment, KAON2019, Perugia, Italy, 2019.
[4] https://www.particlebites.com/?p=6630
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越吃越瘦，從豐盛的早餐開始
“光吃不胖”是許多人的夢想。近日，德國呂貝克大學的研究人員發表在《內分泌學會臨床內分泌與代謝雜誌》上的一項研究表明，早餐產生的熱量消耗是晚餐的兩倍，豐盛的早餐或許可以預防和緩解肥胖問題[1, 2]。
研究人員利用食物生熱效應（diet-induced thermogenesis，DIT）開展研究，這一效應指食物發生消化、吸收、轉運等生理過程時，我們的機體會額外消耗更多的熱量。食物生熱效應可以用來衡量機體的代謝水平，其強度也可能因進餐時間的差異而有所不同。
研究中16名男性受試者被要求保持進食低熱量的早餐和高熱量的晚餐，一輪實驗為期三天；之後轉為進食高熱量早餐和低熱量晚餐，進行第二輪實驗。結果發現，在食物熱量相等的情況下，早餐的食物生熱效應總是晚餐的2.5倍。此外與晚餐相比，早餐後食物引起的血糖升高和胰島素濃度增加都會減少；而進食低熱量的早餐時，人們的食慾、尤其是對於甜食的慾望則有所增加。
“無論總熱量多少，早餐進食後都會產生相當於同樣晚餐兩倍的熱量消耗，”本項研究的通訊作者Juliane Richter博士介紹道，“這一發現揭示了吃早餐的重要性，對我們每個人來說都很有意義。”Richter也因此推薦肥胖病人和健康人都吃更豐盛的早餐和更少量的晚餐，這有助於減輕體重並預防糖尿病等營養代謝性疾病。
愛美愛健康的朋友們，不妨試試從一頓豐盛的早餐開始？
[1] Juliane Richter, Nina Herzog, Simon Janka, Thalke Baumann, Alina Kistenmacher, Kerstin M Oltmanns, Twice as High Diet-Induced Thermogenesis After Breakfast vs Dinner On High-Calorie as Well as Low-Calorie Meals, The Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism, Volume 105, Issue 3, March 2020, dgz311, https://doi.org/10.1210/clinem/dgz311
[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-02/tes-pwe021820.php
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