首页 学者频道 学术频道 创新频道

宇宙尺度下的波函数;动物同性性行为或有进化益处?| 一周科技速览

科界 11月24日

​​编辑 | 杨凌 董唯元 韩若冰 陈航

目  录

1. 宇宙尺度下的波函数

2. 美国人信任科学家胜过法官和议员

3. 喝到一起的人更容易过到一起?

4. “消失”30年的中子星找到了!

5. 动物同性性行为或有进化益处?

6. 母乳中首次检测出光敏引发剂

b04020.

宇宙尺度下的波函数

神秘诡谲的波函数,是量子理论最核心的出发点。尽管我们已经对其计算规律和技巧了解颇深,但其物理内涵一直困扰着所有研究者。1926年波恩提出的概率诠释,一开始便遭到以爱因斯坦为首的一众顶级物理学家的激烈反对。经历其后种种的理论论战和实验验证,均证明概率诠释理论无明确破绽,所以到1965年费曼获诺贝尔奖的时候,他只能用那句著名的“I can safely say that nobody understands quantum mechanics(我可以有把握地说,没有人了解量子力学)”来表达深深的不甘和无奈。当初薛定谔为展现概率诠释的荒谬性所提到的那只,未被观测时处于既死又活状态的小猫,如今依然碾压着人类的理解能力。当然,理论物理学家们寻找替代理论的努力从未停止。只不过这些理论的诡异程度,丝毫不亚于概率诠释。

导波理论,本可以最大限度的保留经典物理模型,同时又能够从理论上给出与概率诠释完全一致的数学结果。可惜这个理论要求存在非定域的势,这种对定域性的破坏,相当于在牛顿力学上附加超距纠缠,本质上还没有彻底解决量子理论的诡异。更遗憾的是导波理论的核心奠基者大卫波姆,因其共产主义者的身份,在冷战期间遭受了美国政府极为严酷的政治迫害。在理论研究的黄金时期,被驱逐出普林斯顿高等研究院,手握爱因斯坦和奥本海默的推荐信,却寻不到任何工作机会。彼时大多物理研究都由美国军方提供经费,所以参与项目的物理学家都不敢回复来自波姆的学术讨论信函。甚至多年之后,当一些美国大学的量子力学课程使用波姆所著的教材时,最具波姆特色的导波理论部分都直接跳过不谈。

退相干理论,认为观测者和被观测对象整体由一个波函数描述。这看似排除了波函数塌缩这类令人尴尬的过程,但实际上意味着描述局部系统的波函数的影响范围会被不断放大。当屋子里的张三打开盒子观察薛定谔的猫时,张三与猫便由同一个波函数描述,在屋外的李四看来,张三也处于叠加态,既看到死猫又看到活猫的叠加态。如果张三与李四通话,那么波函数的影响范围继续向外传递。经过如俄罗斯套娃一样的层层传递,最终将不可避免的得出一个结论——整个宇宙由同一个波函数描述。

多世界理论,作为退相干理论的友好伴侣,索性认为存在多个互不干扰的宇宙,我们的每一次观测,都会令宇宙产生分叉。多数敬畏奥卡姆剃刀的老一辈物理学家,都不愿轻易接受这种代价巨大又缺乏可验证性的粗暴解释。但怀着开放心态的当代物理学家中,却有不少已经开始渐渐接受并认真着手完善这一理论。

2014年发表于《物理评论X辑》的一篇论文[1],综合吸收了导波理论和多世界理论的优势,又剔除了理论部分中令人挠头的成分。文章提出“相互作用的经典多世界”模型(MIW,many interacting worlds),用多个宇宙之间的相互作用取代导波理论中的非定域势,同时每个宇宙内部又是纯经典模型。这个理论虽然尚有许多问题有待深入探讨,但其明显的易于理解性,很快激起了那些被波函数蹂躏甚久的理论物理学家们积极跟进的兴趣。

几天前,两位俄罗斯物理学家,在《欧洲物理学杂志C辑》上发表了基于MIW理论的延伸成果[2]。论文首先从新的角度出发,重新考察验证了多经典宇宙相互作用与导波理论中非定域势的数学等效性,继而将MIW模型应用于全宇宙物质密度等宇宙学领域,并定性的揭示出MIW模型基本可以解释暗物质和幽灵场暗能量问题。更为有趣的是,论文中还利用MIW模型对宇宙的演化过程和终局做了一些新颖的探讨,某种程度上挽救了大撕裂的悲惨宿命。

[1] Hall M J W, Deckert D A, Wiseman H M. Quantum phenomena modeled by interactions between many classical worlds[J]. Physical Review X, 2014, 4(4): 041013.

[2] Yurov A, Yurov V. The Day the Universes Interacted: Quantum Cosmology without a Wave function[J]. arXiv preprint arXiv:1901.01873, 2019.

b03869.

美国人信任科学家胜过法官和议员

科学家说的话你都信吗?你对科学家信任吗?一份最新发布的持续了数十年的公众调查分析报告显示[1],科学家群体在公众中的信任度常年稳定并保持较高的水平。

这项研究采取了多种方法和调查途径,结果发现美国公众对科学家的信任超过了很多机构和组织,包括记者、法官和国会议员。这一信任还影响着人们对健康或政府政策相关的科学信息的解读。

在2018年的社会普查(GSS)中,大约40%的被调查者对科学机构领导人“非常信任”,这个数字与刚刚开始有普查的1973年相差很小。大多数被调查者表达了他们对科学界“非常信任”或“比较信任”。威斯康星大学麦迪逊分校的生命科学教授,也是这份报告的资深作者,Dominique Brossard说:“我们可以毫不迟疑地说,绝大多数美国人信任科学界。”“一次又一次的调查都显示,科学家位于值得信任的职业金字塔顶端。”

在过去的二十年,大概四分之三的受访者表示,他们愿意科学家来告诉他们事情的真相。这一比例高于其他专业人士,医生和教师之外。

报告还指出了长期以来农村和城市居民对科学家信任度的区别——在过去30年里,30%的农村居民对科学家表示信任,这个数字低于美国40%的全国水平,而同期美国50%左右的城市居民对科学家表示信任,但城市居民的信任度波动较大。

“我们研究的是总体趋势,但从个别群体看,对科学家的信任也没有表现出明显的下降。”研究人员Krause说:“我们的确可以看到在个别群体之间会产生差异,但这些情况会此消彼长。”

调研报告还发现在一些具体议题,比如环境,以及在一些特定国家,包括英国和德国,人们对科学家的信任度更高。

与媒体突出报道的学界党派之争完全不同,这个调研结果证实了公众对科学界稳定的信任度。Brossard很担心媒体以偏概全的含混报道会扼杀公众对科学界的信任。“因为对于科学,公众没有派性斗争。”Dominique Brossard说。

[1] Krause N M, Brossard D, Scheufele D A, et al. The Polls—TrendsAmericans’ Trust in Science and Scientists[J]. Public Opinion Quarterly, 2019.

[2] 注:Brossard团队还发现了民主党人和共和党人对科学界信任度的些许区别。在2018年的调查中,民主党人表现出比共和党人对科学家稍高的信任度,但两党在过去45年里基本都保持着很高的信任度,报告认为不必为这种趋势感到担忧。2018年40%的共和党人对科学界表示信任,这个数字和全美的数字保持一致,而民主党人的这一数字在2018年上升到50%,这反映了两党的差异。但是,从单一党派维度看,信任度在过去45年有较大的波动,无论民主党、共和党还是无党派,都在35%-50%之间波动。除此之外,报告还显示,40%的基督教被调查者对科学家“非常信任”,这和美国平均水平一致,而其他教派或者无信仰者的信任度更高,在50%~60%之间。

b0b87f.

喝到一起的人更容易过到一起?

最近,由英国科学家发表在《自然通讯》杂志上的一项研究表明[1],人们倾向于选择具有与饮酒习惯相关的同种基因变异的伴侣。许多研究早已发现,伴侣之间的饮酒习惯往往相互关联。然而,尚不清楚这种关系到底是受到遗传、社会还是环境等因素的影响。

布里斯托大学的Laurence Howe及团队做出假设,与饮酒相关的遗传变异会通过影响人的饮酒行为,来影响对另一半的选择。研究人员分析了来自英国生物库(UK Biobank)的47377对长期伴侣的数据,并和他们自我报告的饮酒行为进行了比较。

研究者发现,个体的饮酒量和rs1229984基因型,与其伴侣的饮酒量相关。rs1229984是基因ADH1B中的一个突变,而ADH1B参与氧化酒精的酶的生产,影响个体对酒精的代谢能力。个体每周的饮酒量每增长一个单位,伴侣的饮酒量也随之增长0.26个单位。此外,配偶双方拥有该相同变异的可能性也更高,这意味着饮酒行为上的相似性可能在双方同居前就已存在。

研究者称,这些发现表明饮酒行为直接影响人们对伴侣的选择。

作者同时指出,此次研究结果还难以推广至欧洲以外的人群,因为还需要开展进一步的研究来调查其他人群、其他的酒精相关遗传变异和表型分类,以加强本次研究的结论。

[1] Howe L J, Lawson D J, Davies N M, et al. Genetic evidence for assortative mating on alcohol consumption in the UK Biobank[J]. Nature Communications, 2019, 10(1): 1-10.

b0c437.

“消失”30年的中子星找到了!

1987年2月23日,在距离我们仅16万光年的邻近星系大麦哲伦星云中,天文学家首次发现了近四百年来最明亮的一次超新星爆发。这颗名为1987A的超新星在夜空中闪耀着1亿个太阳般的能量,并持续明亮地照耀了几个月。作为一颗似乎是向核心塌缩的超新星,在爆发后理论上应该遗下一颗中子星,可是从观测到爆发至今的30多年间,人类仍未发现其踪迹[1]。近期,一项发表在《天体物理学》杂志的研究[2],为这一扑朔迷离的天文谜团画上了句号。卡迪夫大学的天文学家终于发现了壮观的超新星残骸,它彻底改变了我们对恒星如何结束生命的理解。

哈勃空间望远镜曾拍摄出关于1987A最清晰的照片,但仍然找不到那颗理论上存在的中子星。30年间有数个假说试图解释消失的中子星之谜,但是没有任何一个理论被大家所公认。近期,卡迪夫大学的天文学家利用在智利北部阿塔卡马沙漠的阿塔卡马大毫米/亚毫米阵列 (ALMA) 望远镜,拍摄出了极其清晰和敏感的图像,基于此,研究小组发现了一片明显比周围环境更亮的尘埃云,它与中子星的可疑位置相匹配。随着研究的深入,研究人员证实,30多年来,天文学家之所以一直无法找到这颗本应存在的中子星,竟是因为它被厚厚的宇宙尘埃云所掩盖!

这项研究的主要作者、卡迪夫大学物理和天文学学院的Phil Cigan博士表示:“这是我们第一次看出超新星残骸中的星云内有一颗中子星的存在。它的光被厚厚的尘埃云遮住了,如雾霭遮住了灯光。虽然中子星发出的光被环绕它的尘埃云所吸收,但这反过来又会使尘埃云向外释放出亚毫米波段的光,我们现在可以用极其灵敏的ALMA望远镜观察到它。”

长期以来,对于为什么没有观测到失踪的中子星,厚厚的尘雾遮挡一直是主要的猜想,尽管许多天文学家对此曾表示怀疑。而这项实验的观察结果将直接为这一猜想提供直接的证据支持。Phil Cigan博士表示,这项新发现对天文学家更好地理解大质量恒星如何结束它们的生命,以及如何留下这些密度极高的中子星具有重要意义。

[1] https://zh.wikipedia.org/wiki/SN_1987A

[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-11/cu-sfe111919.php

b0c6d0.

动物同性性行为或有进化益处?

从雪燕到大蟾蜍,科学家已经在超过1500个动物物种中发现了同性性行为。长期以来,进化生物学家一直在试图解决一个明显的达尔文悖论:既然同性性行为对繁衍后代毫无益处,那为何又普遍且持续地存在?

耶鲁大学的研究人员发表在《自然-生态学与进化》杂志的一篇新文章提出[1],是时候将问题的视角从“为什么动物会发生同性性行为”转变为“为什么不呢”。研究者认为,同性性行为可能正是动物原初行为状态的一部分,并持续存在,因为发生这类行为几乎无代价,或许还会带来重要的好处。

研究者质疑了现存研究中将异性性行为视为起源的假设,而是认为对于所有有性生殖的动物,性行为的原始状态同时包含了同性和异性性行为。传统的假设还认为,从事同性性行为的个体需要将时间和精力花在对生殖无益的活动上,说明该行为代价高昂,理应被淘汰。研究者反驳称,同性性行为的代价常常并不高,可以说既没有负面影响也没有积极影响,自然选择没有理由将其清除。

研究者还提出,同性性行为在进化上甚至可能是有益的。许多物种并不是天生的一夫一妻制,而是尝试与不同个体交配,以增加繁育后代的几率和数量。然而,分辨不同性别对动物来说有时并非易事。如果对交配对象的选择过于苛刻,则可能导致交配数量减少。相反,如果放宽条件,个体则有可能与更多的伴侣交配,其中也包括同性。

例如,科学家发现,当雄性葬甲察觉到与雌性交配的代价较高时,它们的同性性行为会增加。这表明了当交配机会稀缺时,仅仅进行异性性行为实际上是不利的,因为会减少展示交配潜力的机会。

研究的主要作者Julia Monk指出,长期以来,人们一直通过人类社会的视角来审视对同性性行为的科学探索,将某些行为归为“正常”或“不正常”,这种趋势既鼓励了那些仅证实了既有假设的研究,又阻碍了我们对动物行为的理解。

[1] Monk J D, Giglio E, Kamath A, et al. An alternative hypothesis for the evolution of same-sex sexual behaviour in animals[J]. Nature Ecology & Evolution, 2019: 1-10.

b16e01.

母乳中首次检测出光敏引发剂

近期,一项发表在《美国化学学会环境科学与技术快报》的研究显示[1, 2],人类母乳中首次检验出光敏引发剂(PIs)。

光敏引发剂往往掺杂在油墨中进行食品包装的设计加工。通过紫外光或可见光等光源的光照作用,光敏引发剂会被降解成自由基和其他能使油墨变硬或固化在食品包装上的活性物质。然而,并不是所有的光敏引发剂都会在光照反应中被完全消耗掉,目前,科学家们已经在食物、室内灰尘和人类血清中检测到这种化学物质。

在足够量的前提下,一部分光敏引发剂会产生毒性甚至致癌。基于此,研究人员利用质谱方法,分析了人类母乳中的光敏引发剂含量。通过分析60名美国女性的母乳样本,研究人员发现了15种不同浓度的光敏引发剂,含量从0.46 ng/mL到81.7 ng/mL不等。其中,苯并苯酮是光敏引发剂所含的一种主要物质,也是一种潜在的致癌物,实验发现,97%的母乳样本中都存在苯并苯酮。

尽管如此,研究人员表示,目前母乳喂养婴儿的光敏引发剂摄入水平还不足以造成婴儿的健康问题,但是持续的剂量检测和光敏引发剂的潜在风险研究还需继续进行。

[1] 《ACS' Environmental Science & Technology Letters》

[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-11/acs-pdi112019.php

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。

科普 科学 中子星 波函数 返朴 宇宙起源 动物进化

推荐资讯