WORLD SCIENCE 本 刊 由 上 海 市 科 普 工 作 联 席 会 议 办 公 室 指 导 出 版 目 次 2016 年 第 4 期 穴 总 第 448 期 雪 上 海 科 学 院 上 海 市 科 学 学 研 究 所 上 海 社 科 院 哲 学 研 究 所 夏 禹 龙 张 聪 慧 世 界

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3 卷 首 语 度 量 的 艺 术 思 柯 物 理 学 在 于 观 察, 通 过 测 量 予 以 量 化, 以 单 位 进 行 表 达 处 理 物 理 单 位 的 做 法 不 断 演 变, 与 科 学 家 对 物 理 学 本 身 越 来 越 深 入 的 理 解 有 关 目 前 全 球 的 科 学 家 使 用 国 际 单 位 制 人 们 很 容 易 认 可 国 际 单 位 制 的 正 确 性, 而 定 义 和 建 立 一 致 又 实 用 的 单 位 制 是 一 桩 繁 重 的 差 事, 目 前 这 一 维 持 和 发 展 度 量 标 准 的 工 作 主 要 由 全 国 性 度 量 衡 学 研 究 机 构 完 成 度 量 衡 学 研 究 受 益 于 物 理 学 发 展 的 同 时, 也 在 推 动 基 础 物 理 学 向 前 发 展, 催 生 新 技 术 国 际 单 位 制 和 尖 端 度 量 技 术 的 相 关 性 远 远 超 越 了 科 学 研 究, 它 在 商 业 和 社 会 各 方 面 都 发 挥 着 作 用 : 没 有 可 靠 的 时 钟, 大 海 上 的 安 全 航 行 几 乎 不 可 能 实 现 ; 当 前 的 高 频 交 易 也 需 要 极 其 精 准 的 守 时 装 置 单 位 制 有 不 少 话 题 为 迎 接 2018 年 物 理 学 基 本 单 位 的 重 新 定 义,Nature Physics 杂 志 推 出 了 度 量 衡 学 专 栏, 命 名 为 Measure for Measure, 借 用 了 莎 士 比 亚 剧 作 一 报 还 一 报 (Measure for Measure) 的 名 字 这 位 伟 大 剧 作 家 给 予 该 栏 目 的 启 发 是 圣 经 式 的, 而 不 是 度 量 衡 学 方 面 的 编 辑 们 想 表 达 的 是 : 精 准 的 度 量 中 蕴 含 着 艺 术 的 元 素 对 开 尔 文 的 重 新 定 义 仅 仅 是 2018 年 正 式 生 效 的 国 际 单 位 制 的 几 项 修 改 之 一, 所 有 七 项 国 际 单 位 制 基 本 单 位 会 最 终 用 基 本 物 理 常 量 来 定 义 度 量 衡 学 家 们 正 忙 着 以 更 高 的 准 确 度 来 测 量 玻 尔 兹 曼 常 量 普 朗 克 常 量 和 阿 伏 伽 德 罗 常 量 在 温 度 测 量 法 方 面, 研 究 人 员 运 用 各 种 方 法 依 靠 不 同 的 物 理 原 理, 实 现 了 令 人 惊 艳 的 准 确 度, 达 到 百 万 分 之 一 级 别 精 度 这 么 高 的 准 确 度, 早 已 暴 露 了 1990 年 国 际 温 标 中 的 错 误 物 理 学 家 思 考 温 度 概 念 时, 无 疑 会 想 到 低 温 因 为 量 子 效 应 常 常 和 低 温 联 系 在 一 起 如 今 氦 稀 释 制 冷 机 能 维 持 几 毫 开 尔 文 的 低 温, 有 些 系 统 能 通 过 磁 制 冷 达 到 100 皮 开 尔 文 以 下 的 低 温 从 低 温 中 获 得 的 重 要 物 理 学 发 现 数 不 胜 数, 超 导 电 性 超 流 体 和 玻 色 - 爱 因 斯 坦 凝 聚 大 概 能 排 上 前 三 位 稍 后 将 在 国 际 空 间 站 部 署 的 冷 原 子 实 验 室 有 着 实 现 宇 宙 中 最 冷 地 方 的 目 标, 是 人 类 对 低 温 永 不 休 止 探 索 中 的 又 一 次 示 范 另 一 极 端 超 高 温, 是 在 核 聚 变 实 验 中 实 现 的, 核 聚 变 模 仿 了 太 阳 能 量 生 成 的 过 程 将 氘 离 子 和 氚 离 子 混 合 物 加 热 到 1.5 亿 度 的 高 温 很 困 难, 但 是 能 够 做 到 这 方 面 的 一 项 突 破 是 托 卡 马 克 装 置, 尤 其 是 一 种 环 面 外 形 缠 绕 着 构 造 复 杂 的 线 圈 的 容 器 电 流 通 过 线 圈, 产 生 磁 场, 约 束 等 离 子 状 态 下 的 离 子 和 电 子 正 在 法 国 南 部 建 造 的 国 际 热 核 聚 变 实 验 反 应 堆 是 一 个 庞 大 的 托 卡 马 克 装 置, 目 的 是 论 证 核 聚 变 发 电 的 可 行 性 显 然, 度 量 衡 学 上 的 进 步 与 科 学 进 展 是 相 辅 相 成 的 低 温 物 理 学 奠 基 人 海 克 卡 末 林 昂 内 斯 实 验 室 里 的 箴 言 door meten tot weten 将 这 层 意 思 交 代 得 很 清 楚 : 由 测 量 获 知 一 切

4 WORLD SCIENCE 本 刊 由 上 海 市 科 普 工 作 联 席 会 议 办 公 室 指 导 出 版 目 次 2016 年 第 4 期 穴 总 第 448 期 雪 上 海 科 学 院 上 海 市 科 学 学 研 究 所 上 海 社 科 院 哲 学 研 究 所 夏 禹 龙 张 聪 慧 世 界 科 学 编 辑 部 上 海 市 中 山 西 路 1525 号 技 贸 大 厦 10 楼 (021) (021) (021) sjkx@siss.sh.cn 上 海 市 报 刊 发 行 局 全 国 各 地 邮 局 ( 邮 发 代 号 4 263) 中 国 国 际 图 书 贸 易 集 团 有 限 公 司 ( 国 外 发 行 代 号 M258) ISSN CN / N 上 海 市 科 技 启 明 星 联 谊 会 上 海 市 对 外 文 化 交 流 协 会 彦 隐 8 郾 00 元 江 苏 德 埔 印 务 有 限 公 司 卷 首 语 度 量 的 艺 术 [ 1 ] 前 沿 科 学 新 单 位 制 [ 4 ] 解 秘 夸 克 家 族 新 成 员 及 其 结 构 组 合 [ 8 ] 纳 米 尺 度 上 的 革 命 [12] 等 离 体 子 物 理 学 现 状 与 发 展 前 景 [14] 生 命 科 学 热 生 物 学 : 测 量 细 胞 温 度 [15] 好 奇 心 取 决 于 已 知 [19] 医 学 与 健 康 2015 精 彩 点 评 : 从 基 因 组 医 学 到 精 准 医 学 [23] 转 基 因 肿 瘤 细 胞 可 对 抗 癌 症 [27] 科 学 家 访 谈 DNA 损 伤 与 纳 米 粒 子 [28] 空 气 污 染 和 太 阳 辐 射 [31] 今 日 启 明 星 专 攻 高 分 子 糖 研 究 的 启 明 星 小 记 复 旦 大 学 高 分 子 系 陈 国 颂 教 授 [33] 科 技 政 策 农 业 研 究 应 成 为 当 务 之 急 [36] 新 农 业 科 学 团 体 寻 求 增 加 拨 款 支 持 [37] 美 国 大 幅 增 加 农 业 和 食 品 研 究 预 算 [38] 2

5 极 客 生 活 教 三 岁 儿 童 编 程, 无 需 电 脑 ))))))))))) [40] 维 普 雷 希 特 和 她 的 智 能 服 装 )))))))))) [41] 自 制 家 用 安 防 系 统 )))))))))))))) [42] 安 装 家 用 无 线 水 表 )))))))))))))) [44] 如 何 制 作 电 子 蜜 蜂 计 数 器 ))))))))))) [45] 解 秘 夸 克 家 族 新 成 员 及 其 结 构 组 合 (P-8) 创 新 启 示 录 通 用 击 败 特 斯 拉 电 动 车 领 域 正 在 发 生 着 什 么? )))))) [47] 化 学 为 什 么 要 合 成? )))))))))))))) [55] 科 苑 平 面 照 片 上 的 3D 之 舞 ))))))))))))) [58] 对 时 间 旅 行 的 沉 思 )))))))))))))) [62] 维 普 雷 希 特 和 她 的 智 能 服 装 (P-41) 科 学 人 物 吉 恩 阿 姆 达 尔 ( ) ))))))))))) [64] 封 图 介 绍 : 认 知 科 学 家 利 用 眼 部 追 踪 设 备 研 究 婴 儿 如 何 集 中 注 意 力, 详 见 本 期 好 奇 心 取 决 于 已 知 一 文 平 面 照 片 上 的 3D 之 舞 (P-58) 3

6 前 沿 科 学 新 单 位 制 思 羽 / 编 译 科 学 界 计 划 在 2018 年 对 数 项 物 理 学 基 本 单 位 进 行 重 新 定 义, 这 需 要 精 确 了 解 多 项 基 本 物 理 学 常 量 的 数 值 科 学 家 们 正 在 努 力 工 作, 力 求 在 截 止 日 期 之 前 将 全 新 的 国 际 单 位 制 变 成 现 实 本 文 作 者 约 阿 希 姆 菲 舍 尔 (Joachim Fischer) 和 约 阿 希 姆 乌 尔 里 希 (Joachim Ull 鄄 rich) 认 为, 所 有 七 项 国 际 单 位 制 基 本 单 位 会 最 终 用 基 本 物 理 常 量 来 定 义 法 国 大 革 命 期 间 诞 生 了 十 进 制 米 制 体 系, 随 后 又 诞 生 了 两 个 分 别 代 表 了 米 和 千 克 的 铂 质 标 准 度 量 衡, 在 1799 年 6 月 22 日 存 放 进 位 于 巴 黎 的 法 兰 西 共 和 国 档 案 馆 内, 这 是 当 今 的 国 际 单 位 制 的 第 一 步 1875 年 5 月 20 日, 米 制 公 约 得 以 签 署, 之 后 在 1889 年 确 定 了 新 的 国 际 米 原 器 和 千 克 原 器 这 些 单 位 和 作 为 时 间 单 位 的 天 文 秒 ( 基 于 平 太 阳 日 ) 一 起, 构 成 了 力 学 单 位 制 在 引 入 安 培 开 尔 文 和 坎 德 拉 分 别 作 为 电 流 热 力 学 温 度 和 发 光 强 度 的 单 位 后, 这 个 体 系 在 1960 年 被 赋 予 国 际 单 位 制 的 名 称, 缩 写 为 SI 在 1971 年, 物 质 量 的 单 位 摩 尔 让 当 前 的 国 际 单 位 制 得 以 完 整 连 同 导 出 单 位, 国 际 单 位 制 构 成 了 一 套 计 量 单 位 系 统 ( 也 就 是 无 需 转 换 因 子 ), 任 何 研 究 产 业 贸 易 或 社 会 中 所 关 心 的 能 够 测 量 的 量 都 可 以 用 这 套 系 统 予 以 量 化 米 制 公 约 的 签 约 国 家 代 表 了 世 界 经 济 体 的 98%, 因 此 国 际 单 位 制 是 国 际 贸 易 的 基 础, 透 过 各 国 的 计 量 研 究 机 构, 组 成 了 全 球 度 量 的 质 量 基 础 设 施 确 定 常 量 在 将 国 际 单 位 制 的 单 位 与 真 正 亘 古 不 变 的 量 ( 譬 如 物 理 学 基 本 常 量 和 原 子 特 性 ) 建 立 起 联 系 方 面, 已 经 取 得 非 凡 的 进 展 科 研 人 员 认 识 到 将 国 际 单 位 制 的 单 位 与 这 些 不 变 的 量 联 系 起 来 的 重 要 性, 2018 年 召 开 的 第 26 届 国 际 计 量 大 会 将 批 准 一 套 国 际 单 位 制 的 新 定 义, 使 用 七 个 这 类 常 量 作 为 定 义 时 的 参 考, 以 此 为 基 础 来 得 出 新 定 义 这 七 个 常 量 的 数 值 将 会 写 成 一 个 数 字 系 数 和 一 个 单 位 的 乘 积, 譬 如 Q={Q} [Q], 式 子 中 的 Q 代 表 常 量 的 值, 而 {Q} 是 以 单 位 [Q] 表 达 时 的 数 值 通 过 设 定 精 确 的 数 值 也 就 是 不 对 它 指 派 任 何 不 确 定 性 单 位 得 以 定 义, 正 如 数 值 和 单 位 的 乘 积 必 须 等 于 常 量 的 值, 而 常 量 的 值 是 不 变 的 定 义 常 量 符 号 数 值 单 位 铯 133 原 子 的 基 态 超 精 细 劈 裂 频 率 Δ v( 133 Cs) hfs Hz =s -1 光 在 真 空 中 的 速 度 c m s -1 4 表 1. 新 国 际 单 位 制 的 七 个 定 义 常 量 以 及 相 应 单 位 普 朗 克 常 量 h J s= kg m 2 s -1 基 本 电 荷 量 e C=A s 玻 尔 兹 曼 常 量 k J K -1 = kg m 2 s -2 K -1 阿 伏 伽 德 罗 常 量 N A mol -1 发 光 强 度 K cd 683 cd sr W -1 =cd sr kg -1 m -2 s 3 所 谓 的 定 义 常 量 是 以 下 这 些 : 铯 133 原 子 的 基 态 超 精 细 劈 裂 频 率 Δ v( 133 Cs) hfs, 光 在 真 空 中 的 速 度 c, 普 朗 克 常 量 h, 基 本 电 荷 量 e, 玻 尔 兹 曼 常 量 k, 阿 伏 伽 德 罗 常 量 N A 和 发 光 强 度 K cd ( 见 表 格 1 和 图 1), 这 些 常 量 组 合 在 一 起, 定 义 了 秒 (s) 米 (m) 千 克 (kg) 安 培 (A) 开 尔

7 前 沿 科 学 文 (K) 摩 尔 (mol) 和 坎 德 拉 (cd) 这 些 单 位 进 而 定 义 出 整 个 国 际 单 位 制 重 新 定 义 的 一 个 结 果 是, 再 也 不 必 进 行 ( 以 前 的 ) 基 本 单 位 与 导 出 单 位 之 间 的 那 种 区 分 第 二 个 重 要 的 特 点 是, 在 新 的 国 际 单 位 制 中, 单 位 的 定 义 和 具 体 实 现 会 去 耦 合 实 际 上, 尽 管 单 位 的 定 义 也 许 在 很 长 一 段 时 间 内 都 未 曾 改 变, 它 们 的 具 体 实 现 可 以 用 许 多 不 同 的 实 验 来 确 定 数 值, 致 使 精 确 度 不 断 提 升 即 所 谓 的 付 诸 实 践 所 描 述 的 过 程 从 而 允 许 更 多 实 验 被 构 想 出 来 以 上 的 数 值 取 自 2014 年 国 际 科 技 数 据 委 员 会 (CODATA) 的 修 正 数 据, 未 呈 现 相 关 的 不 确 定 度 [ 不 适 用 于 Δ v ( 133 Cs) hfs 和 c], 到 2018 年 也 许 会 有 微 小 改 变 新 定 义 的 含 意 单 位 定 义 常 量 图 1. 新 国 际 单 位 制 的 单 位 和 定 义 常 量 请 注 意, 单 位 与 常 量 之 间 不 存 在 明 显 的 一 对 一 对 应 关 系 到 此 为 止, 已 经 能 通 过 基 本 常 量 成 功 地 定 义 秒 和 米 先 确 定 好 铯 原 子 的 超 精 细 劈 裂 频 率 的 数 值, 再 将 秒 定 义 为 铯 原 子 的 两 个 超 精 细 能 级 间 跃 迁 所 对 应 的 辐 射 的 个 周 期 的 总 长 这 样 定 义 好 秒 之 后, 确 定 好 光 速 的 数 值, 也 就 意 味 着 米 是 在 1/ 秒 的 时 间 段 内, 光 在 真 空 中 行 进 的 距 离 在 2018 年, 千 克 安 培 开 尔 文 和 摩 尔 这 些 单 位 会 以 类 似 的 方 式 来 定 义 确 定 普 朗 克 常 量 的 数 值 后, 也 就 定 义 出 kg m 2 s -1 这 个 单 位 ( 被 称 为 作 用 量 的 物 理 量 的 单 位 ) 连 同 秒 和 米 的 定 义, 导 出 千 克 的 定 义 ; 宏 观 质 量 可 以 用 h Δ v( 133 Cs) hfs 和 c 来 度 量 建 立 质 量 标 度 的 一 种 方 法 是 使 用 X 射 线 晶 体 密 度 (XR 鄄 CD) 方 法 来 计 算 一 个 单 晶 硅 球 内 的 原 子 数 量 探 测 一 个 完 美 点 阵 内 的 常 规 原 子 排 列 再 把 它 与 已 知 的 硅 原 子 ( 硅 28 同 位 素 ) 的 质 量 相 乘 另 一 种 计 算 千 克 的 途 径 是 建 立 在 平 衡 所 谓 的 瓦 特 天 平 (watt balance) 的 电 力 与 磁 力 基 础 上 : 在 这 个 方 案 中, 受 测 物 体 的 质 量 与 线 圈 产 生 的 力 进 行 比 较, 利 用 约 瑟 夫 森 效 应 和 量 子 霍 尔 效 应, 能 非 常 准 确 地 测 量 线 圈 的 电 功 率 选 定 普 朗 克 常 量 的 数 值 后, 保 证 在 采 用 这 一 定 义 时, 千 克 等 于 目 前 用 来 定 义 质 量 的 国 际 千 克 原 器 的 质 量, 而 且 是 在 当 前 普 朗 克 常 量 的 值 的 最 优 合 并 估 计 的 不 确 定 度 内 这 些 估 计 值 由 CODATA 下 设 的 基 本 常 量 任 务 组 进 行 定 期 计 算 ( 国 际 科 技 数 据 委 员 会 的 使 命 是 改 善 所 有 科 技 领 域 的 重 要 数 据 的 质 量 可 靠 性 可 管 理 性 和 可 达 性 ) 随 后, 国 际 千 克 原 器 的 质 量 将 会 变 成 一 个 用 实 验 方 法 来 确 定 的 量 确 定 基 本 电 荷 量 的 数 值, 从 而 就 让 安 培 变 成 每 秒 内 1/( ) 基 本 电 荷 所 对 应 的 电 流 电 学 量 ( 譬 如 电 压 电 流 和 电 阻 ) 会 由 e[ 以 及 Δ v ( 133 Cs) hfs ] 的 值 来 定 义, 而 不 是 由 真 空 磁 导 率 μ 0 ( 它 的 不 确 定 度 等 同 于 精 细 结 构 常 数 α=μ 0 e 2 c/2h) 来 定 义 不 再 需 要 传 统 定 义 的 约 瑟 夫 逊 常 数 K J-90 和 冯 克 利 青 常 数 R K-90 ; 这 两 个 常 量 以 前 被 引 入, 是 因 为 比 起 用 目 前 的 安 培 定 义, 我 们 能 更 加 准 确 地 认 识 电 学 单 位 未 来, 约 瑟 夫 逊 常 数 K J-90 和 冯 克 利 青 常 数 R K-90 的 数 值 会 用 常 量 e 和 h 来 确 定 ( 通 过 K J = 2e/h 和 R K =h/e 2 这 两 个 关 系 式 ) 尤 其 是, 伏 特 与 欧 姆 将 会 直 接 获 得, 从 而 让 电 学 单 位 的 量 子 实 现 始 终 如 一 地 嵌 入 在 新 版 国 际 单 位 制 中 事 实 上, 当 K J-90 和 R K-90 已 经 使 用 了 20 多 年 的 数 值 被 予 以 废 除, 改 用 新 确 定 的 数 值 后, 从 量 子 标 准 获 得 的 电 学 单 位 会 有 一 次 阶 跃 变 化 确 定 玻 尔 兹 曼 常 量 的 数 值, 意 味 着 1 开 尔 文 等 5

8 前 沿 科 学 所 能 达 到 的 结 果 都 小 得 多 定 义 常 量 的 要 求 为 了 保 证 采 用 新 定 义 所 造 成 的 变 动 是 最 小 幅 度 的, 质 量 及 相 关 量 咨 询 委 员 会 (CCM) 通 过 了 一 份 建 立 在 一 篇 2010 年 发 表 的 评 论 基 础 上 的 建 议 书, 对 确 定 普 朗 克 常 量 的 结 果 提 出 数 量 上 的 要 求 在 多 个 条 件 之 中, 以 下 两 种 基 图 2. 所 有 对 2014 年 CODATA 报 告 作 出 贡 献 的 测 量 值 以 黑 色 实 心 圆 点 表 本 条 件 必 须 予 以 满 示,2010 年 和 2014 年 CODATA 报 告 中 的 值 以 黑 色 空 心 圆 点 表 示 足 :(1) 至 少 要 有 三 于 热 能 kt 改 变 焦 耳 时 对 应 的 热 力 个 独 立 实 验 ( 包 括 瓦 特 天 平 和 XRCD 实 验 ) 产 生 相 学 温 度 变 化 目 前 的 开 尔 文 定 义 建 立 在 水 的 三 相 点 互 一 致 的 普 朗 克 常 量 数 值, 相 对 标 准 不 确 定 度 应 该 所 指 派 的 确 切 温 度 值 基 础 上 重 新 定 义 之 后, 这 个 值 不 大 于 亿 分 之 五 ;(2) 其 中 至 少 有 一 个 结 果 应 该 有 着 所 展 现 出 的 不 确 定 度 等 同 于 ( 目 前 由 实 验 方 法 确 定 不 大 于 亿 分 之 二 的 相 对 标 准 不 确 定 度 因 此, 以 下 出 的 ) 玻 尔 兹 曼 常 量 的 不 确 定 度 因 为 新 定 义 的 关 系, 现 的 所 有 不 确 定 度 值 都 是 相 对 标 准 不 确 定 度 显 然 热 力 学 温 度 能 直 接 在 温 标 的 任 何 一 个 点 上 获 2010 年 CODATA 出 版 基 本 常 量 评 估 报 告 时, 得, 不 必 依 靠 水 的 三 相 点 的 温 度 目 前, 温 度 测 量 法 从 实 验 中 获 取 的 普 朗 克 常 量 值 有 着 明 显 的 不 一 致 依 赖 于 国 际 温 标 (ITSs) 制 定 国 际 温 标, 是 为 了 给 出 之 处 ( 见 图 2) 美 国 国 家 标 准 技 术 研 究 所 (NIST) 获 与 热 力 学 温 度 几 乎 一 致 的 结 果, 而 且 是 从 一 系 列 温 得 的 令 人 担 忧 的 两 个 值 (NIST-98 和 NIST-07) 是 两 度 定 点 ( 以 及 定 点 之 间 的 插 值 ) 推 导 而 出, 这 些 温 度 定 次 不 同 的 瓦 特 天 平 实 验 中 得 出 的, 国 际 阿 伏 伽 德 罗 点 被 给 予 的 常 规 值 接 近 相 应 的 热 力 学 温 度 测 温 学 协 作 组 织 (IAC) 得 出 的 一 个 值 (IAC-11) 则 是 建 立 在 咨 询 委 员 会 (CCT) 的 用 户 群 体 能 获 知 国 际 温 标 ( 目 前 XRCD 方 法 上 的 国 际 温 标 是 在 1990 年 一 致 通 过 的 ) 和 相 应 的 热 力 对 NIST 从 瓦 特 天 平 实 验 中 得 出 的 数 据 进 行 广 学 温 度 之 间 的 偏 差 新 的 途 径 可 以 直 接 追 踪 至 国 际 泛 评 议 后, 在 2010 年 发 表 了 修 订 后 的 普 朗 克 常 量 单 位 制, 最 初 预 计 只 会 被 用 在 特 定 的 温 度 范 围 里, 也 值, 不 确 定 度 增 加 到 了 亿 分 之 四 点 五 ( 请 和 NIST-07 就 是 基 准 测 温 方 法 提 供 了 比 ITS-90 更 低 的 不 确 定 度 进 行 比 较 ) 加 拿 大 国 家 研 究 委 员 会 (NRC) 在 2014 的 温 度 范 围 ( 比 如 说,20K 以 下 和 1 300K 以 上 ) 年 发 表 了 结 果, 不 确 定 度 仅 有 亿 分 之 一 点 八, 满 足 确 定 了 阿 伏 伽 德 罗 常 量 的 数 值, 意 味 着 摩 尔 是 CCM 提 出 的 第 二 个 条 件 近 期,NIST 的 研 究 者 已 经 一 个 含 有 个 基 本 微 粒 的 系 统 的 物 报 告 了 一 个 普 朗 克 常 量 的 新 测 试 值 (NIST-15), 不 确 质 量 N A 的 值 会 基 于 XRCD 实 验 的 结 果 当 前 的 摩 定 度 为 亿 分 之 五 点 六, 这 个 数 据 是 建 立 在 他 们 用 当 尔 定 义 将 碳 12 的 摩 尔 质 量 M( 12 C) 的 值 定 义 为 前 的 瓦 特 天 平 获 得 的 所 有 数 据 基 础 上, 从 而 替 换 了 kg mol -1 未 来,M( 12 C) 将 不 再 具 体 定 义, 而 是 会 有 一 他 们 在 2007 年 和 2014 年 报 告 的 数 值 更 早 期 的 仪 个 等 同 于 摩 尔 普 朗 克 常 量 N A h 的 不 确 定 度 的 相 关 器 获 得 的 数 值 (NIST-98) 被 认 为 是 一 次 独 立 结 果 不 确 定 度, 这 种 不 确 定 度 会 比 任 何 实 际 的 化 学 测 量 2015 年,IAC 报 告 了 一 个 新 值 IAC-15, 不 确 定 6

9 图 3. 所 有 对 CODATA 调 整 值 做 出 贡 献 的 测 量 值 以 黑 色 实 心 圆 点 表 示, 2010 年 和 2014 年 CODATA 值 以 黑 色 空 心 圆 点 表 示, 意 大 利 国 家 计 量 院 (IN 鄄 RIM) 用 声 波 气 体 测 温 法 得 出 的 结 果 以 灰 色 圆 点 表 示, 这 个 数 据 虽 然 公 开 发 表 了, 但 是 晚 于 2014 年 调 整 的 截 止 日 期 度 为 亿 分 之 二, 也 满 足 CCM 提 出 的 第 二 个 条 件 不 仅 如 此,IAC 的 研 究 者 还 成 功 地 处 理 了 2011 年 IAC 数 值 和 2015 年 IAC 数 值 之 间 的 相 关 性 上 的 一 些 问 题, 从 而 使 得 两 组 数 据 都 能 用 于 2014 年 的 调 整 所 有 这 些 都 促 使 2014 年 普 朗 克 常 量 的 调 整 值 拥 有 了 仅 有 亿 分 之 一 点 二 的 不 确 定 度 相 似 地, 测 温 学 咨 询 委 员 会 (CCT) 也 对 玻 尔 兹 曼 常 量 的 值 提 出 了 要 求 他 们 建 议 在 采 用 新 定 义 之 前, 两 个 条 件 要 予 以 满 足 :(1)k 的 调 整 值 的 不 确 定 度 应 该 小 于 百 万 分 之 一 ;(2)k 数 值 的 确 定 应 该 建 立 在 至 少 两 种 基 本 上 不 同 的 方 法 基 础 上, 其 中 每 个 方 法 至 少 该 有 一 个 结 果 有 着 低 于 百 万 分 之 三 的 不 确 定 度 2014 年 CODATA 调 整 纳 入 考 虑 的 k 的 测 量 值 显 示 在 图 3 中 2010 年 CODATA 调 整 值 有 着 千 万 分 之 九 点 一 的 不 确 定 度, 满 足 了 CCT 提 出 的 第 一 个 条 件 第 二 个 条 件 根 本 无 法 满 足, 因 为 仅 有 NIST 法 国 国 家 度 量 衡 学 实 验 室 (LNE) 和 英 国 国 家 物 理 实 验 室 (NPL) 做 的 实 验 结 果 达 到 了 百 万 分 之 三 以 下 的 不 确 定 度, 而 这 些 实 验 全 都 建 立 在 声 波 气 体 测 温 法 基 础 上 以 这 些 结 果 做 基 础, 同 时 因 为 LNE-11 和 NPL-13 数 据 之 间 的 不 一 致 问 题,2014 年 k 调 整 值 的 不 确 定 度 已 经 显 著 地 降 低 到 千 万 分 之 五 点 七 在 德 国 联 邦 前 沿 科 学 物 理 技 术 研 究 院 (PTB) 进 行 的 采 用 介 电 常 数 气 体 测 温 法 的 实 验, 以 及 在 中 国 计 量 科 学 研 究 院 (NIM) 所 做 的 用 噪 声 测 温 法 的 实 验 达 到 了 接 近 百 万 分 之 四 的 不 确 定 度 这 两 组 实 验 当 然 是 达 成 CCT 提 出 的 第 二 项 要 求 的 候 选 对 象 总 结 在 降 低 N A h 和 k 的 不 确 定 度 方 面, 科 研 人 员 已 经 取 得 了 鼓 舞 人 心 的 进 步, 使 得 重 新 定 义 的 先 决 条 件 获 得 了 满 足, 或 者 在 不 断 接 近 中 不 仅 如 此,h 和 N A 的 新 结 果 预 计 将 由 美 国 国 家 标 准 技 术 研 究 所 和 国 际 阿 伏 伽 德 罗 协 作 组 织 合 作 发 布, 而 k 会 有 德 国 联 邦 物 理 技 术 研 究 院 和 中 国 计 量 科 学 研 究 院 得 出 的 新 结 果, 在 单 位 咨 询 委 员 会 (CCU) 定 下 的 截 止 日 期 (2017 年 7 月 1 日 ) 之 前, 这 些 数 据 会 被 用 来 确 定 国 际 单 位 制 重 新 定 义 中 用 到 的 常 量 的 数 值 许 多 协 调 和 沟 通 的 倡 议 已 经 开 始, 譬 如 CCM-CCu 的 千 克 路 线 图 国 际 度 量 衡 委 员 会 (CIPM) 发 起 的 新 国 际 单 位 制 宣 传 活 动 确 定 自 然 界 常 量 的 数 值, 重 新 定 义 国 际 单 位 制 中 的 单 位 马 克 斯 普 朗 克 在 1900 年 就 这 么 建 议 过 这 种 做 法 对 于 工 业 创 新 服 务 社 会 促 进 科 学 研 究 会 有 着 影 响 深 远 的 益 处 用 普 朗 克 预 言 的 话 来 讲, 这 些 单 位 一 定 会 在 任 何 时 代 和 文 化 中 都 保 持 有 效, 就 连 放 到 地 球 以 外 和 外 星 人 那 儿 也 是 如 此, 这 意 味 着 单 位 是 放 之 四 海 而 皆 稳 定 和 可 实 现 的 用 于 测 量 的 全 新 基 准 方 法 正 在 不 断 涌 现, 譬 如 说 在 毫 克 层 面 测 量 质 量, 或 者 扩 展 后 的 温 标 内 的 温 度, 而 更 重 要 的 是 电 学 计 量 上 的 不 确 定 度 会 得 到 显 著 的 降 低 毫 无 疑 问, 这 些 重 新 定 义 会 打 开 一 扇 大 门, 通 向 延 绵 不 断 的 技 术 发 展, 让 单 位 的 不 确 定 度 不 断 降 低, 日 后 再 也 无 需 进 行 重 新 定 义 [ 资 料 来 源 :Nature Physics][ 责 任 编 辑 : 彦 隐 ] 7

10 前 沿 科 学 解 秘 夸 克 家 族 新 成 员 及 其 结 构 组 合 方 陵 生 / 编 译 欧 洲 核 子 研 究 中 心 (CERN) 的 大 型 强 子 对 撞 机 底 夸 克 实 验 (LHCb) 发 现 在 质 子 碰 撞 中 短 暂 存 在 的 奇 异 粒 子 在 粒 子 物 理 学 家 中, 谢 尔 顿 斯 通 ( Sheldon Stone ) 素 以 高 标 准 和 近 乎 严 酷 的 严 谨 态 度 而 著 称 在 与 同 事 的 交 谈 中, 他 往 往 会 为 了 质 疑 某 个 观 点 而 大 声 打 断 对 方 因 此, 在 斯 通 谈 到 他 和 他 的 同 事 最 近 的 观 察 成 果 时, 他 的 话 显 然 是 有 相 当 可 信 度 的 我 确 实 认 为 这 很 可 能 将 会 是 一 个 重 大 突 破 他 说 斯 通 的 研 究 与 巨 大 的 粒 子 探 测 器 LHCb ( 大 型 强 子 对 撞 机 底 夸 克 实 验 ) 相 关, 它 是 由 世 界 上 最 大 的 原 子 对 撞 机 提 供 支 持 的 4 台 粒 子 探 测 器 之 一 而 世 界 上 最 大 的 原 子 对 撞 机 是 指 瑞 士 欧 洲 核 子 研 究 中 心 欧 洲 粒 子 物 理 实 验 室 的 大 型 强 子 对 撞 机 (LHC) 他 和 他 的 同 事 称, 他 们 已 经 观 察 到 了 原 子 核 的 质 子 和 中 子 的 新 的 奇 异 表 亲 质 子 和 中 子 是 由 称 为 夸 克 的 其 他 粒 子 组 成, 强 大 的 核 力 量 将 它 们 紧 密 束 缚 在 一 起 物 理 学 家 通 过 高 能 量 粒 子 碰 撞, 已 8 能 够 生 成 成 百 上 千 由 夸 克 构 成 的 粒 子, 尽 管 它 们 都 只 是 转 瞬 即 逝 的 短 暂 存 在 夸 克 粒 子 可 以 分 为 两 类 : 一 类 是 包 括 质 子 和 中 子 在 内 的 重 子, 含 有 三 个 夸 克 ; 另 一 类 是 介 子, 含 有 两 个 夸 克 但 是 去 年 LHCb 研 究 人 员 发 现 了 由 五 个 夸 克 构 成 的 粒 子, 而 同 一 个 研 发 团 队 在 前 一 年 仅 确 认 了 由 四 个 夸 克 构 成 的 粒 子 的 存 在 这 种 被 称 为 五 夸 克 态 或 四 夸 克 态 的 粒 子, 存 在 时 间 仅 为 千 万 亿 分 之 一 纳 秒 这 些 古 怪 的 粒 子 颠 覆 了 我 们 对 夸 克 之 间 强 相 互 作 用 力 的 已 有 认 知 : 一 种 叫 做 量 子 色 动 力 学 ( 简 称 QCD) 的 复 杂 理 论 它 们 有 可 能 颠 覆 我 们 对 QCD 理 论 的 理 解 方 式 美 国 宾 夕 法 尼 亚 州 匹 兹 堡 大 学 理 论 物 理 学 家 埃 里 克 斯 万 森 (Eric Swanson) 说 道 以 色 列 特 拉 维 夫 大 学 理 论 物 理 学 家 玛 瑞 克 卡 林 纳 (Marek Karliner) 说 道 : 在 了 解 什 么 样 的 夸 克 组 合 是 稳 定 的, 什 么 样 的 组 合 是 不 稳 定 之 前, 人 们 其 实 并 不 能 真 正 理 解 现 有 的 理 论 LHCb 的 观 察 结 果 标 志 着 科 学 史 上 又 一 次 罕 见 事 件 的 出 现, 一 个 难 以 确 认 想 法 的 再 次 重 现 12 年 前, 有 数 个 研 究 团 队 发 现 了 一 种 与 众 不 同 的 五 夸 克 态 粒 子, 但 最 后 由 于 其 转 瞬 即 逝 的 特 性 而 未 被 采 信 而 LHCb 的 观 察 结 果 令 五 夸 克 态 粒 子 的 存 在 死 而 复 生, 我 认 为 这 种 粒 子 是 真 实 存 在 的 斯 万 森 说 道

11 前 沿 科 学 复 杂 的 结 构 与 组 合 方 式 夸 克 是 构 成 大 多 数 物 质 的 基 本 成 分, 但 它 们 的 结 构 构 成 与 组 合 方 式 却 相 当 复 杂 就 像 将 带 负 电 的 电 子 与 原 子 中 带 正 电 的 原 子 核 结 合 在 一 起 的 电 磁 力 一 样, 夸 克 之 间 的 强 作 用 力 起 到 电 荷 的 作 用 电 磁 作 用 只 有 一 种 电 荷 ( 或 正 或 负 ), 但 强 电 荷 却 有 3 种, 分 别 以 红 色 蓝 色 和 绿 色 三 种 颜 色 表 示, 每 种 都 有 其 对 立 面 : 反 红 反 蓝 和 反 绿 ( 称 之 为 色 荷 ) 在 一 些 可 能 的 夸 克 组 合 中, 色 荷 叠 加 在 一 起 会 变 成 无 色 或 白 色 因 此, 重 子 包 含 1 个 红 色 夸 克 1 个 蓝 色 夸 克 和 1 个 绿 色 夸 克, 红 色 蓝 色 和 绿 色 叠 加 起 来 就 会 变 成 白 色 而 两 夸 克 态 的 介 子 则 包 含 1 个 夸 克 和 1 个 反 色 反 夸 克, 例 如 红 色 和 反 红 色 夸 克 结 合 在 一 起 成 为 无 色 粒 子 让 不 同 组 合 的 夸 克 种 类 变 得 更 为 繁 杂 的 是, 夸 克 有 6 种 类 型, 或 者 说 是 6 种 味 道 : 普 通 物 质 中 的 上 夸 克 和 下 夸 克 较 重 的 粲 夸 克 和 通 过 粒 子 撞 击 获 得 的 奇 异 夸 克 顶 夸 克 和 底 夸 克 如 果 各 种 不 同 风 格 的 夸 克 结 合 在 一 起, 生 成 粒 子 的 种 类 就 更 为 壮 观 了, 但 其 中 绝 大 多 数 新 生 成 的 粒 子 状 态 极 不 稳 定, 转 瞬 即 逝 一 个 质 子 由 两 个 上 夸 克 和 一 个 下 夸 克 构 成 ; 称 为 Λ b 的 转 瞬 即 逝 的 重 子 包 含 一 个 上 夸 克 一 个 下 夸 克 和 一 个 底 夸 克 称 为 K - 的 一 种 介 子 包 含 一 个 奇 异 夸 克 和 一 个 反 上 夸 克 关 于 这 些 粒 子 存 在 的 所 有 证 据 都 是 间 接 的, 因 为 物 理 学 家 永 远 无 法 观 察 到 一 个 孤 立 的 夸 克 它 们 之 间 的 强 作 用 力 极 为 强 大, 如 果 你 通 过 撞 击 从 质 子 中 产 生 一 个 夸 克, 这 种 力 量 足 以 从 真 空 中 拽 出 夸 克 和 反 夸 克 产 生 更 多 的 重 子 和 介 子 此 外, 强 子 内 部 无 数 的 虚 夸 克 反 夸 克 对 处 于 不 断 迅 速 形 成 又 不 断 迅 速 消 逝 的 过 程 中 夸 克 通 过 交 换 一 种 称 作 胶 子 的 粒 子 紧 紧 附 着 在 一 起, 而 这 种 粒 子 本 身 也 会 交 换 胶 子 粒 子 的 大 部 分 质 量 都 是 由 虚 的 夸 克 和 胶 子 这 种 棕 色 物 质 构 成 的, 因 此 对 它 们 的 理 论 预 测 极 为 困 难 20 世 纪 70 年 代, 量 子 色 动 力 学 (QCD) 形 成 之 后, 物 理 学 家 意 识 到 夸 克 可 能 会 以 三 个 以 上 结 合 在 一 起 成 簇 的 形 式 出 现 由 两 个 夸 克 和 两 个 反 夸 克 ( 四 夸 克 态 ) 的 或 由 四 个 夸 克 和 一 个 反 夸 克 ( 五 夸 克 态 ) 的 色 荷 叠 加, 形 成 白 色 的 粒 子 瑞 典 隆 德 市 欧 洲 散 裂 中 子 源 (ESS) 机 构 的 实 验 员 瓦 伦 蒂 娜 桑 托 罗 (Valentina Santoro) 说 道 : 没 有 任 何 理 由 告 知 我 们 为 什 么 它 们 不 存 在, 如 果 真 的 找 不 到 它 们, 我 们 应 弄 明 白 找 不 到 的 原 因 发 现 与 消 失 再 发 现 的 过 程 2003 年, 物 理 学 家 认 为, 他 们 发 现 了 一 个 叫 作 θ + 的 五 夸 克 态 粒 子 据 认 为 它 含 有 两 个 上 夸 克, 两 个 下 夸 克 以 及 一 个 反 奇 异 夸 克, 日 本 SPring-8 加 速 器 实 验 室 的 激 光 电 子 光 子 (LEPS) 探 测 器 上 发 现 了 这 种 一 闪 而 过 的 粒 子, 另 外 还 有 9 项 实 验 报 告 也 称 发 现 了 这 种 粒 子, 据 认 为 这 种 粒 子 的 质 量 是 质 子 的 1.5 倍 然 而, 随 后 θ + 消 失 无 踪, 其 他 实 验 没 有 发 现 它 的 踪 迹, 之 前 发 现 过 它 的 一 些 实 验 也 无 法 复 制 物 理 学 家 至 今 仍 不 能 确 定, 如 此 多 的 研 究 团 队 怎 么 可 能 会 都 搞 错 了 呢? 曾 参 加 过 其 中 一 个 团 队 研 究 的 俄 亥 俄 大 学 的 物 理 学 家 肯 尼 思 希 克 斯 (Kenneth Hicks) 说 道 : 这 是 我 参 与 过 的 研 究 中 最 为 离 奇 的 一 个 其 他 人 则 表 示, 这 些 实 验 结 果 并 不 像 所 宣 称 的 那 么 令 人 信 服 物 理 学 家 寻 找 θ + 粒 子 的 途 径 是 : 假 设 它 衰 变 成 为 某 些 粒 子 的 组 合, 在 LEPS 实 验 中, 衰 变 成 一 个 中 子 和 一 个 k + 介 子 ( 一 个 上 夸 克 和 一 个 反 奇 异 夸 克 ) 对 于 他 们 所 观 察 的 每 一 组 中 子 k + 对, 物 理 学 家 都 会 用 粒 子 动 量 计 算 假 设 的 θ + 的 质 量 如 果 一 些 粒 子 对 是 θ + 衰 变 的 产 物, 那 么 计 算 的 质 量 图 示 应 出 现 峰 值, 对 应 于 相 关 的 母 粒 子 但 斯 通 认 为, 在 这 类 简 单 的 分 析 中, 研 究 人 员 可 能 会 被 自 己 愚 弄 了, 这 些 人 别 的 都 不 做, 光 是 观 察 粒 子 对 的 质 量 图 的 峰 值, 这 样 很 容 易 受 峰 值 调 整 产 生 波 动 的 影 响 寻 找 θ + 的 意 外, 给 之 后 寻 找 四 夸 克 态 和 五 夸 克 态 粒 子 留 下 了 阴 影, 麻 省 理 工 学 院 理 论 物 理 学 家 罗 伯 特 贾 菲 (Robert Jaffe ) 说 道 : 人 们 的 印 象 是, 这 个 领 域 很 古 怪, 其 实 验 不 可 靠 但 即 便 如 此, 这 类 粒 子 存 在 的 诱 人 线 索 还 是 在 频 频 出 现 2003 年, 日 本 的 物 理 学 家 发 现 了 类 似 四 夸 克 态 的 粒 子, 它 含 有 一 个 粲 夸 克, 一 个 反 粲 夸 克 以 及 一 个 轻 夸 克 反 夸 克 对, 他 们 将 其 称 作 X (3872) 2008 年, 日 本 粒 子 物 理 实 验 室 的 百 丽 9

12 前 沿 科 学 夸 克 口 袋 中 有 什 么? 夸 克 有 3 种 色 彩,3 种 反 色 彩, 以 及 6 种 类 型 的 结 构 五 夸 克 态 粒 子 可 能 是 由 五 个 夸 克 和 有 强 力 粘 结 作 用 的 胶 子 组 成 的 五 夸 克 口 袋, 或 者 是 由 未 知 粒 子 构 成 的 分 子 真 相 究 竟 如 何, 物 理 学 家 目 前 尚 无 法 确 定 粒 子 夸 克 反 夸 克 胶 子 分 类 类 型 上 夸 克 粲 夸 克 顶 夸 克 下 夸 克 奇 异 夸 克 底 夸 克 LHCb 的 主 要 目 标 是 研 究 含 有 一 个 较 重 质 量 底 夸 克 粒 子 的 衰 变, 其 行 为 可 为 超 出 物 理 学 家 标 准 模 式 的 物 理 学 研 究 提 供 线 索 为 了 解 另 一 种 粒 子 衰 变 的 背 景, 斯 通 和 他 的 同 事 要 求 一 名 学 生 对 来 自 Λ b ( 由 上 夸 克 下 夸 克 底 夸 克 组 成 的 粒 子 ) 衰 变 的 残 骸 进 行 分 析 斯 通 说 道 : 这 名 学 生 有 些 抱 怨, 他 不 认 为 会 有 什 么 线 索, 但 结 果 却 有 了 重 大 的 发 现 新 发 现 的 信 号 表 明, 在 衰 变 的 过 程 中 产 生 了 新 的 粒 子 研 究 团 队 去 年 在 物 理 评 论 快 报 8 月 号 上 发 表 文 章 称, 事 实 上, 研 究 结 果 指 向 两 个 质 量 略 有 不 同 的 五 夸 克 态 粒 子, 较 重 的 一 个 五 夸 克 态 粒 子 重 约 一 个 质 子 的 4.74 倍, 较 轻 的 那 个 粒 子 重 约 一 个 质 子 质 量 的 4.67 倍 以 分 子 形 式 还 是 夸 克 口 袋 形 式 存 在? 介 子 分 子 结 构 的 五 夸 克 态 质 子 夸 克 口 袋 形 式 的 五 夸 克 态 粒 子 (Belle) 粒 子 探 测 器 发 现 了 一 个 显 然 质 量 更 重 的 四 夸 克 态 粒 子 Z(4430) 过 去 几 年 里, 多 个 实 验 室 的 物 理 学 家 发 现 若 干 可 能 存 在 的 四 夸 克 态 粒 子 现 在,LHCb 项 目 的 研 究 人 员 已 证 实 了 百 丽 粒 子 探 测 器 发 现 的 四 夸 克 态 粒 子 的 存 在, 由 两 个 上 夸 克 一 个 下 夸 克 一 个 重 粲 夸 克 和 一 个 反 粲 夸 克 构 成 的 五 夸 克 态 粒 子 的 存 在 也 有 了 有 力 的 证 据 斯 通 和 他 的 同 事 原 本 预 计 Λ b 首 先 会 衰 变 为 一 个 J /ψ( 粲 夸 克 和 反 粲 夸 克 ) 和 一 个 Λ( 上 夸 克 下 夸 克 和 奇 异 夸 克 ), 随 后 Λ 会 衰 变 为 一 个 质 子 和 K - 然 而 他 们 发 现, 有 时 Λ b 似 乎 会 另 辟 蹊 径, 结 果 却 是 殊 途 同 归, 衰 变 成 一 个 K - 和 五 夸 克 态 粒 子, 然 后 这 个 五 夸 克 态 粒 子 衰 变 为 质 子 和 J/ψ 这 两 个 五 夸 克 态 粒 子 在 质 子 -J/ψ 的 质 量 图 示 中 显 示 为 峰 值 然 而,LHCb 研 究 人 员 所 做 的 不 只 是 发 现 几 个 质 量 峰 值 他 们 还 要 从 大 量 数 据 中 获 取 更 多 信 息, 他 们 甚 至 还 绘 制 出 了 完 整 的 波 浪 形 量 子 振 幅, 用 以 描 述 从 一 个 Λ b 衰 变 为 一 个 五 夸 克 态 粒 子 和 一 个 K - 的 过 程, 然 后 继 续 衰 变 为 J/ψ 和 质 子 的 过 程, 并 对 粒 子 在 不 同 角 度 动 量 和 自 旋 状 态 出 现 的 可 能 性 进 行 了 编 码 在 这 具 有 里 程 碑 意 义 的 探 索 中, 研 究 人 员 需 要 弄 明 白 那 些 振 幅 互 相 之 间 如 何 配 合 才 能 达 成 研 究 人 员 的 预 期 结 果, 分 析 结 果 清 晰 地 揭 示 了 两 个 五 夸 克 态 的 振 幅, 斯 通 认 为, 这 是 比 质 量 峰 值 更 为 明 确 的 信 号 斯 通 说 道, 一 开 始,LHCb 研 究 人 员 自 己 对 研 究 结 果 也 难 以 置 信 我 们 会 说, 哦, 五 夸 克 吗? 这 是 真 的 吗? 我 们 花 了 比 做 其 他 任 何 实 验 更 多 的 时 间 反 复 查 验 2014 年,LHCb 团 队 用 类 似 的 方 法 证 实 了 Z(4430) 四 夸 克 态 的 存 在, 它 包 含 一 个 底 夸 克 一 个 反 上 夸 克 和 一 个 粲 夸 克 - 反 粲 夸 克 对 10

13 前 沿 科 学 力 学 理 论 进 行 相 对 较 小 的 调 整, 物 理 学 家 就 可 以 将 20 世 纪 40 年 代 开 发 的 针 对 原 子 核 的 π 介 子 交 换 理 论 应 用 于 存 在 时 间 更 短 的 粒 子 斯 万 森 认 为, 每 个 粒 子 可 能 更 像 一 个 连 续 的 夸 克 场, 这 个 夸 克 场 中 在 每 一 个 节 点 上 都 会 形 成 其 组 成 部 分 的 粒 子 例 如 20 世 纪 70 年 代, 麻 省 理 工 学 院 的 贾 菲 认 为, 强 子 中 的 夸 克 在 互 相 环 绕 的 运 动 中 可 形 成 另 一 种 短 暂 的 成 对 关 系, 被 称 为 双 夸 克 如 果 是 这 样, 一 个 重 子 被 描 述 为 一 个 夸 克 和 一 个 双 夸 克 的 不 断 变 化 状 态 也 许 更 恰 当 一 些 但 贾 菲 告 诫 说, 在 理 论 上, 分 子 和 夸 克 口 袋 之 间 并 没 有 真 正 的 区 别 但 仍 然 不 排 除 五 夸 克 态 和 四 夸 克 态 并 不 是 真 我 相 信, 这 ( 新 夸 克 粒 子 的 发 现 ) 将 有 可 能 成 为 一 个 重 大 突 破 锡 拉 丘 兹 大 学 的 谢 尔 顿 斯 通 说 道 但 是, 如 果 这 些 粒 子 是 真 实 存 在 的, 那 么 它 们 又 是 如 何 组 合 在 一 起 的 呢? 四 夸 克 态 与 五 夸 克 态 可 能 更 像 由 两 夸 克 介 子 和 三 夸 克 重 子 组 成 的 分 子, 这 种 结 合 方 式 不 是 通 过 胶 子 的 交 换, 而 是 通 过 由 夸 克 构 成 被 称 为 π 介 子 的 粒 子 的 交 换 事 实 上, 卡 林 纳 和 伊 利 诺 斯 州 的 芝 加 哥 大 学 的 理 论 物 理 学 家 乔 纳 森 罗 斯 纳 (Jonathan Rosner) 称, 在 他 们 开 发 的 模 型 中, 已 对 四 夸 克 态 的 大 部 分 和 LHCb 的 一 个 五 夸 克 态 进 行 了 解 释 物 理 学 家 们 无 法 对 这 些 粒 子 的 生 命 周 期 进 行 直 接 测 量, 但 他 们 可 以 从 粒 子 质 量 或 宽 度 的 不 确 定 性, 推 断 出 其 存 在 时 间 : 宽 度 越 窄, 寿 命 越 长 四 夸 克 态 粒 子 和 五 夸 克 态 粒 子 的 宽 度 都 比 通 过 强 相 互 作 用 衰 变 的 粒 子 要 窄 类 似 于 分 子 的 结 构 有 利 于 生 存 更 长 时 间, 因 为 这 种 结 构 可 将 夸 克 之 间 阻 隔 开 来, 阻 止 它 们 即 刻 形 成 新 的 粒 子 并 迅 速 破 裂 希 克 斯 说 : 显 然 存 在 某 种 阻 止 重 新 结 合 的 屏 蔽, 如 果 它 们 都 被 装 在 一 个 袋 子 里, 就 不 会 有 什 么 屏 蔽 了 但 分 子 模 型 无 法 解 释 LHCb 发 现 的 两 种 不 同 的 五 夸 克 态 粒 子, 斯 通 说 道, 也 不 能 解 释 五 夸 克 态 粒 子 的 自 旋 等 行 为 细 节 这 场 辩 论 对 于 量 子 色 动 力 学 理 论 有 着 更 深 层 次 的 意 义, 匹 兹 堡 大 学 的 斯 万 森 说 道 如 果 分 子 图 片 是 正 确 的, 那 么 只 要 对 量 子 色 动 实 存 在 的 可 能 性, 例 如 LHCb 人 员 在 另 一 种 粒 子 Λ b 的 衰 变 中 看 到 的 五 夸 克 态 粒 子 但 也 有 可 能 是 : 介 子 和 重 子 不 同 组 合 的 产 物 形 成 的 阴 影 效 果, 产 生 了 被 误 认 为 五 夸 克 态 衰 变 的 错 误 信 号 这 样 的 阈 值 效 应 是 很 难 排 除 的,ESS 的 桑 托 罗 说 道, 因 为 很 容 易 找 到 粒 子 的 另 一 种 组 合, 结 合 在 一 起 达 到 观 察 到 的 质 量 物 理 学 家 说, 对 于 五 夸 克 态 和 四 夸 克 态 的 描 述, 哪 个 才 是 正 确 的, 必 须 要 有 更 多 的 证 据 夸 克 口 袋 和 分 子 模 型 预 测 的 应 该 是 不 同 质 量 不 同 旋 转 方 式 和 不 同 组 合 方 式 的 四 夸 克 态 和 五 夸 克 态 粒 子 例 如, 卡 林 纳 说, 由 于 介 子 结 合 方 式 的 不 同, 他 的 分 子 模 型 允 许 一 些 介 子 组 合 绑 定 在 一 起, 但 禁 止 其 他 的 组 合 这 就 限 制 了 实 验 者 能 看 到 的 五 夸 克 态 粒 子 和 四 夸 克 态 粒 子 的 范 围 但 即 使 能 够 找 到 大 量 新 粒 子, 实 验 数 据 能 证 明 的 东 西 仍 然 比 预 期 的 要 少 模 型 是 有 弹 性 的, 可 调 整 的, 贾 菲 说 道 : 当 实 验 者 发 现 一 种 模 型 出 现 无 法 解 释 的 状 态, 总 会 有 理 论 家 渗 合 进 来 修 正 模 型 最 终, 强 大 的 计 算 机 模 拟 能 力 也 许 可 能 为 我 们 找 出 答 案, 物 理 学 家 说 但 即 使 计 算 机 模 拟 可 以 处 理 奇 异 粒 子, 但 是 否 能 够 提 供 一 个 清 晰 而 可 靠 的 答 案 仍 未 可 知 更 可 能 的 是 情 况 是 这 样 的, ( 一 个 五 夸 克 态 粒 子 )40% 的 时 间 是 在 重 子 - 介 子 分 子 内,40% 的 时 间 是 在 五 夸 克 态 袋 子 里 希 克 斯 说 至 少, 物 理 学 家 们 已 开 始 意 识 到, 五 夸 克 态 粒 子 和 四 夸 克 态 粒 子 是 真 实 存 在 的, 但 它 们 的 结 合 方 式 之 谜 是 否 能 够 破 解, 让 我 们 一 起 来 期 待 吧 [ 资 料 来 源 :Nature][ 责 任 编 辑 : 岳 峰 ] 11

14 前 沿 科 学 纳 米 尺 度 上 的 革 命 乔 若 静 / 编 译 本 文 作 者 米 莉 德 雷 斯 尔 豪 斯 (Mildred S. Dresselhaus),MIT 著 名 材 料 科 学 家 随 着 电 子 设 备 体 积 越 来 越 小 功 能 越 来 越 多, 纳 米 技 术 的 影 响 也 在 日 益 加 强, 这 是 因 为 纳 米 技 术 可 提 供 厚 度 只 有 一 个 或 几 个 原 子 的 材 料 计 算 机 科 学 家 期 盼 已 久 的 技 术 大 变 革, 正 在 酝 酿 之 中 随 着 电 子 元 件 的 尺 寸 缩 小 到 10 纳 米 甚 至 更 小, 其 功 能 以 及 相 关 计 算 能 力 也 在 提 高 和 增 加, 符 合 摩 尔 定 律 关 于 每 个 芯 片 容 纳 的 晶 体 管 数 量 每 年 翻 倍 的 预 测 纳 米 科 技 对 电 子 技 术 的 影 响 正 在 引 起 研 究 思 路 和 工 业 行 业 内 的 一 场 变 革 此 外, 最 终 用 户 的 期 盼, 也 是 促 使 这 个 变 革 时 代 迅 速 来 临 的 一 个 很 大 的 驱 动 力 量 回 顾 硅 基 电 子 发 展 历 史 技 术 革 命 可 能 会 形 成 对 社 会 的 一 种 破 坏 力 量, 但 同 时 也 是 推 动 社 会 向 前 发 展 的 一 种 力 量 18 世 纪 工 业 革 命 导 致 了 俄 罗 斯 农 奴 制 度 的 结 束, 随 着 欧 洲 人 移 民 到 新 大 陆 寻 找 机 会, 刺 激 了 工 业 的 发 展 欧 洲 的 社 会 革 命 产 生 了 一 个 劳 动 力 大 军, 以 及 这 些 劳 动 力 所 需 要 的 教 育 事 业 的 发 展 1957 年 人 造 卫 星 上 天 导 致 美 国 政 府 迅 速 加 大 了 对 科 学 技 术 研 究 的 支 持 力 度, 重 视 提 高 劳 动 大 军 的 受 教 育 程 度, 以 期 赶 超 俄 罗 斯 所 取 得 的 成 就 当 时, 许 多 年 轻 人 努 力 学 习 科 学 和 工 程 学 知 识, 在 政 府 的 资 金 资 助 下, 建 立 了 许 多 创 业 公 司, 将 自 己 一 些 创 意 和 想 法 付 诸 实 施 1967 年, 因 工 程 系 主 任 戈 登 布 朗 (Gordon Brown) 的 原 因, 我 有 幸 在 麻 省 理 工 学 院 (MIT) 为 工 程 师 们 教 授 固 体 物 理 学, 二 次 大 战 期 间 的 经 历 对 布 朗 产 生 了 极 大 的 影 响, 他 坚 信 固 体 电 子 学 快 速 发 展 的 重 要 性, 并 相 信 硅 基 电 子 学 将 为 电 子 设 备 提 供 更 新 水 平 的 功 能 和 效 率 这 首 先 体 现 在 太 空 计 划 上, 然 后 是 对 社 会 的 更 广 泛 的 影 响 他 和 麻 省 理 工 学 院 校 长 杰 罗 姆 魏 斯 纳 (Jerome Wiesner) 都 是 对 美 国 政 府 发 展 技 术 能 力 颇 有 影 响 力 的 顾 问, 美 国 政 府 以 发 展 技 术 为 本, 帮 助 欧 洲 和 亚 洲 在 二 次 大 战 破 坏 后 进 行 灾 后 经 济 重 建 1960 年 至 1990 年 期 间, 美 国 政 府 开 始 慢 慢 刺 激 固 体 电 子 学 的 发 展, 设 立 了 国 家 纳 米 技 术 研 究 项 目, 虽 然 之 前 一 些 实 力 强 大 的 工 业 实 验 室, 如 贝 尔 实 验 室 国 际 商 用 机 器 公 司 (IBMP) 贝 尔 通 信 研 究 所 (Belcore) 和 通 用 电 气 研 究 实 验 室, 都 已 经 开 始 这 方 面 的 研 究, 这 些 实 验 室 纷 纷 在 大 学 里 物 色 这 一 领 域 内 有 才 华 的 科 学 家 和 工 程 师 作 为 新 增 加 就 业 机 会 的 应 对 措 施, 政 府 方 面 对 科 学 家 和 工 程 师 教 育 培 训 的 支 持 力 度 也 在 急 剧 加 大 随 着 硅 谷 私 营 企 业 的 成 长 和 发 展, 对 毕 业 生 的 需 求 也 在 增 加, 一 些 较 小 规 模 的 技 术 中 心 在 美 国 遍 地 开 花 在 联 邦 政 府 地 方 政 府 和 当 地 工 业 行 业 的 支 持 下, 区 域 性 的 纳 米 科 技 研 究 中 心 蓬 勃 发 展 起 来 科 学 学 科 的 发 展 导 致 对 高 等 教 育 的 需 求 日 益 增 加, 先 是 欧 洲, 然 后 是 南 美 和 亚 洲, 大 批 年 轻 人 才 纷 纷 移 民 来 到 美 国 所 有 这 些 活 动, 很 大 程 度 上 都 努 力 维 持 了 摩 尔 定 律 向 前 发 展 的 趋 势, 即 缩 小 电 子 设 备 的 体 积 大 小 增 加 电 子 设 备 的 功 能 降 低 计 算 操 作 的 成 本 功 能 的 增 多 和 成 本 的 减 少 反 过 来 促 进 了 工 业 行 业 的 计 算 机 控 制 能 力, 以 及 电 子 产 品 通 信 自 动 化 和 信 息 存 储 12

15 前 沿 科 学 技 术 的 发 展 这 场 革 命 对 美 国 国 内 人 们 的 日 常 生 活 产 生 了 很 大 的 影 响, 包 括 对 儿 童 玩 具 和 儿 童 行 为 的 影 响, 以 及 对 户 外 游 戏 和 锻 炼 模 式 变 化 的 影 响 展 望 未 来 纳 米 技 术 前 景 在 电 子 学 和 纳 米 电 子 学 发 展 的 助 力 下, 这 样 的 技 术 革 命 将 继 续 向 前 发 展 可 以 预 想 的 是, 科 学 技 术 的 新 发 现 不 仅 将 会 继 续 保 持 下 去, 继 续 增 长 的 速 度 还 会 越 来 越 快 一 些 工 程 师 和 科 学 家 认 为, 以 目 前 的 模 式 继 续 向 前 发 展 是 不 现 实 的 当 电 子 器 件 的 尺 度 达 到 10 纳 米 时, 目 前 以 硅 为 基 础 的 设 备 器 件 和 研 究 策 略 很 快 就 会 达 到 自 然 限 制 的 极 限, 并 将 为 单 分 子 电 子 器 件 所 替 代 同 时, 计 算 机 科 学 家 正 在 开 发 更 加 高 效 的 软 件, 以 与 尺 寸 日 益 缩 小 的 电 子 设 备 相 匹 配 计 算 机 科 学 家 现 在 想 要 问 的 是, 当 摩 尔 定 律 发 展 模 式 放 缓 之 时, 会 发 生 什 么 计 算 机 科 学 家 所 倚 仗 的 硬 件 技 术 主 要 是 建 立 在 硅 材 料 之 上 的, 导 致 了 如 今 设 备 制 造 者 和 计 算 机 行 业 巨 头 之 间 想 法 的 差 距 很 显 然, 计 算 机 科 学 家 将 要 与 跨 学 科 团 队 产 生 更 多 的 交 集, 如 材 料 科 学 家 工 程 师 和 大 学 社 区 的 合 作, 以 及 与 行 业 和 国 家 实 验 室 内 互 补 合 作 伙 伴 的 合 作 等 所 有 参 与 其 中 的 科 学 家, 都 将 在 这 种 合 作 关 系 中 带 来 不 同 的 能 力 实 用 的 仪 器 和 专 业 知 识 青 年 学 生 将 受 益 于 这 种 由 联 邦 资 金 支 持 的 科 研 活 动 的 大 环 境 此 外, 可 能 在 国 际 专 业 协 会 的 促 进 下, 世 界 各 地 也 涌 现 了 许 多 类 似 的 发 展 模 式, 如 欧 洲 的 未 来 和 新 兴 技 术 旗 舰 项 目 等, 美 洲 和 亚 洲 也 有 这 类 项 目 材 料 科 学 领 域 内 的 一 场 革 命 正 在 酝 酿 之 中, 纳 米 新 材 料 很 可 能 成 为 未 来 电 子 器 件 和 计 算 机 硬 件 设 备 的 基 础 材 料 研 究 人 员 目 前 正 在 开 发 的 主 要 集 中 于 能 给 电 子 产 品 带 来 新 功 能 的 新 材 料 过 去 十 年 里, 电 子 器 件 材 料 的 研 究 发 展 主 要 集 中 于 二 维 层 状 材 料, 如 石 墨 烯, 这 些 材 料 拥 有 硅 技 术 无 法 实 现 的 一 些 功 能, 而 以 硅 材 料 为 基 础 的 计 算 机 技 术 发 展 则 是 摩 尔 定 律 的 主 要 聚 焦 点 多 层 石 墨 烯 可 以 像 石 墨 一 样 以 伯 纳 尔 的 叠 加 顺 序 堆 叠, 也 可 以 是 相 邻 层 之 间 以 不 同 扭 角 相 对 于 其 晶 体 轴 的 堆 叠, 通 过 这 种 堆 叠 方 式 可 达 到 控 制 其 一 些 物 理 属 性 的 目 的 但 这 还 不 是 纳 米 科 技 通 过 碳 纳 米 结 构 所 能 做 的 一 切 窄 宽 度 的 长 石 墨 烯 带 在 边 缘 结 构 上 表 现 出 更 高 的 载 体 密 度, 边 缘 结 构 差 异 的 特 性 可 以 在 载 体 密 度 可 控 的 等 离 子 体 电 子 器 件 中 得 到 开 发 利 用 同 样 的, 石 墨 烯 不 同 边 缘 产 生 的 不 同 的 磁 性, 也 可 以 用 于 磁 性 设 备 的 不 同 边 缘 的 配 置 上 得 到 广 泛 关 注 与 研 究 的 石 墨 烯 已 成 为 纳 米 科 学 的 标 准 参 考 材 料 与 单 层 石 墨 烯 相 比 较, 双 层 和 多 层 平 面 内 导 电 性 能 较 高, 而 平 面 间 导 电 性 能 极 低 单 层 与 双 层 多 层 石 墨 烯 电 子 性 能 之 间 的 差 异, 是 其 被 采 用 作 为 纳 米 计 量 标 准 的 一 个 重 要 原 因 目 前, 其 他 一 些 层 状 材 料 也 被 引 入 电 子 产 品 的 应 用 之 中 由 于 单 层 石 墨 烯 平 面 内 的 电 导 率 较 高, 以 及 较 大 的 能 量 带 隙 (~5 ev) 和 非 常 平 坦 的 表 面 结 晶 形 式, 半 导 体 六 角 氮 化 硼 (h-bn) 受 到 了 很 大 的 关 注 此 外,h-BN 还 具 有 类 似 于 石 墨 烯 的 晶 格 常 数 由 于 以 上 这 些 原 因,h-BN 已 成 为 研 究 界 代 替 其 他 层 状 材 料 的 一 种 常 用 基 质 研 究 人 员 对 层 状 过 渡 金 属 硫 化 物 (TMD) 投 入 了 大 量 的 研 究, 因 其 拥 有 大 量 可 用 的 过 渡 金 属 和 硫 族 元 素 种 类 为 一 系 列 实 际 应 用 量 身 定 制 的 TMD 材 料 可 具 备 各 种 不 同 的 电 气 和 热 性 能, 拥 有 定 制 电 子 光 学 和 热 等 多 种 性 能 组 合 的 更 多 选 择, 包 括 一 些 低 对 称 性 分 层 材 料, 如 磷 烯 (Phosphorene, 一 层 磷 ) 和 其 他 分 层 材 料 类 别 内 的 平 面 各 向 异 性 材 料 显 然, 这 种 分 层 纳 米 片 的 应 用 在 电 子 和 计 算 机 科 学 领 域 内 的 应 用 还 处 于 一 个 甚 至 比 以 石 墨 烯 材 料 应 用 于 电 子 产 品 还 更 初 级 的 阶 段, 这 些 分 层 次 超 薄 材 料 是 否 能 够 成 为 摩 尔 定 律 所 指 硅 材 料 的 继 任 者, 目 前 还 未 可 知 但 不 久 我 们 就 可 以 看 到, 进 军 这 一 领 域 的 一 些 成 功 的 创 业 公 司, 以 及 投 入 的 实 际 应 用, 可 能 很 快 就 会 对 未 来 电 子 光 学 和 机 械 设 备 以 及 计 算 机 科 学 产 生 巨 大 的 影 响 积 极 进 取 的 受 过 良 好 教 育 的 员 工 队 伍 对 于 未 来 纳 米 科 学 和 纳 米 技 术 的 前 景 极 为 兴 奋, 由 于 上 面 所 叙 述 过 的, 我 曾 亲 历 过 的 技 术 领 域 内 的 两 次 早 期 重 大 变 革, 我 个 人 也 为 这 一 领 域 内 取 得 的 进 步 感 到 兴 奋 现 在 看 来, 下 一 场 技 术 革 命 的 时 机 已 经 成 熟 研 究 界 的 许 多 想 法 正 在 浮 出 水 面, 更 广 泛 的 不 断 扩 大 的 经 验 和 知 识 丰 富 的 劳 动 力 大 军 正 在 形 成 为 让 科 学 造 福 人 类 社 会, 政 府 和 私 人 资 助 机 构 纷 纷 建 立 了 学 术 界 工 业 和 国 家 实 验 室 之 间 的 合 作, 在 许 多 情 况 下, 还 包 括 一 些 国 际 上 的 合 作 [ 资 料 来 源 :Nature Nanotechnology][ 责 任 编 辑 : 彦 隐 ] 13

16 前 沿 科 学 等 离 体 子 物 理 学 现 状 与 发 展 前 景 乔 若 静 / 编 译 根 据 最 近 的 一 项 分 析, 等 离 体 子 学 领 域 的 技 术 成 熟 度 发 展 已 稳 步 爬 升 至 光 明 期, 在 此 阶 段 对 这 一 领 域 潜 力 的 理 性 评 估, 有 望 产 生 广 泛 的 对 社 会 有 用 的 多 种 实 用 性 技 术 大 批 研 究 人 员 集 众 人 之 力, 探 索 这 一 有 可 能 产 生 许 多 惊 人 发 现 的 新 的 研 究 领 域, 如 等 离 体 子 非 凡 的 光 传 输 能 力 负 折 射 率 新 材 料 等 离 激 子 激 光 器 等 在 等 离 子 体 学 领 域 内, 有 些 人 可 能 会 比 别 人 更 早 意 识 到, 闪 闪 发 光 的 未 必 都 是 金 子, 但 在 这 个 令 人 振 奋 的 稳 步 爬 升 阶 段, 大 量 人 力 物 力 资 源 的 投 入, 显 然 已 为 形 成 一 个 新 的 科 学 社 区 建 立 了 坚 实 的 概 念 基 础 不 可 避 免 的 是, 许 多 这 些 新 的 探 索 最 终 不 是 成 效 有 限, 就 是 走 入 了 死 胡 同 导 致 失 败 的 一 些 原 因 主 要 都 与 光 损 失 以 及 无 法 使 用 贵 金 属 进 行 光 信 号 调 制 相 关 但 在 开 发 应 对 这 些 问 题 的 新 方 法 新 策 略 中, 所 获 得 的 新 知 识 却 也 是 极 其 宝 贵 的 自 然 杂 志 纳 米 技 术 专 刊 对 这 些 新 方 法 新 策 略 进 行 了 回 顾, 特 别 是 对 于 如 何 实 现 在 纳 米 尺 度 上 的 光 - 物 质 相 互 作 用 的 控 制, 研 究 人 员 对 一 些 独 创 性 的 方 案 进 行 了 探 索 可 能 最 独 树 一 帜 的 办 法 是 不 用 金 属 材 料, 而 代 之 以 电 介 质 材 料 在 自 然 的 一 篇 评 论 文 章 中, 萨 曼 约 哈 尼 (Saman Jahani) 和 朱 宾 雅 各 布 (Zubin Jacob) 概 述 了 电 介 质 谐 振 器 的 物 理 性 质 : 在 纳 米 尺 度 上 通 过 定 向 米 氏 共 振 集 中 于 某 个 电 磁 场 的 具 有 高 折 射 率 的 纳 米 结 构, 来 代 替 等 离 激 元 最 近 的 调 查 表 明, 通 过 使 用 电 介 质 谐 振 器, 可 以 实 现 覆 盖 介 电 系 数 和 渗 透 率 所 有 四 个 象 限 全 方 位 的 光 学 响 应 电 介 质 纳 米 谐 振 器 ( 金 属 表 面 ) 还 可 以 精 确 调 谐 光 的 振 幅 相 位 和 偏 振 性 能, 为 制 造 大 量 亚 波 长 光 学 组 件 带 来 更 多 的 可 能 性, 并 具 有 与 CMOS 兼 容 的 额 外 优 势 另 外, 文 章 还 介 绍 了 在 不 使 用 金 属 的 情 况 下, 在 纳 米 尺 度 上 进 行 光 导 的 多 种 办 法, 包 括 无 损 表 面 波, 以 及 限 制 在 内 反 射 系 统 内 的 亚 波 长 一 种 与 众 不 同 的 方 法 是 将 等 离 激 元 与 声 子 ( 声 音 或 振 动 能 的 量 子 ) 结 合 起 来 在 一 篇 文 章 中, 约 书 亚 考 德 威 尔 (Joshua Caldwell) 和 他 的 同 事 对 可 维 持 等 离 激 元 - 声 子 极 化 声 子 的 电 磁 混 合 材 料 进 行 了 研 究 这 种 耦 合 模 式 可 以 减 少 光 传 播 损 失, 即 使 在 中 远 红 外 波 段 仍 然 能 够 保 持 在 纳 米 限 度 内 ; 在 范 德 瓦 耳 斯 或 共 价 异 质 结 构 中, 还 可 以 通 过 维 持 等 离 激 元 和 / 或 声 子 的 二 维 材 料 的 层 层 叠 加 达 到 同 样 目 的 虽 然 这 些 模 式 最 早 的 实 验 是 通 过 石 墨 烯 / 六 角 氮 化 硼 异 质 结 构 实 现 的, 文 章 讨 论 了 从 中 红 外 到 太 赫 兹 波 段 范 围 内 有 效 的 各 种 材 料 组 合, 并 构 想 了 与 水 晶 结 合 的 合 理 设 计, 一 种 可 适 用 于 更 广 泛 波 长 范 围 的 新 颖 复 合 材 料 将 目 前 等 离 体 子 领 域 内 的 研 究 知 识 转 化 为 实 际 应 用 的 另 一 种 想 法 是 将 各 种 作 用 力 应 用 于 纳 米 尺 度 上, 在 另 一 篇 文 章 中, 尼 科 莱 泽 卢 戴 夫 (Nikolay Zhe 鄄 ludev) 和 埃 里 克 普 卢 姆 (Eric Plum) 讨 论 了 电 磁 的 各 种 相 互 作 用, 如 库 仑 力 洛 伦 兹 力 和 安 培 力, 都 可 以 用 于 激 发 金 属 表 面, 调 制 光 信 号 大 型 非 线 性 光 学 光 电 和 磁 光 效 应 已 被 证 明 可 动 态 控 制 亚 波 长 分 辨 率 的 光 信 号 这 项 可 与 CMOS 兼 容 的 技 术, 已 可 在 兆 赫 范 围 提 供 频 率 调 制, 并 有 可 能 应 用 于 光 学 通 信 中 为 示 范 普 遍 起 作 用 的 物 理 学 原 理, 也 可 以 通 过 热 光 学 和 磁 性 原 理 的 交 互 作 用 达 到 快 速 驱 动 的 目 的 当 然, 以 上 这 些 只 是 随 着 等 离 体 子 学 和 超 材 料 研 究 日 益 成 熟, 近 年 来 脱 颖 而 出 具 有 潜 在 发 展 前 途 新 技 术 中 的 几 种 其 中, 对 光 损 失 这 一 基 本 问 题 的 认 识, 将 促 使 科 研 界 提 出 创 造 性 的 解 决 方 案, 通 过 非 常 规 思 路, 找 到 独 辟 蹊 径 的 解 决 方 案, 或 寻 找 可 与 等 离 子 体 优 点 互 补 的 材 料 系 统 和 交 互 方 式 在 这 个 初 步 发 展 和 探 索 阶 段, 对 这 一 领 域 发 展 前 景 的 具 有 说 服 力 的 评 估 也 是 最 终 实 现 其 全 部 潜 力 所 必 不 可 少 的 [ 资 料 来 源 :Nature][ 责 任 编 辑 : 彦 隐 ] 14

17 生 命 科 学 热 生 物 学 : 测 量 细 胞 温 度 李 升 伟 / 编 译 荧 光 技 术 和 纳 米 技 术 的 发 展, 使 得 测 量 细 胞 的 温 度 成 为 可 能, 它 被 称 为 热 生 物 学 (Ther 鄄 mal Biology), 本 文 介 绍 了 最 近 这 方 面 的 进 展 即 使 是 最 早 的 科 学 家 们 也 知 道, 温 度 是 一 种 重 要 的 生 命 体 征, 指 示 着 人 体 的 健 康 与 疾 病 状 况 17 世 纪, 意 大 利 生 理 学 家 桑 克 托 利 沃 桑 克 托 利 乌 斯 (Sanctorio Sanctorius) 发 明 了 口 腔 温 度 计 来 测 量 病 人 的 体 温 现 在,21 世 纪 的 科 学 家 们 面 临 着 一 项 新 的 更 具 挑 战 性 的 任 务 : 测 量 单 个 细 胞 的 温 度 温 度 是 一 种 调 节 生 命 的 基 本 物 理 参 数, 它 决 定 着 发 生 在 生 命 系 统 内 部 所 有 种 类 的 过 程 的 速 度 米 哈 伊 尔 卢 金 (Mikhail Lukin) 说, 他 是 哈 佛 大 学 的 物 理 学 家, 并 且 已 经 研 发 了 一 种 用 金 刚 石 作 材 料 的 细 胞 内 温 度 传 感 器 然 而, 尽 管 温 度 是 一 种 基 本 的 生 命 体 征, 科 学 家 们 对 于 细 胞 之 间 和 细 胞 之 内 温 度 的 变 化 范 围 还 是 知 之 甚 少 的 卢 金 说 : 很 显 然, 要 可 靠 地 测 量 细 胞 内 的 温 度 不 是 一 件 容 易 的 事, 你 不 可 能 既 把 一 支 尺 寸 与 细 胞 相 比 十 分 庞 大 的 温 度 计 放 进 细 胞 内 部, 又 保 持 细 胞 的 存 活 但 是, 在 过 去 五 年 中, 研 究 人 员 们 已 经 运 用 纳 米 技 术 制 造 出 了 微 型 化 的 温 度 计, 可 以 揭 示 出 不 同 细 胞 之 间 和 同 种 细 胞 内 不 同 部 位 间 的 温 度 差 别 这 个 领 域 的 研 发 到 目 前 为 止, 我 已 经 ( 用 微 型 化 温 度 计 ) 鉴 定 大 约 个 细 胞 葡 萄 牙 阿 维 罗 大 学 的 物 理 学 家 路 易 斯 卡 洛 斯 (Luís Car 鄄 los) 说 道 他 正 在 试 验 用 相 对 过 热 来 杀 死 癌 症 细 胞 尽 管 人 体 内 的 温 度 差 异 很 小, 仅 在 几 摄 氏 度 范 围 内 变 动, 但 是 研 究 人 员 们 开 始 怀 疑 微 小 的 差 异 可 以 改 变 细 胞 的 化 学 组 成 与 相 关 功 能, 或 者 可 以 帮 助 医 生 们 发 现 癌 细 胞 生 长 于 是 我 们 集 中 介 绍 一 下 : 温 度 是 如 何 影 响 细 胞 内 部 的 存 在 状 态 和 相 关 的 几 种 检 测 方 法 热 源 材 料 : 由 内 山 诚 一 实 验 室 研 发 的 微 型 荧 光 温 度 计 设 计 图 当 温 度 计 受 凉 的 时 候, 它 的 聚 合 物 主 干 保 持 一 种 开 放 的 关 注 温 度 变 化 热 点 水 弱 荧 光 结 构, 水 分 子 可 以 急 速 冷 却 荧 光 单 元 并 停 止 其 发 光 ( 这 里 为 一 个 星 形 基 团 ) 当 温 度 上 升 时, 温 度 计 折 叠 并 保 护 荧 光 单 元 远 离 水, 使 其 可 以 发 光 温 度 计 揭 示 : 培 养 的 猴 子 细 胞 的 细 胞 核 平 均 温 度 比 细 胞 质 平 均 温 度 高 1 热 冷 强 荧 光 4.6 荧 光 时 间 长 短 ( 纳 秒 ) 7.6 (28 ) (40 ) 15

18 生 命 科 学 研 究 者 : 东 京 大 学 内 山 诚 一 ; 早 稻 田 大 学 铃 木 圆 目 标 : 温 度 影 响 着 细 胞 内 部 大 量 的 过 程, 从 基 因 表 达 到 蛋 白 质 之 间 的 交 联 方 式 铃 木 内 山 和 他 们 的 同 事 们 着 眼 于 测 量 细 胞 不 同 部 位 之 间 温 度 的 细 微 变 化 这 样 的 研 究 有 可 能 发 现 热 是 如 何 在 人 体 内 产 生 的, 也 有 可 能 发 现 温 度 的 局 部 变 化 是 如 何 改 变 细 胞 的 化 学 结 构 和 属 性 的 方 法 : 包 含 有 荧 光 染 料 及 量 子 光 点 或 其 他 发 光 发 热 材 料 的 传 感 器, 其 光 亮 度 可 以 由 温 度 的 变 化 而 变 化 在 过 去 几 年 中, 研 究 人 员 们 已 经 发 明 了 细 胞 可 以 摄 入 的 微 小 荧 光 温 度 计 借 用 显 微 镜, 研 究 人 员 们 可 以 检 测 到 温 度 计 的 发 光, 从 而 判 断 细 胞 内 的 温 度 情 况 内 山 首 次 开 始 对 单 个 细 胞 内 部 的 温 度 分 布 进 行 作 图, 在 2012 年 的 自 然 - 通 讯 杂 志 上 发 表 了 他 设 计 的 荧 光 聚 合 物 温 度 计 该 温 度 计 由 一 个 粘 附 在 一 条 聚 丙 烯 酰 胺 链 上 的 荧 光 分 子 组 成, 其 结 构 随 温 度 的 变 化 而 发 生 改 变, 从 而 关 闭 或 打 开 荧 光 它 们 在 猴 子 肾 衍 生 细 胞 株 中 的 实 验 证 明 : 细 胞 核 比 细 胞 质 温 度 高 并 且 线 粒 体 释 放 出 大 量 的 热 量 内 山 还 发 表 了 其 他 的 荧 光 传 感 器 设 计, 距 今 最 近 的 2015 年 研 发 了 一 种 更 快 的 荧 光 聚 合 体 温 度 计, 其 作 用 机 理 取 决 于 温 敏 性 荧 光 体 与 抗 温 敏 荧 光 体 的 组 成 比 例 他 们 使 用 这 种 传 感 器 来 测 量 人 体 胚 胎 肾 细 胞 内 的 温 度, 发 现 细 胞 核 的 温 度 大 约 比 细 胞 质 的 温 度 高 1 当 铃 木 第 一 次 开 始 设 计 温 度 计 时, 他 将 一 个 顶 部 粘 附 有 荧 光 染 料 的 玻 璃 微 针 轻 柔 地 压 迫 在 细 胞 膜 上, 观 察 荧 光 是 否 随 温 度 升 高 而 有 所 改 变 最 后, 他 和 他 的 同 事 们 开 始 做 实 验 来 制 作 可 以 导 入 细 胞 内 部 的 荧 光 纳 米 粒 子 因 为 温 度 可 以 改 变 荧 光 分 子 的 亮 度, 所 以 荧 光 分 子 不 能 暴 露 在 细 胞 的 化 学 环 境 中 纳 米 温 度 计 应 该 能 够 读 出 温 度 的 变 化, 而 对 于 ( 其 他 的 ) 环 境 改 变 则 不 做 出 反 应 铃 木 说 为 了 保 护 荧 光 探 针 分 子, 研 究 人 员 们 把 这 些 荧 光 分 子 植 入 到 一 个 疏 水 聚 合 物 内, 然 后 把 这 个 疏 水 核 包 埋 在 一 个 壳 形 的 亲 水 聚 合 物 内, 制 作 成 平 均 直 径 为 140 纳 米 的 颗 粒 为 了 防 止 错 误 的 反 馈, 铃 木 使 用 了 两 种 类 型 的 荧 光 体 : 一 种 对 热 敏 感, 另 一 种 则 不 通 过 测 量 两 种 荧 光 体 亮 度 的 比 值, 该 团 队 发 现 : 用 一 种 化 学 品 刺 激 培 养 中 的 人 类 癌 症 细 胞 后, 细 胞 会 产 生 热, 并 且 不 同 部 位 放 热 量 各 不 相 同 铃 木 团 队 于 2015 年 建 立 了 一 种 单 分 子 温 度 计, 它 由 一 种 黄 色 荧 光 的 且 明 确 靶 向 线 粒 体 的 染 料 组 成 此 线 粒 体 是 细 胞 内 的 产 热 引 擎 另 一 种 小 分 子 温 度 计 靶 向 内 质 网 这 种 内 质 网 是 一 种 能 帮 助 细 胞 产 热 的 细 胞 器 相 关 论 文 发 表 于 2014 年 铃 木 希 望 有 朝 一 日 能 够 研 发 出 有 如 下 性 能 的 细 胞 内 温 度 计 : 能 够 有 更 快 的 应 答 时 间 和 更 强 的 温 度 敏 感 性 这 样, 他 们 可 以 确 定 细 胞 内 产 热 的 其 他 热 点 部 位 最 近 他 说, 他 正 在 努 力 改 进 传 感 器, 使 之 能 够 捕 捉 到 热 的 微 小 爆 炸 及 知 晓 它 的 扩 散 速 率 线 粒 体 和 内 质 网 被 认 为 是 热 源, 铃 木 说, 肌 肉 细 胞 内 的 肌 动 球 蛋 白 也 是 热 源, 应 该 还 有 其 他 的 我 们 还 没 有 想 象 得 到 的 热 源 用 金 刚 石 做 发 光 材 料 珠 光 宝 气 的 细 胞 : 米 哈 伊 尔 卢 金 和 他 的 同 事 们 用 激 光 照 射 已 导 入 到 细 胞 内 的 纳 米 金 粒 子 来 加 热 细 胞, 通 过 检 测 纳 米 金 刚 石 内 缺 陷 的 自 旋 态 来 测 量 细 胞 的 内 部 温 度 研 究 者 : 哈 佛 大 学 米 哈 伊 尔 卢 金 目 标 : 卢 金 和 他 的 合 作 者 们 梦 想 使 用 细 胞 内 温 度 来 将 健 康 细 胞 从 疾 病 细 胞 中 分 选 出 来, 并 且 通 过 加 热 它 们 或 者 冷 却 它 们 来 控 制 细 胞 这 为 研 究 开 辟 了 许 多 的 可 能 性 他 说 方 法 : 卢 金 是 一 位 物 理 学 家, 他 另 辟 蹊 径, 不 用 荧 光 染 料 或 聚 合 物, 而 是 用 金 刚 石 纳 米 晶 体 来 制 作 温 度 计 他 解 释 说 : 我 们 的 基 本 思 路 是 使 用 金 刚 石 内 的 量 子 缺 陷 即 所 谓 的 氮 空 位 中 心 机 理 在 制 作 温 度 计 这 种 氮 空 位 是 一 种 用 氮 替 代 碳 的 缺 陷 氮 空 位 中 心 拥 有 原 子 旋 转 状 态, 当 用 光 磁 场 或 温 度 干 扰 时 会 改 变 方 向 如 果 纳 米 晶 体 的 温 度 改 变, 会 发 生 的 是 纳 米 晶 体 内 碳 原 子 之 间 的 距 离 有 少 许 改 变, 从 而 改 变 了 电 子 的 旋 转 状 态 卢 金 说 16

19 生 命 科 学 当 研 究 人 员 们 向 金 刚 石 纳 米 晶 体 上 照 射 一 束 激 光 时, 氮 替 代 碳 的 缺 陷 会 发 光, 同 时 因 它 们 的 旋 转 状 态 和 温 度 不 同 而 发 射 出 不 同 的 荧 光 为 了 检 验 他 们 方 法 的 有 效 性, 研 究 人 员 还 将 黄 金 纳 米 粒 子 导 入 到 细 胞 内, 并 用 激 光 加 热 粒 子 经 过 这 样 的 改 进, 卢 金 和 他 的 团 队 不 仅 可 以 控 制 细 胞 的 温 度, 还 可 以 监 测 细 胞 温 度 控 制 是 如 何 进 行 的 2013 年, 这 些 研 究 者 发 现 他 们 可 以 检 测 到 小 到 的 温 度 变 化 卢 金 和 合 作 者 们 目 前 正 在 使 用 温 度 来 探 索 蠕 虫 的 发 育 机 理 并 试 图 影 响 其 发 育 机 理 它 使 得 你 可 以 选 择 性 地 调 节 细 胞 内 的 各 种 过 程, 他 说, 它 可 以 使 得 你 加 速 一 些 过 程 的 发 育 同 时 减 速 其 他 过 程 的 发 育, 或 者 当 你 不 需 要 这 种 特 殊 细 胞 再 具 有 某 种 生 理 功 能 时 杀 死 该 细 胞 癌 症 杀 手 多 用 途 聚 己 二 酸 乙 二 醇 酯 微 珠 体 : 米 Eu-Tb 复 合 体 兰 和 卡 洛 斯 磁 赤 铁 矿 已 经 设 计 了 NPs 材 料 一 颗 微 小 的 P4VP 材 料 珠 子, 它 既 10 纳 米 可 以 加 热 细 胞 又 可 以 测 出 它 们 的 温 度 来 荧 光 离 子 显 示 温 度 的 变 化 它 们 包 裹 磁 性 纳 米 粒 子, 在 暴 露 于 磁 场 时 可 以 为 纳 米 粒 子 提 供 热 能 为 了 起 到 保 护 作 用, 一 个 聚 合 物 外 壳 把 连 接 在 一 起 的 加 热 器 和 温 度 计 包 裹 在 内 部 研 究 者 : 葡 萄 牙 阿 维 罗 大 学 路 易 斯 卡 洛 斯 (Luís Carlos); 西 班 牙 萨 拉 戈 萨 大 学 阿 拉 贡 材 料 科 学 研 究 所 安 吉 尔 米 兰 (Angel Millán) 目 标 : 卡 洛 斯 和 米 兰 正 在 试 着 杀 死 肿 瘤, 通 过 选 择 性 地 向 癌 症 细 胞 施 加 能 致 死 的 高 热, 制 造 温 度 梯 度 以 破 坏 生 物 分 子 和 触 发 细 胞 死 亡 但 是, 使 用 过 热 来 杀 死 癌 细 胞 越 来 越 难 以 把 握, 因 为 缺 乏 一 种 良 好 的 方 法 来 保 证 癌 细 胞 得 到 足 够 的 热 而 周 围 组 织 则 保 持 相 对 的 冷 却 方 法 : 卡 洛 斯 和 米 兰 最 近 设 计 了 一 种 纳 米 粒 子, 既 是 一 种 加 热 器 又 是 一 个 温 度 计 研 究 人 员 们 希 望 既 加 热 细 胞 又 测 量 它 的 温 度, 方 法 是 功 能 化 不 同 部 分 颗 粒 使 其 完 成 两 种 不 同 的 任 务 卡 洛 斯 和 米 兰 想 要 保 证 他 们 在 精 确 地 测 量 热 源 部 位 的 温 度 时, 热 量 可 以 在 细 胞 内 狭 小 的 空 间 快 速 消 散 掉 如 果 我 们 没 有 真 正 与 加 热 器 相 连 接 的 温 度 计, 我 们 就 不 可 能 测 量 到 有 效 的 局 部 温 度 卡 洛 斯 说 加 热 器 由 一 个 磁 珠 构 成, 当 其 暴 露 在 磁 场 中 时 就 会 热 起 来 温 度 计 由 两 个 荧 光 离 子 构 成, 其 中 之 一 随 温 度 变 化 亮 度 也 随 之 变 化 这 些 都 被 封 闭 在 一 个 聚 合 物 壳 内 目 前 已 经 有 临 床 试 验 检 测 使 用 磁 珠 诱 导 加 热 来 杀 死 癌 细 胞 但 是, 研 究 人 员 们 认 为, 有 了 他 们 的 组 合 型 的 加 热 器 - 温 度 计, 他 们 可 以 更 加 精 准 地 加 热 细 胞, 在 减 少 可 用 纳 米 粒 子 的 数 量 的 同 时, 又 能 有 效 地 杀 死 肿 瘤 如 果 你 将 纳 米 粒 子 特 殊 处 理 后 嵌 入 到 癌 细 胞 内 部, 可 能 只 需 要 少 量 就 足 以 诱 导 癌 细 胞 死 亡 米 兰 说 研 究 人 员 们 目 前 正 在 培 养 物 中 加 热 其 细 胞 并 监 测 它 们 的 温 度 和 反 应 深 入 到 皮 肤 内 部 深 入 皮 下 : 杰 克 和 他 的 同 事 们 已 经 制 作 了 一 种 可 以 感 受 皮 肤 下 温 度 的 纳 米 温 度 计 ( 上 图 左 上 部 ) 温 度 计 是 由 温 度 敏 感 性 量 子 点 和 温 度 不 敏 感 性 荧 光 纳 米 粒 子 组 成 的, 全 部 嵌 入 在 一 种 具 有 兼 容 性 的 生 物 聚 合 物 中 纳 米 温 度 计 的 透 射 电 子 显 微 镜 图 像 ( 上 图 左 下 和 右 部 ) 研 究 者 : 马 德 里 自 治 大 学 丹 尼 尔 杰 克 (Daniel Jaque) 目 标 : 杰 克 小 组 希 望 建 立 方 法 来 测 量 动 物 的 皮 下 温 度, 最 终 实 现 人 体 组 织 在 体 温 度 测 量, 而 使 用 的 温 度 传 感 器 发 出 穿 越 肉 体 的 荧 光 信 号 方 法 : 大 多 数 纳 米 温 度 计 有 一 个 重 大 的 局 限 性 : 它 们 只 发 出 可 见 光 范 围 的 光 波 这 项 工 作 的 细 致 化 实 现 了 在 培 养 物 中 观 察 细 胞, 甚 至 于 在 相 对 17

20 生 命 科 学 透 明 的 生 物 体 模 型 如 蠕 虫 体 内 观 察 细 胞 但 是, 可 见 光 不 能 告 知 研 究 人 员 更 多 关 于 完 整 的 不 透 明 生 物 体 内 的 皮 肤 下 面 的 细 胞 所 发 生 的 故 事 其 间, 大 多 数 的 红 外 光 谱 可 以 被 充 满 在 组 织 内 的 水 所 吸 收 但 是, 有 些 波 长 范 围 的 光 波 可 以 渗 透 入 组 织 并 且 克 服 水 吸 收 的 难 题 波 长 在 650 至 950 纳 米 之 间 的 光 波 是 接 近 红 外 线 的 红 光, 它 被 认 为 是 一 扇 供 科 学 家 们 行 之 有 效 地 开 展 对 生 物 学 研 究 的 窗 户 波 长 在 至 纳 米 之 间 的 红 外 光 则 为 科 学 家 们 打 开 了 第 二 扇 生 物 学 之 窗 杰 克 和 他 的 同 事 们 正 在 研 发 的 一 种 使 用 荧 光 技 术 的 温 度 计, 它 们 可 以 被 这 些 特 定 波 长 的 光 激 发 并 得 出 温 度 的 数 值 最 近, 杰 克 带 领 博 士 后 埃 玛 马 丁 罗 德 里 格 斯 (Emma Martín Rodríguez) 和 其 他 同 事 设 计 了 一 种 温 度 计, 在 第 一 波 长 段 被 激 发 并 发 射 出 第 二 波 长 段 内 的 信 号 这 种 温 度 计 的 组 成 一 部 分 是 量 子 点 群, 其 荧 光 发 光 性 随 温 度 的 上 升 而 被 淬 灭, 第 二 部 分 是 对 温 度 不 敏 感 的 荧 光 纳 米 粒 子 群, 二 者 都 被 包 裹 在 一 种 被 称 为 FDA 的 聚 合 物 之 内 有 了 目 前 的 这 些 技 术, 就 可 能 感 受 到 动 物 皮 肤 下 大 约 1 厘 米 深 浅 处 的 温 度 但 是 为 了 能 够 将 这 些 成 果 转 化 为 相 关 人 体 的 医 学 应 用, 研 究 人 员 们 将 需 要 检 测 到 更 深 处 的 温 度 我 们 还 刚 刚 处 在 历 史 的 开 始 阶 段 杰 克 说 最 后, 杰 克 希 望 使 用 纳 米 温 度 计 来 帮 助 对 癌 症 的 热 治 疗 你 导 入 纳 米 粒 子 到 你 的 体 内 后, 它 会 给 出 机 体 温 度 的 实 时 测 量 值 他 说, 然 后 在 你 加 热 肿 瘤 时, 你 可 以 调 节 治 疗 装 置 温 度 从 而 不 至 于 灼 伤 机 体 温 度 的 困 惑 对 2012 年 自 然 - 通 讯 杂 志 内 山 诚 一 论 文 载 图 中 描 述 的 高 水 平 产 热 问 题, 巴 富 表 示 反 对 图 像 显 示 在 活 猴 细 胞 内 线 粒 体 附 近 的 大 型 局 部 温 度 峰 值 ( 白 色 箭 头 ) 字 母 N 指 示 细 胞 核 包 括 铃 木 圆 和 内 山 诚 一 在 内 的 研 究 人 员 最 近 测 量 到 了 活 细 胞 内 实 质 性 的 温 度 增 加 在 这 些 案 例 中, 尽 管 缺 乏 任 何 对 细 胞 的 外 来 加 热, 温 差 仍 然 达 到 了 几 个 摄 氏 度 2014 年 9 月, 一 组 法 国 的 研 究 人 员 对 此 发 现 提 出 了 疑 问, 他 们 从 2014 年 到 2015 年 发 表 了 时 间 跨 度 长 达 一 年 的 观 察 研 究 法 国 小 组 进 行 了 统 计 学 计 算, 似 乎 证 明 了 单 个 细 胞 不 可 能 5.4 荧 光 时 间 长 短 ( 纳 秒 ) 6.5 (31 ) (35 ) 有 足 够 的 能 量 来 如 此 快 速 地 对 其 自 身 产 生 这 样 巨 大 的 温 度 变 化 葡 萄 糖 是 一 种 细 胞 内 分 子 也 是 能 量 的 来 源, 来 自 艾 克 斯 马 赛 大 学 菲 涅 耳 研 究 所 的 共 同 作 者 吉 列 姆 巴 富 (Guillaume Baffou) 说, 如 果 你 用 葡 萄 糖 填 满 细 胞 的 整 个 体 积, 然 而 这 显 然 是 不 太 可 能 的 同 时 如 果 你 将 葡 萄 糖 燃 烧 掉, 你 也 不 会 使 得 温 度 增 加 1 如 果 我 们 应 用 传 统 的 热 力 学 法 则, 我 们 会 得 出 这 样 的 结 论, 细 胞 内 部 反 应 不 会 产 生 大 约 1 的 细 胞 内 温 度 变 化, 葡 萄 牙 阿 维 罗 大 学 的 路 易 斯 卡 洛 斯 表 达 了 自 己 的 认 同, 但 是, 从 实 验 结 果 来 说, 有 几 项 来 自 世 界 各 地 的 研 究 者 完 成 的 工 作 表 明 存 在 超 过 1 的 温 度 差 异 一 种 可 能 性 是 : 研 究 人 员 观 察 到 细 胞 内 巨 大 的 温 度 增 加 简 单 地 说 只 是 在 制 造 实 验 误 差 另 外 一 种 假 设 是 微 米 和 纳 米 级 尺 度 的 热 传 递 问 题, 并 不 能 用 传 统 热 力 学 进 行 良 好 的 描 述 卡 洛 斯 说 铃 木 同 意 这 样 的 说 法 : 在 没 有 外 来 热 输 入 的 情 况 下, 不 可 能 有 整 个 细 胞 变 热 达 1 但 是, 计 算 应 该 不 考 虑 像 水 球 一 样 的 整 个 细 胞 的 温 度, 而 是 考 虑 细 胞 内 部 一 个 微 小 的 体 积 产 生 热 量 即 在 此 基 础 上 的 测 量 温 度 铃 木 说, 下 一 步 将 是 测 量 活 细 胞 的 热 传 导 性, 并 保 证 它 们 的 细 胞 器 和 蛋 白 质 遍 及 其 内 部 这 可 能 有 助 于 解 释 局 部 细 胞 是 否 可 以 加 热 及 如 何 来 加 热, 而 整 个 细 胞 并 没 有 经 历 根 本 性 的 温 度 变 化 热 生 物 学 (Thermal biology) 仍 然 处 于 其 婴 儿 期, 巴 富 说, 我 们 希 望 得 到 一 张 整 个 细 胞 的 可 靠 的 温 度 分 布 图 [ 资 料 来 源 :The Scientist][ 责 任 编 辑 : 遥 醒 ] 18

21 生 命 科 学 好 奇 心 取 决 于 已 知 凌 寒 / 编 译 我 们 寻 觅 新 颖 事 物, 但 所 求 并 不 多 人 类 有 吃 的 欲 望 喝 的 欲 望, 以 及 繁 衍 的 欲 望 人 类 的 好 奇 心 也 是 如 此 卡 耐 基 梅 隆 大 学 经 济 学 与 心 理 学 教 授 乔 治 勒 文 施 泰 因 (George Loewen 鄄 stein) 如 是 说, 我 们 有 着 无 限 的 求 知 欲 去 创 造 去 探 索 去 孜 孜 不 倦 地 学 习 求 知 欲 足 可 与 其 他 欲 望 匹 敌 那 么, 好 奇 心 有 什 么 稀 奇 的 呢, 难 道 是 因 为 好 奇 心 似 乎 并 不 与 任 何 具 体 回 报 相 关? 好 奇 心 带 来 的 理 论 难 题 就 是, 为 什 么 人 们 会 被 按 好 奇 心 的 定 义 来 说 没 有 外 在 好 处 的 信 息 牢 牢 吸 引? 勒 文 施 泰 因 曾 这 样 写 道 生 命 体 寻 求 食 物 水 性 庇 护 所 休 息 财 富 或 者 是 生 活 中 各 种 其 他 的 营 养 和 使 自 己 愉 悦 的 事 物 也 在 情 理 之 中 但 是 追 溯 引 力 的 本 质 或 者 是 跑 到 月 亮 上 去 有 什 么 好 处 呢? 有 个 很 简 单 的 答 案 就 是 我 们 永 远 不 会 知 道 今 天 学 到 的 东 西 明 天 是 不 是 就 能 派 上 用 场 了 以 蠕 虫 为 例, 它 们 是 无 药 可 救 的 乐 天 派 加 利 福 尼 亚 索 尔 克 生 物 科 学 研 究 所 的 神 经 生 物 学 家 斯 里 坎 斯 查 拉 萨 尼 (Sreekanth Chalasani) 这 样 说 道 他 的 研 究 对 象 是 秀 丽 隐 杆 线 虫, 一 种 常 见 的 几 毫 米 长 的 线 虫 实 验 中, 他 把 一 只 线 虫 放 在 一 个 大 的 菌 斑 ( 线 虫 最 喜 欢 的 食 物 ) 上 面, 周 围 围 绕 着 许 多 潜 在 的 交 配 对 象 它 会 做 什 么 呢? 它 会 离 开 那 个 菌 斑, 四 处 找 找 有 没 有 更 多 的 东 西, 他 说 道, 没 有 任 何 迹 象 表 明 周 围 还 有 更 好 的 东 西 这 就 是 你 能 给 它 提 供 的 最 好 的 食 物 简 直 是 疯 了! 不 管 你 仅 仅 是 放 弃 了 你 的 食 物, 还 是 飞 到 了 太 空, 探 索 确 实 显 得 有 点 犯 傻 当 然, 除 非 你 永 远 也 不 知 道 食 物 是 否 会 被 耗 尽 从 进 化 论 的 观 点 上 来 看, 我 们 有 充 分 的 理 由 继 续 探 寻, 查 拉 萨 尼 说 道 信 息 帮 助 我 们 做 出 更 好 的 选 择 并 能 适 应 不 断 变 化 着 的 环 境 说 不 定 哪 一 天 我 们 就 需 要 一 个 月 球 基 地 了 呢 好 奇 心 关 乎 所 知 所 学 不 过, 好 奇 心 并 非 漫 无 目 的 我 们 总 是 对 特 定 的 事 物 感 到 好 奇, 对 哪 些 事 物 感 兴 趣 则 因 人 而 异 有 些 人 沉 溺 于 单 一 爱 好, 是 奥 秘 的 忠 实 追 寻 者 ; 另 一 些 人 却 涉 猎 甚 广, 杂 学 旁 收 兴 趣 点 的 差 异 性 告 诉 我 们, 某 些 超 越 于 漫 无 目 的 兴 趣 之 外 的 东 西 引 导 着 我 们 独 特 的 嗜 好 的 确 如 此, 研 究 好 奇 心 机 制 的 科 学 家 们 发 现 其 本 文 作 者 扎 克 乔 治 (Zach St. George), 驻 加 利 弗 尼 亚 自 由 撰 稿 人, 报 道 科 学 和 环 境 相 关 内 容 19

22 生 命 科 学 机 制 的 核 心 为 一 种 概 率 算 法 我 们 的 大 脑 进 行 着 连 续 计 算, 计 算 着 哪 条 路 线 或 哪 种 行 为 能 让 我 们 在 最 短 时 间 内 获 得 最 多 的 知 识 就 像 维 基 百 科 页 面 上 的 链 接 一 样, 好 奇 心 立 足 于 自 身, 每 一 个 问 题 都 导 向 下 一 个 问 题 这 是 一 趟 通 往 维 基 百 科 虫 洞 的 旅 行, 你 的 起 点 决 定 了 你 可 能 的 终 点 这 就 是 好 奇 心 的 有 趣 之 处 : 它 更 多 的 是 关 于 你 所 知 所 学 的 东 西, 而 非 你 未 知 的 事 物 用 最 基 本 的 词 汇 来 形 容, 好 奇 心 可 以 描 述 为 一 种 动 机 加 方 向 组 成 的 函 数 第 一 部 分 并 不 像 它 惊 喜 的 最 佳 状 态 : 就 像 选 择 一 本 好 书 一 样, 好 奇 心 引 导 我 们 寻 应 有 的 那 样 显 而 易 见 口 渴 饥 找 新 的 信 息, 但 又 不 能 新 到 让 人 费 解 的 程 度 饿 色 欲 我 们 其 他 的 欲 望 都 有 着 清 晰 的 动 机 好 奇 心 如 何 达 到 巅 峰 但 是 到 底 是 什 么 激 发 了 我 们 好 奇 心 呢? 19 世 纪 的 德 国 哲 学 家 亚 瑟 叔 本 华 认 为 生 命 的 就 像 查 拉 萨 尼 研 究 的 线 虫 离 弃 了 最 好 的 食 物 主 要 任 务 就 是 以 一 切 维 持 生 命, 紧 随 其 后 的 是 一 样, 人 类 以 及 其 他 灵 长 类 动 物 总 喜 欢 以 酬 劳 换 取 防 止 无 聊, 无 聊 就 像 猛 禽 一 样, 在 我 们 的 上 空 盘 信 息 为 了 衡 量 这 种 趋 势, 研 究 者 采 用 了 博 彩 任 旋, 无 论 何 时 只 要 它 从 你 的 所 需 中 看 到 了 安 逸 的 生 务 的 方 式 该 方 法 参 考 了 老 虎 机 的 模 式 在 活, 就 会 俯 冲 下 来 满 足 即 无 聊, 好 奇 心 正 是 我 们 该 测 试 任 务 中, 受 试 者 必 须 从 一 些 图 像 或 其 他 类 型 摆 脱 无 聊 的 车 票 人 类 学 家 拉 尔 夫 林 顿 (Ralph 的 选 项 中 反 复 进 行 选 择 不 同 选 项 附 带 的 支 付 酬 劳 Linton) 有 着 更 深 层 的 思 考 相 比 社 会 或 自 然 需 求, ( 通 常 是 金 钱 ) 可 能 性 也 不 同, 随 着 时 间 的 推 移, 受 人 类 变 得 无 聊 的 能 力 似 乎 更 像 是 人 类 文 化 进 步 的 试 者 知 道 了 哪 些 选 项 让 他 们 获 得 酬 劳 的 可 能 性 最 根 源 所 在 他 在 1936 年 曾 这 样 写 道 换 言 之, 人 类 大, 他 们 就 会 一 直 选 择 这 些 选 项 但 是 当 出 现 了 受 已 经 能 够 积 累 不 可 计 量 的 知 识 语 言 泰 姬 陵 试 者 之 前 没 见 过 的 新 选 项 时, 受 试 者 通 常 会 选 择 这 懒 人 毯 因 为 我 们 讨 厌 千 篇 一 律 个, 他 们 会 放 弃 掉 可 能 的 酬 劳 以 期 新 选 项 能 带 来 更 但 是 仅 仅 用 无 聊 还 不 能 完 全 解 释 好 奇 心 有 好 的 回 报 个 很 古 老 的 观 点 就 是 好 奇 心 和 无 聊 是 同 一 个 连 续 大 脑 研 究 认 为 这 种 新 颖 的 奖 励 我 们 赋 统 一 体 对 立 的 两 端 勒 文 施 泰 因 说 道 然 而 新 的 观 予 新 选 项 的 额 外 比 重 至 少 有 一 部 分 源 自 于 它 点 是 : 无 聊 之 于 好 奇 心 并 不 像 饥 饿 之 于 饱 足 或 焦 渴 带 给 我 们 的 愉 悦 的 感 觉 例 如,2007 年 的 一 项 研 究 之 于 润 泽 更 确 切 地 说, 无 聊 是 当 你 没 有 充 分 使 用 发 现, 就 像 巴 甫 洛 夫 的 狗 听 到 铃 声 会 流 口 水 一 样, 大 脑 的 某 一 部 分 时, 大 脑 反 馈 的 信 号 就 像 你 在 一 当 我 们 期 待 发 现 新 事 物 时, 我 们 的 大 脑 处 理 类 似 爱 只 脚 上 坐 了 很 久 脚 麻 了 一 样 虽 然 无 聊 提 示 我 们 需 和 糖 果 之 类 奖 励 的 区 域 就 会 被 激 活, 即 使 预 期 未 能 要 去 锻 炼 自 己 的 大 脑, 但 是 除 了 好 奇 心 之 外 仍 有 对 实 现 研 究 者 总 结 道 : 这 些 发 现 提 出 了 这 样 一 种 可 抗 无 聊 的 良 方 比 如 说 食 物 或 性 而 且, 即 使 我 能 性, 那 就 是 新 颖 事 物 本 身 就 会 被 大 脑 当 作 一 种 奖 们 并 没 有 感 到 无 聊, 好 奇 心 也 会 突 然 冒 出 来 实 际 励 来 处 理 上, 我 们 会 为 了 学 些 新 东 西 而 很 轻 易 地 放 弃 我 们 想 所 以 也 许 我 的 确 会 登 录 维 基 百 科 来 打 发 无 要 或 喜 爱 的 东 西 聊, 正 如 叔 本 华 说 的 那 样 但 是 接 着 我 会 在 维 基 百 20

23 看 这 儿 : 塞 莱 斯 特 基 德, 罗 彻 斯 特 大 学 认 知 科 学 家, 正 在 利 用 眼 部 追 踪 设 备 研 究 婴 儿 如 何 集 中 他 们 的 注 意 力 科 上 逗 留 三 个 小 时, 仔 细 研 读 蒙 古 对 日 本 的 侵 略, 这 样 做 一 部 分 是 因 为, 下 意 识 地, 我 就 是 喜 欢 点 击 那 些 链 接 时 多 巴 胺 的 涌 动 带 给 我 的 快 感 正 是 这 种 快 感 促 使 我 们 的 祖 先 在 澳 大 利 亚 和 北 极 圈 开 疆 辟 土, 发 明 了 陶 器, 雕 刻 出 了 维 伦 多 夫 的 维 纳 斯 但 是, 为 什 么 我 会 追 随 着 蒙 古 部 落 的 脚 步 进 入 一 片 新 天 地? 为 什 么 我 不 去 研 究 威 氏 黑 伯 劳, 或 者 任 何 其 他 维 基 百 科 随 机 文 章 按 钮 推 荐 给 我 的 从 理 论 上 讲 很 有 趣 的 课 题? 为 什 么 好 奇 心 以 这 种 方 式 而 不 是 那 种 方 式 吸 引 着 我 们? 在 1994 年 发 表 的 一 篇 论 文 中, 勒 文 施 泰 因 提 出 理 论 称 好 奇 心 的 方 向 是 由 信 息 缺 口 决 定 的, 也 就 是 对 未 知 的 突 然 觉 醒 和 想 要 填 补 信 息 缺 口 的 迫 切 欲 望 这 种 认 知 缺 口 既 可 能 存 在 于 物 质 世 界 ( 这 个 奇 怪 的 虫 子 是 什 么 ), 又 可 能 存 在 于 精 神 世 界 ( 爱 是 什 么 ) 他 的 理 论 很 好 地 用 文 字 表 达 了 为 什 么 Upworthy 网 站 的 标 题 如 此 吸 引 人 让 人 难 以 抗 拒 ( 该 死, 我 可 能 已 经 成 为 了 海 牛 粉 丝 的 22 个 原 因 是 什 么 ), 以 及 为 什 么 好 奇 心 既 被 视 为 优 势 又 被 视 为 劣 势 ( 你 知 道 海 牛 的 乳 头 长 在 腋 窝 下 么 ) 然 而, 信 息 缺 口 甩 出 的 鱼 钩 不 能 太 大 ( 标 题 用 葡 萄 牙 文 撰 写 ) 或 太 小 ( 有 个 事 实 就 是, 海 牛 生 活 在 佛 罗 里 达 州 ) 在 2009 年 的 一 项 研 究 中, 一 组 研 究 员 ( 包 括 勒 文 施 泰 因 ) 将 受 试 者 置 于 功 能 性 磁 共 振 成 像 仪 中, 然 后 询 问 他 们 一 系 列 琐 碎 的 问 题 : 为 了 生 命 科 学 模 拟 人 类 唱 歌 声 而 发 明 的 乐 器 是 什 么? 地 球 所 在 的 星 系 叫 什 么 名 字? 对 于 每 个 问 题, 受 试 者 都 需 要 预 估 一 下 答 案 的 肯 定 程 度 研 究 员 还 让 受 试 者 评 估 自 己 对 于 该 问 题 的 好 奇 程 度, 并 监 测 他 们 大 脑 奖 赏 中 心 激 活 的 强 度 这 是 另 一 种 衡 量 好 奇 心 的 方 法 果 然 不 出 所 料, 受 试 者 对 于 他 们 认 为 自 己 知 道 的 答 案 好 奇 心 程 度 最 低 但 是 他 们 对 那 种 自 己 完 全 没 点 头 绪 的 问 题 也 不 怎 么 感 兴 趣 当 受 试 者 对 某 个 答 案 有 了 很 好 的 猜 想 却 又 不 能 完 全 确 定 时, 其 好 奇 心 反 而 会 达 到 巅 峰 好 奇 心 的 最 佳 状 态 似 乎 像 是 信 息 的 金 发 姑 娘 标 准 不 多 不 少, 恰 到 好 处 寻 找 恰 到 好 处 的 新 奇 据 罗 彻 斯 特 大 学 神 经 科 学 家 塞 莱 斯 特 基 德 (Celeste Kidd) 所 言, 婴 儿 也 喜 欢 带 有 新 意 而 非 完 全 新 颖 的 事 物 在 2012 年 的 一 项 研 究 中, 她 跟 她 的 同 事 让 一 些 7 月 和 8 月 龄 的 婴 儿 坐 在 一 个 屏 幕 前, 屏 幕 上 呈 现 三 个 盒 子 的 图 案, 每 个 盒 子 含 有 一 件 物 品, 诸 如 曲 奇 汤 匙 或 者 玩 具 汽 车 这 些 物 品 从 盒 子 里 以 特 别 的 方 式 出 现, 类 似 打 地 鼠 游 戏 通 过 使 其 中 一 些 出 现 方 式 比 其 他 出 现 方 式 更 加 频 繁, 基 德 可 以 使 得 固 有 顺 序 变 得 更 加 稀 少, 因 此 也 具 有 更 多 惊 喜 婴 儿 观 看 屏 幕 的 时 候, 一 个 眼 部 跟 踪 设 备 也 在 观 察 他 们 婴 儿 对 屏 幕 的 浏 览 呈 现 出 明 显 的 偏 好 性 : 有 几 分 新 奇 但 并 不 完 全 新 颖 的 出 现 方 式, 更 能 吸 引 他 们 的 注 意 力 ; 与 婴 儿 之 前 看 到 的 高 度 相 似, 或 者 完 全 不 同 的 出 现 方 式, 都 不 能 吸 引 他 们 的 注 意 力 ( 每 当 婴 儿 视 线 从 屏 幕 移 开 的 时 候, 屏 幕 就 重 置 为 一 张 微 笑 着 的 婴 儿 图 像 我 不 知 道 你 是 否 了 解 这 个, 婴 儿 喜 欢 看 其 他 婴 儿 的 照 片 基 德 说, 我 此 前 并 不 了 解, 这 太 神 奇 了 ) 基 德 说, 我 们 大 脑 本 能 地 寻 找 恰 到 好 处 的 新 奇, 有 点 像 我 们 去 一 家 书 店, 你 不 会 想 要 翻 看 儿 童 读 物, 同 样 也 不 会 想 看 已 经 翻 阅 多 遍 的 书 籍 另 一 21

24 生 命 科 学 然 后 突 然 间, 正 徘 徊 不 前 的 时 候, 机 器 人 打 翻 了 杯 子 这 个 偶 然 事 件 让 它 获 得 了 奖 赏, 更 重 要 的 是, 为 它 提 供 了 学 习 知 识 的 新 途 径 就 像 在 海 上 航 行 了 数 月 的 水 手 突 然 看 到 了 一 只 水 鸟 就 像 乔 治 马 洛 里 (George Mallory) 第 一 次 听 说 珠 峰 这 便 是 好 奇 心, 不 再 是 随 机 的, 而 是 直 接 的 接 下 来 怎 么 样 呢? 答 案 取 决 于 一 个 概 率 算 法, 该 算 法 用 于 计 算 何 种 行 为 最 有 可 能 让 机 设 计 好 奇 心 : 人 工 智 能 研 究 员 瓦 伦 康 培 拉 使 用 概 率 算 法 来 模 仿 器 人 获 得 另 一 个 奖 赏 在 这 种 生 物 的 好 奇 心, 编 程 让 机 器 人 icub 尽 可 能 快 地 寻 获 未 知 的 奖 励 情 况 下, 因 为 在 杯 子 范 围 内 移 方 面, 如 果 你 选 择 了 一 本 根 本 看 不 懂 的 书, 比 如 一 动 手 臂 能 够 获 得 对 新 动 作 的 认 知 ( 还 能 获 得 奖 本 俄 文 版 的 天 体 物 理 学 教 科 书, 你 也 会 遇 到 类 似 的 励 哦 ), 所 以, 比 起 忽 略 杯 子 反 复 做 一 些 完 全 随 问 题 这 会 相 当 乏 味 想 要 进 行 学 习, 你 必 须 有 能 机 动 作, 或 者 虽 然 关 注 杯 子, 但 却 做 一 些 完 全 不 够 把 握 住 的 东 西 : 下 一 步 的 线 索 不 能 离 上 一 个 太 同 的 动 作, 在 这 个 范 围 内 做 一 些 类 似 的 动 作 更 远 否 则 你 永 远 抓 不 住 它 所 以 当 你 的 大 脑 驱 使 有 可 能 习 得 新 技 能 为 什 么 要 关 注 杯 子 呢? 因 为 你 尽 可 能 快 地 收 集 信 息 时, 它 会 本 能 地 引 导 你 跳 过 杯 子 就 在 那 儿 太 小 或 太 大 的 差 异 康 培 拉 的 icub 最 终 学 会 了 端 起 杯 子 并 将 它 移 要 检 验 这 一 原 理 如 何 运 行, 机 器 人 无 疑 是 个 优 放 到 桌 子 上 一 个 特 定 的 点 上, 它 所 表 现 出 来 的 这 个 良 的 载 体 但 由 于 机 器 人 缺 乏 动 机 ( 好 奇 心 的 主 要 行 为, 正 是 康 培 拉 所 期 待 的 但 它 把 自 己 训 练 成 一 成 分 ), 你 首 先 需 要 给 它 一 些 动 机 要 做 到 这 一 点, 个 端 杯 子 的, 在 很 大 程 度 上 是 因 为 它 被 固 定 在 放 着 只 需 要 通 过 编 写 代 码 让 机 器 人 去 寻 找 奖 赏 即 可 杯 子 的 桌 子 面 前, 除 了 端 杯 子, 它 几 乎 没 有 其 他 选 在 德 国 波 鸿 的 鲁 尔 大 学 研 究 人 工 智 能 的 博 士 后 瓦 择 伦 康 培 拉 (Varun Kompella) 说 道 至 于 是 什 么 样 的 同 样 地, 基 德 的 实 验 设 计, 用 意 在 于 追 踪 给 定 奖 励 并 不 重 要 ( 甚 至 可 以 是 若 干 工 作 内 容 ), 只 要 让 的 任 何 时 间 内 婴 儿 所 呈 现 出 的 大 量 信 息 这 让 机 器 人 知 道 有 奖 励 存 在, 并 且 想 要 获 得 它 们 就 行 基 德 掌 握 了 大 量 的 新 材 料 同 时 也 给 了 婴 儿 有 同 样 地, 它 也 不 知 道 如 何 获 得 奖 励 就 像 人 类 从 学 限 的 选 择 项 据 她 讲, 她 之 所 以 选 7 到 8 个 月 的 婴 习 新 东 西 中 获 得 一 点 多 巴 胺 一 样, 即 使 它 看 起 来 毫 儿 作 为 实 验 对 象, 是 因 为 他 们 刚 好 到 了 这 样 一 个 最 无 用 处, 机 器 人 的 激 励 系 统 也 会 使 得 其 学 习 行 为 本 佳 姿 态 : 他 们 既 能 支 撑 自 己 头 部 的 重 量, 又 尚 未 学 身 成 为 一 种 奖 励 习 走 路 对 于 婴 儿 来 说, 走 路 本 身 比 学 习 走 路 有 趣 与 康 培 拉 共 事 的 是 icub, 它 是 一 个 开 源 的 类 人 得 多 她 说 : 没 有 什 么 能 与 之 匹 敌 机 器 人, 有 着 奶 油 色 的 皮 肤, 银 色 的 关 节, 有 头 部 预 测 甚 至 控 制 好 奇 心, 将 使 得 教 学 更 加 有 效, 眼 睛 手 臂 手 指, 甚 至 乳 头, 但 没 有 头 发 和 腿 在 他 使 得 精 神 类 疾 病 能 被 更 好 地 理 解, 使 得 人 们 的 兴 趣 传 给 我 的 一 段 视 频 里,iCub 直 接 连 接 在 桌 子 后 面 的 更 加 专 注 ; 生 活 也 将 因 此 具 有 无 穷 的 乐 趣 但 是 好 地 板 上 桌 子 的 中 央 放 着 一 只 塑 料 杯 机 器 人 开 始 奇 心 研 究 的 艰 难, 也 让 我 们 明 白 了 它 的 无 限 性, 想 来 回 伸 展, 握 紧 或 松 开 拳 头 起 初, 每 一 个 新 的 动 作 要 真 正 地 管 理 好 奇 心 几 乎 是 不 可 能 的 如 今, 留 下 都 能 让 它 学 会 一 些 东 西, 并 且 快 速 获 得 奖 励 不 过 的 只 有 更 多 的 未 解 谜 团 很 快 地, 它 就 没 有 新 的 肢 体 动 作 可 以 学 习 了 [ 资 料 来 源 :Nautilus][ 责 任 编 辑 : 彦 隐 ] 22

25 医 学 与 健 康 2015 精 彩 点 评 : 从 基 因 组 医 学 到 精 准 医 学 均 昱 / 编 译 对 于 基 因 组 医 学 界 来 说,2015 年 是 激 动 人 心 的 一 年 基 因 组 医 学 (Genome Medicine) 杂 志 专 栏 编 辑 们 对 他 们 各 自 专 业 领 域 内 的 突 破 性 事 件 进 行 了 讨 论, 并 指 出 这 些 事 件 对 未 来 的 影 响 和 意 义 在 过 去 多 年 中, 外 显 子 和 全 基 因 组 测 序 作 为 主 流 方 法, 带 领 我 们 对 疾 病 机 理 及 其 诊 断 和 治 疗 进 行 新 的 认 识, 在 新 技 术 进 展 的 驱 动 下, 关 于 基 因 组 的 蛋 白 质 产 物 的 信 息 也 在 增 长 之 中 精 准 医 学 作 为 公 共 卫 生 及 其 教 育 领 域 内 的 一 个 重 要 话 题, 正 在 完 成 起 飞 动 作 基 因 编 辑 技 术 的 巨 大 进 展 则 是 2015 年 人 们 关 注 的 焦 点, 其 影 响 已 经 成 为 伦 理 学 和 政 策 争 论 的 主 流 话 题 临 床 基 因 组 学 : 功 能 注 释 通 过 基 因 发 现 对 人 类 基 因 组 进 行 功 能 注 释 方 面, 2015 年 取 得 了 令 人 瞩 目 的 飞 跃 在 这 一 战 略 指 引 下, 人 们 使 用 孟 德 尔 基 因 组 学 方 法 来 审 读 基 因 功 能, 主 要 技 术 是 外 显 子 测 序, 主 要 工 作 内 容 则 是 研 究 引 起 疾 病 性 状 表 现 的 特 异 性 罕 见 变 异 型 基 因 发 现 出 版 物 的 数 量 巨 大, 要 在 这 样 庞 杂 的 文 献 流 中 挑 选 精 彩 之 作 是 困 难 的 但 是, 英 国 维 康 信 托 发 育 性 疾 病 研 究 计 划 (WTDDD) 和 美 国 国 立 人 类 基 因 组 研 究 所 的 多 中 心 孟 德 尔 基 因 组 学 研 究 计 划 (NHGRI-CMG) 及 全 球 范 围 内 其 他 相 关 研 究 已 经 给 临 床 医 疗 实 践 带 来 了 直 接 的 影 响 这 些 人 类 遗 传 学 基 因 组 学 和 临 床 医 学 实 践 工 作 带 来 的 全 球 影 响 可 圈 可 点 个 人 基 因 组 信 息 和 建 立 在 全 外 显 子 研 究 基 础 上 的 个 体 变 异, 正 在 与 日 俱 增 地 被 用 来 鉴 定 分 子 诊 断 的 准 确 性, 有 助 于 形 成 一 种 特 异 的 临 床 诊 断, 尤 其 是 对 于 那 些 常 规 临 床 方 法 无 法 进 行 病 因 学 诊 断 的 疑 难 病 例 基 因 组 医 学 于 2015 年 7 月 围 绕 这 个 专 题 出 版 了 专 刊, 讨 论 了 应 急 医 学 基 因 组 方 面 的 进 展, 并 对 将 临 床 表 型 信 息 整 合 入 全 外 显 子 研 究 数 据 分 析 中 进 行 了 评 论 科 学 家 们 对 人 类 基 因 组 进 行 功 能 注 释 的 努 力, 已 经 得 到 了 罕 见 疾 病 基 因 发 现 网 络 平 台 罕 见 疾 病 基 因 发 现 的 匹 配 与 交 换 平 台 的 大 力 推 进, 它 联 接 了 全 球 范 围 的 罕 见 疾 病 家 族 及 其 治 疗 医 生 的 信 息, 为 这 项 人 道 主 义 行 动 做 出 了 巨 大 的 贡 献 这 样 的 罕 见 变 异 型 研 究 开 始 为 复 杂 性 状 如 脊 柱 侧 凸 和 神 经 病 变 带 来 深 刻 见 解, 帮 助 人 们 建 立 了 常 见 的 复 杂 性 状 包 括 混 合 遗 传 和 突 变 负 担 的 潜 在 基 础 : 遗 传 学 架 构 和 遗 传 学 模 型 展 望 2016 年, 我 们 认 为, 用 来 改 善 生 物 学 研 究 的 临 床 数 据 将 很 有 可 能 继 续 呈 爆 炸 式 增 长 我 们 可 以 越 来 越 多 地 做 出 模 式 生 物 体 研 究, 来 提 供 人 类 遗 传 学 和 医 学 遗 传 学 数 据, 帮 助 我 们 审 视 生 物 学, 并 借 此 来 揭 示 疾 病 过 程 的 基 础 机 理 而 且, 这 样 的 新 认 识 将 做 热 疾 病 管 理 的 新 方 法, 为 罕 见 变 异 型 关 联 疾 病 提 供 潜 在 的 治 疗 学 干 预 手 段 疾 病 的 基 因 组 学 和 表 观 基 因 组 学 栏 目 编 辑 詹 姆 斯 鲁 普 斯 基 (James R. Lupski) 药 物 基 因 组 学 : 实 施 与 超 越 科 学 家 们 越 来 越 深 入 地 认 识 到, 药 物 基 因 组 学 23