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相对论时空结构的极限考验；寻找超高能宇宙线中微子

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（Lorentzinvarianceviolation ， 洛伦兹不变性的破坏） 。 尤其是在量子引力的理论中
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HighAltitudeWaterCherenkov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 。
相对论时空结构的极限考验；寻找超高能宇宙线中微子
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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”（PhageTherapy） 。 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]AlmeidaGMF,SundbergLR.TheforgottentaleofBrazilianphagetherapy[publishedonlineaheadofprint,2020Mar23].LancetInfectDis.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（10^12eV）到PeV（10^15eV）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StevenProhira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10PeV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10^19eV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 。
相对论时空结构的极限考验；寻找超高能宇宙线中微子
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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 。
【相对论时空结构的极限考验；寻找超高能宇宙线中微子】[1]ObservationofRadarEchoesfromHigh-EnergyParticleCascades”,S.Prohiraetal.PHYSICALREVIEWLETTERS124,091101(2020)


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