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如何辨认虫洞;退休养老显著加速老年人认知衰退 | 一周科技速览

科界 11月03日

​​编辑 | 杨凌、董唯元、韩若冰、陈航

目  录

1. 如何辨认虫洞

2. 退休养老显著加速老年人认知衰退

3. 孕期接触空气颗粒物污染影响婴儿心率变化

4. 斯坦福大学质疑当今碳捕获方式

5. 破解存在50年的板块移动之谜

6. 失败是个大事!哪些失败最终会成功?

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如何辨认虫洞

虫洞(wormhole)自从1957年被John A. Wheeler提出以来,一直是科幻作品最喜欢的概念之一。近几年来随着ER=EPR猜想的提出,虫洞这个神奇的时空结构,又与量子纠缠概念紧密的结合在一起。尽管围绕虫洞概念的艺术作品和严肃理论科研工作都如火如荼,但是科学家们却一直未能回答一个根本性问题——虫洞真实的存在于我们的宇宙中吗?如果某个黑洞就是虫洞的入口,我们能够辨认出来吗?

几天前,中国扬州大学的戴德昌教授和美国凯斯西储大学的Dejan Stojkovic教授,一起发表了他们在这方面颇具启发性的探讨和一些初步结论[1]。出人意料的是,文章仅通过简洁对称的静态虫洞模型,便得出许多关键性结论。他们发现虫洞入口不仅与普通黑洞存在区别,而且这些特征性差异完全可以远距离观测发现,并不需要飞临甚至钻入黑洞。也就是说,随着天文观测精度的增加,我们很快就可以遵照两位研究者所指出的特征,对宇宙中的黑洞进行细致考察,看看那些黑洞的后面,是否连通着另外一个时空!

在广义相对论诞生的初期,曾有人认为时空在黑洞视界处割裂开来,所幸很快物理学家们就意识到这是个误解。一些数学表达式上所反映出的奇异性,只是由坐标系选择不当造成,时空本身尽管在黑洞视界处强烈弯曲但仍保持光滑连续,并未割裂折断。所以平凡时空中的各种物理量守恒定律,在强烈弯曲的时空中应该仍然有效。

两位研究者正是从考察虫洞口附近时空区域守恒律出发,分别计算了电荷、引力和标量场。检查这三者是否可以穿过虫洞,影响虫洞另外一侧的时空。计算结果显示,标量场的影响无法穿过虫洞,但电荷和引力的影响都可以透过虫洞,在另外一侧时空中留下痕迹。

如果把电量为q的点电荷放在离虫洞口距离为A的位置上,那么在我们这个时空中观察到的有效电量会变成 

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,其中R是虫洞口的半径。同时在另一侧时空的虫洞口上,刚好会探测到 

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 的有效电荷。也就是说,尽管我们没有把电荷扔进虫洞口,但虫洞已经把一部分电荷泄漏到另外一个时空中。

引力也与电荷的情况类似。靠近虫洞口的物体,其有效质量会被虫洞泄漏到另外一个时空。因而在我们的时空中,一个远处的观察者会发现这个物体的运动加速度表现的有些异常。这个加速度的偏离值在几何单位制下约为  

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 。与电荷的情况相同,泄漏的可观测效果都是跟虫洞的大小R成正比,而与物体到虫洞的距离A成反比。

正是这个与A成反比的性质,让我们能够通过观测那些沿椭圆轨道绕黑洞运行的星体,来甄别这个黑洞里面是否藏着通向另一个时空的虫洞。只要虫洞口足够大,绕黑洞运行的星体离黑洞足够近,同时椭圆轨道又足够扁,那么就会产生可观测到的迹象。

[1] Observing a wormhole. De-Chang Dai, Dejan Stojkovic, Physical Review D, 2019; 100 (8) DOI: 10.1103/PhysRevD.100.083513

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退休养老显著加速老年人认知衰退

工作太累,盼着早点退休?一份来自纽约州立大学宾汉姆顿分校的研究表明,早退休可能并不好,因为它会加速你的认知衰退[1]

汉姆顿经济系助理教授Plamen Nikolov和博士生Alan Adelman对中国新农合养老(NRPS)和中国健康与养老追踪调查数据(CHARLS)进行了研究,以确定养老金福利对60岁及以上年龄人员的个体认知水平的影响。CHARLS是一个对45岁及以上的中国国民进行的国家级跟踪调查,这个调查通过情景记忆测试和精神状态测试[2]来测试被研究人员的认知状态。

随着发展中国家人口预期寿命的增加和生育率的下降,老年人的占比在亚洲和拉丁美洲越来越大,因此对新的可持续的养老系统有迫切的需要。但是,研究表明这些退休计划可能隐含不利,因为“退休”对于老年人的认知衰退是一个显著的影响因素。

“基于大范围的人口统计和调查,中国在农村地区推广了新农合养老。新农合基于经济水平和承担能力来实施,以减缓老年人的贫困状况。”Nikolov说:“在广大的农村地区,传统的以农户家庭为基础的老人赡养正大范围地崩塌。目前还没有足够好的机制来填补这种崩塌,而老年人从亲朋或者社区得到的支持不足以让他们抵御疾病和营养不良。”

研究人员发现养老金福利对老年人的认知功能有显著的负面影响。认知能力下降的最大指标是延迟记忆,这一指标在神经生物学研究中被广泛认为是痴呆症的重要预测指标。退休对女性的负面影响更大,Nikolov说,研究结果支持了心理退休假说,即大脑活动水平降低后导致认知能力下降。

“在实施新农合的地区,其个体认知水平要比那些生活在没有新农合地区的人低”,Nikolov说,“同时在新农合推广的十年间,该计划导致认知表现水平在记忆力这一项上降低了5个标准差”。

令人惊奇的是,这与在美英和欧盟等高收入国家做的研究有相似的结论,Nikolov认为这指出了退休的全球性问题。

“我们惊奇地发现有养老金福利的退休实际上导致了认知水平的衰退。但同时我们在另一项研究中发现,有养老金福利的退休会提升健康水平,包括睡眠质量改善、烟酒消费的减少等。”Nikolov说,“退休导致认知水平衰退这个发现绝对是一个意外,但也是一个暗示老年人生活品质问题的重要发现。”虽然有养老金的退休是能够提升健康水平的,但也导致了在另外一些维度上的负面影响,比如社交能力、心智方面的活动、社会参与度等。

“现在看来,社会参与度降低对老年人的负面影响要远大于健康和睡眠改善带来的正面影响。” Nikolov说,“或者换一种说法,身体健康和头脑健康是两个完全不同的事情。持续不断地参与到社会活动中,可能是老年人提升认知水平最有效的因素。” Nikolov希望他的研究能够激发新的政策来提升退休人员的认知功能。

“我们希望这些发现能够让退休老人认识到这些问题,但是,更重要的是影响发展中国家的政策制定者。”Nikolov说,“我们有坚实的证据证明退休即是有利的,也是有害的。老年人认知衰退即使不是一种身体虚弱,但对生活品质和个人福祉有负面影响。政策制定者应注意提升退休人员的社会参与度和动脑程度。这样的退休计划才能够让退休人员既身体健康又头脑灵活。”

[1] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-10/bu-rst102919.php

[2] 情景记忆测试和精神状态测试:episodic memory and components of intact mental status

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孕期接触空气颗粒物污染影响婴儿心率变化

根据《环境健康展望》杂志发表的研究[1],母亲在怀孕期间暴露于空气颗粒物污染与六月龄婴儿心脏对压力的反应降低有关。这是首个发现子宫内空气颗粒物污染会影响心率变异性的研究。

心率变异性作为对压力的反应方式,对于维持心血管系统、呼吸系统和消化系统的最佳功能至关重要,是情绪健康和抗压能力的核心。心率变异性降低是身心健康问题的已知危险因素。在大龄儿童、青少年和成人的研究中,已发现空气污染对心率变异性的负面影响会导致心脏病、哮喘、过敏、情绪或行为障碍等疾病。

西奈山医院和医学院的研究人员分析了237名位于波士顿的母亲及其婴儿。通过测定母亲在孕期接触的空气颗粒物污染水平,并研究六月龄婴儿的心率和呼吸,研究人员发现,母亲在孕期暴露于空气污染的水平越高,婴儿在压力下的心率变化就越小。

高级作者Rosalind Wright教授说:“结合全球范围内日益增加的空气颗粒物污染暴露,研究发现凸显了检查生命早期空气污染暴露的重要性,这种暴露与医疗、发育和心理的负面后果相关。”

论文第一作者Whitney Cowell博士说:“找出能破坏例如心率反应等关键生理过程的暴露因素,将带来针对生命早期阶段的预防策略,此时预防能够最大限度的发挥作用。具体来说,这些发现能够支持个人和政策层面的行动,以减少孕期的空气颗粒物污染暴露。”

[1] https://www.mountsinai.org/health-library/report/asthma-in-children-and-adolescents

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斯坦福大学质疑当今碳捕获方式

碳捕获与封存(Carbon Capture and Storage,简称CCS)是指将大型发电厂、钢铁厂、化工厂等排放源产生的二氧化碳收集起来,并用各种方法储存以避免其排放到大气中的一种技术[1]。根据理论预测,碳捕获技术可以使单位发电碳排放量减少85%-90%[2]。近期,斯坦福大学在国际顶级期刊《能源与环境科学》发表文章[3],对当今世界的碳捕获技术提出质疑:碳捕获技术不仅不会减少大气中的碳,还会增加空气污染[4]

斯坦福大学伍兹环境研究所的高级研究员Mark Z. Jacobson利用不同类型发电厂的公开数据,对碳捕获成本进行了分析。Jacobson计算了每种类型发电厂碳捕获过程的净二氧化碳减少量和总社会成本,包括运行碳捕获设备所需的电力(来自天然气燃烧)和由此产生的上游排放[5]等。由于碳捕获设备的高能量和高能耗需求,Jacobson得出结论,在未来20年内,具有以天然气为动力的碳捕获设备的燃煤发电厂,其产生的社会成本要比没有碳捕获设备的燃煤发电厂高约24%。如果该工厂碳捕获设备的动力来源被风能所取代,那么它的社会成本仍将超过那些没有碳捕获设备的燃煤发电厂。只有当风能发电取代燃煤发电本身时,社会成本才会降低。

Jacobson表示,碳捕获设备总是有捕获过程产生的能耗成本,因此其从来没有减少空气污染。“在现有的发电厂,碳捕获几乎没有效果。在实际上,碳捕获技术也不可能比直接用风能或太阳能取代煤炭发电更好。”

[1] 百度百科

[2] 注:如欧盟重点支持的世界最大的碳捕获与封存示范工程。该工程在挪威蒙斯塔德建成,总投资10亿美元,由挪威政府提供资金支持,设计能力为年捕获CO2 10万吨

[3] 影响因子:33.250

[4] The Health and Climate Impacts of Carbon Capture and Direct Air Capture. Mark Z. Jacobson, Energy & Environmental Science, 2019; DOI: 10.1039/C9EE02709B.

[5] 注:如果该电厂为燃煤发电厂,那么上游排放包括开采和运输煤炭、以及燃烧燃料等过程产生的排放及成本。

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破解存在50年的板块移动之谜

什么力量驱动着地壳板块?自从50年前板块构造理论问世以来,这一直是一个悬而未决的问题。板块在俯冲带缓慢下沉到地幔的冷边缘(cold edges)是否引起了地球表面的运动?还是地幔的对流推动了地壳板块的运动?对于地质学家来说,这就像是鸡生蛋还是蛋生鸡的问题:地幔显然导致了地壳板块的移动,而地壳板块又反过来驱动着地幔。近期,巴黎高等师范学院、法国格勒诺布尔大学和罗马大学的科学家们构建模型,针对这一悬而未决的问题给出了答案。目前,该研究成果已于10月30日在《科学进步》杂志上发表[1]

科学家们将地球视为不可分割的单一整体,利用一颗与地球非常相似的虚构行星的演化过程作为参照对象,利用超级计算机进行了长达九个月的计算,重建地球在15亿年间的演化过程,得出了一组迄今为止最为全面的模拟结果。研究结果显示,地球表面三分之二的部分要比底层的地幔移动的要快。换句话说,是地球表面拉动了内部,而其余三分之一部分的作用则是相反。这种平衡不是一成不变的,而是随着地质时间的推移而发生改变,例如印度和亚洲之间发生的运动和碰撞,则主要由深部地幔拉动地球表面运动引起的。相反,当一个超大陆分裂时,其运动主要是由地壳板块下沉到地幔这一过程所驱动的。

除此之外,科学家们表示,此次模拟分析涉及到大量的计算,其中大部分数据仍未被充分利用。对于这些数据的二次开发也许会对地球上很多其他现象,如什么因素决定火山喷发等问题提供不一样的见解。

[1] What drives tectonic plates? Nicolas Coltice et al, Science Advances, 2019;DOI: 10.1126/sciadv.aax4295

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失败是个大事!哪些失败最终会成功?

奥普拉·温弗瑞被解雇了。史蒂文·斯皮尔伯格多次被电影学校拒绝,迈克尔·乔丹也没有入选高中篮球队。像这样的故事激发了关于从失败中学习并在另一边变得更强大的激励咒语。但迄今为止,很少有人研究支持这些轶事,更少有人研究失败如何导致成功的机制。最近,Nature的一篇文章对此现象进行了研究[1]

来自西北大学和芝加哥大学的数据科学家研究了三个领域的“失败动力学”——科学界,企业界和恐怖主义者——发现了失败与成功是有关系的。研究发现,经过最初的失败后,研究对象的路径出现了分叉点,有些人继续前进最终获得了成功,有些人继续失败直到他们退出。这个分叉点在第二次努力前就已非常明显。研究发现,个体会选择哪条路,其实是决定于从前一次失败中吸取了多少教训,也就是说人们从前一次失败中学到的东西决定了这次的道路选择。

“你如果只关注成功,那么你将错失一半的故事。”文章作者之一,西北大学凯洛格商学院组织与管理专业副教授王大顺说 ,“在这一点上大数据能帮上忙,我们分析所有的数据,包括成功和失败,以帮助避免偏差”。

研究人员认为,这个模型能够帮助组织或者个体从过去的失败中获得更多知识,并帮助他们成功。模型也能够帮助管理人员和政策制定者在促销、项目管理等方面做得更好。过去,成功往往被解释为运气或者是工作精神。但是研究发现这个解释过于简化了。成功者的每次成功都是一次迭代,帮助成功者将过去的经验转化为对未来行动的调校,这个模式能够帮助预测各类行动结果。

研究的关键洞察是,对过往行动集合的反思有一个阈值,当个体反思和参考过往行动数量越多,那么接下来的行动效率和质量就会提升,并促使最终的成功。如果个体反思和参考过往行动的数量太少,他们最终会失败。

文章的第一作者Yin Yian解释了在阈值附近的微小差异导致了巨大的结果不同。“这有点像零摄氏度左右的水和冰,这个时候提高或者降低一点点温度就会导致根本的不同。”

“这个发现正是传统智慧所说的‘吃一堑长一智’。” 文章作者之一,西北大学的Wang Yang说,“你从过往的错误中学习并在下一次行动中改正,不断地迭代自己,而不是每次都从零开始。你会更聪明地失败,并在每一次努力中获得进步。”

研究人员使用了科学界、企业界和恐怖主义者这三个领域的数据,并且为每个领域的成功做了明确的定义。比如说,在企业界,IPO或巨额并购/收购就是成功。

“在竞争日益激烈的世界里,失败是获得成功至关重要的因素。”文章作者之一,芝加哥大学社会学教授James Evans说,“我们的研究结果给出了证据,失败是个大事儿。”

[1] Quantifying the dynamics of failure across science, startups and security. Yian Yin et al, Nature, 2019; doi:10.1038/s41586-019-1725-y.

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