作者丨若然

編輯丨大濕兄

馬化騰是騰訊WE大會的忠實觀眾，每年都追，還樂此不疲地在朋友圈分享。

今年，他不用搖旗吶喊了，因為每個人的微信朋友圈都置頂了這條WE大會的直播。

11月7日，騰訊科學WE大會正式舉行，主題為“藍點”，意指我們的地球。

三十年前，史上第一個無人外太空系空間探測器旅行者1號，在探索太陽系邊緣時，為太陽系拍下了一張全家福。這張全家照中，地球只是一個 0.12 像素的小點。美國天文學家卡爾·薩根將其命名為“暗淡藍點”。

2020年，是“暗淡藍點”照片被記錄下的三十周年紀念。這一年，人類遭遇了近百年來影響范圍最廣的全球性大流行病，新冠疫情的爆發(fā)，讓所有人意識到，我們迎來了地球歷史上一個特殊的時期。

談及此次大會主題，騰訊首席探索官網(wǎng)大為說：“它時刻提醒著我們要保護這唯一的家園?！?/p>

他認為，2020年，新冠疫情爆發(fā)，面對困境，我們采取的行動將很可能改寫這個時代。前沿科學突破能幫助我們做好準備擁抱未來，因此我們要深入地理解世界所面臨的挑戰(zhàn)，它也能夠進一步激發(fā)我們的熱情去成為向善的一股積極力量?！?/strong>

始于2013年的騰訊WE大會，在過去的7年里，著名宇宙學家霍金、引力波發(fā)現(xiàn)者BarryBarish、諾貝爾獎獲得者KipThorne、圖靈獎獲得者姚期智等60余位科學家及科技界人士，都曾先后在這個科學盛會上，分享當年最值得關注的科學突破和前沿思想。

今年，騰訊WE大會則邀請到了7位全球知名科學家，包括諾貝爾物理學獎獲得者Steven Weinberg、干細胞生物學家中內(nèi)啟光、腦機接口權威專家Miguel Nicolelis、化學家鮑哲南、量子物理學家潘建偉、天體物理學家Victoria Kaspi、金星生命跡象發(fā)現(xiàn)者Jane Greaves，他們分享了量子物理、干細胞、神經(jīng)科學、天文學等領域的最新科技進展。

以下為7位科學家的演講（部分有刪減）：

1. Miguel Nicolelis：幫助人類實現(xiàn)數(shù)字化“永生”

今天我將為大家介紹腦機接口和這一技術從基礎科學到應用于神經(jīng)康復的研究歷程。

1998年 我和John Chapin開始著手研究一種新的技術——腦機接口，希望將活體動物或人類的大腦與設備直接連接。

我和約翰的想法是，實時采集實驗對象準備移動身體時大腦發(fā)出的電信號，但我們并不觀察實驗對象的身體活動，而是記錄相應的大腦活動。然后在不到1/3秒的時間里，將其轉(zhuǎn)化為能夠發(fā)送至人造執(zhí)行裝置的數(shù)字指令。

我們最初的實驗是在猴子身上進行，之后逐步實現(xiàn)了人類實驗。

第一個實驗，一只恒河猴學會了如何玩電子游戲。這個游戲的規(guī)則是，讓光標穿過顯示屏上隨機出現(xiàn)的一個球體，由猴子通過操縱桿來完成。

每一次光標成功穿過目標，猴子就能得到一滴喜愛的橙汁作為獎勵。但它不知道的是，每次正確完成操作，我們就會記錄下它大腦中100個神經(jīng)元的活，然后把這些腦電信號發(fā)送給一組計算機。由它們來提取其中的運動指令 ，將其嵌入、然后轉(zhuǎn)化為機械手臂可以理解的電子指令。

我們的想法是，當猴子能夠非常熟練地通過操縱桿玩游戲的時候，我們就拿走操縱桿，打開腦機接口，觀察猴子能否讓機械手臂控制光標穿過目標。而且僅靠想象來完成這一過程，不涉及任何身體動作。正如大家所見，猴子做到了。這就是實驗的上半部分，我們將大腦從身體的束縛中解放出來，使之能夠直接與外部世界互動。

猴子一開始用操縱桿玩游戲，這個操縱桿慣性非常低 ，精準度很高，能夠準確地將光標移入目標中。每一次操作完成，猴子都會得到一滴它喜歡的橙汁。猴子對游戲越來越熟練，每天玩一個小時，準確率能達到99%以上。

于是我們意識到，是時候首次測試一下，通過腦機接口進行實時操作這個想法了。

我們拿走操縱桿，讓猴子自然地坐在椅子上。我們問自己：猴子能不能弄明白 它只需要動腦想象，就可以讓機械手臂控制光標，然后和之前一樣得到果汁呢？

結果，它做到了。猴子的身體沒動，手臂也沒動，只是想象著把光標移到目標內(nèi)。與此同時，我們的電腦記錄下猴子大腦發(fā)出的電信號，提取其中能夠控制真實手臂活動的運動指令，轉(zhuǎn)變其路徑，使之控制機械手臂來完成游戲。逐漸地，猴子能越來越熟練地，用大腦控制機械手臂完成游戲，無需任何身體動作。

這只是腦機接口發(fā)展之初的情況，在過去20多年里，我們制造出了很多不同種類的腦機接口。比如同時控制兩只機械手臂的，還有控制腿部的，其中最復雜的一種，我們稱之為“腦-機-腦接口”。

動物能夠?qū)W會使用搭載了無線傳輸技術的腦機接口來控制一輛自動駕駛設備，載著某一對象從房間里的某一隨機位置出發(fā)，到達目標位置。取走我們放在那里的，比如說葡萄，而整個的過程全部通過思考完成。

有了這樣的發(fā)現(xiàn)后，我們意識到，它的意義要遠遠超過我38年來一直在尋找的新的大腦研究方法。我們或許可以把這一發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)化成新的治療手段，來幫助全世界2500萬因為嚴重的脊柱損傷而在痛苦中掙扎的人們。

2012年，F(xiàn)IFA宣布由巴西主辦2014年世界杯足球賽，當時我就意識到，我們可以在開幕式上做一次腦機接口技術演示，讓一名癱瘓的巴西年輕人，在首個腦控下肢機械外骨骼的幫助下為世界杯開球。

我聯(lián)系了五大洲、25個國家156個朋友，耗時10個月制作第一個腦控下肢機械外骨骼。同時招募了8個完全性脊髓損傷患者，他們有的癱瘓超過10年、11年、13年，在世界杯之前的半年時間里，每周訓練兩天，每天一小時，學習使用一種非侵入式的腦機接口設備。

無需手術，無需植入電極，我們僅僅使用能夠貼在頭皮表面的扁平傳感器，用來記錄腦電信號。

病人通過觀察自己的虛擬替身進行訓練，該替身是一個看起來和他們相似的虛擬足球運動員，會在足球場上走動和踢球。病人們一邊觀察，一邊學習用自己的大腦控制它的活動。每一次虛擬人物的腳接觸地面，病人的手臂都會收到觸覺反饋，從而再次感受到在地面行走的感覺。

當病人們能夠熟練地在虛擬環(huán)境中進行操作后，我們開始讓他們使用一系列世面有售的，用于脊柱損傷病人恢復的機械助行器，最后再為他們裝上我們設計的外骨骼。

我們希望外骨骼腳部每一次接觸地面時，都能向病人的前臂發(fā)送觸覺反饋信號。這樣，病人就能體會到到踩在地面的感覺，感受地面的觸感、硬度，踩在什么樣的地面上，能走多遠？甚至能接收到溫度反饋。

在世界杯之前，8名病人都在我們的實驗室里成功實現(xiàn)了站立行走，因為他們都學會了熟練控制外骨骼。

Juliano Pinto，世界杯開幕式上開球的運動員，脊柱T4以下身體癱瘓已經(jīng)9年。正式開球前Julian最后一次試踢，他把雙臂放在外骨骼的扶手處，那里安裝的傳感器在感受到來自手臂的壓力后啟動外骨骼。之后，Julian只需要擺好身體姿勢，想象踢球的動作，就能夠把球踢出去。

2014年6月12號下午3點半整正式開球時也是這樣的流程，我們還給他準備了一個小驚喜，啟動了一個安裝在足尖的傳感器。巴西的孩子可能在還沒出生的時候就會用足尖大力觸球，在球場上沒有其他辦法時，足尖大力射門是最后的進球手段。

Julian把球踢出去之后開始歡呼，我們沖上去擁抱他，大家的情緒都非常激動，整個球場都因為這個開球而沸騰了。

Julian當時喊得并不是：我踢出去了，我做到了或者我射門成功了。他喊的是：我感覺到球了，我碰到球了。這是10年來，Julian 第一次真正體驗到踢球的感覺。

幾個月后，我們對Julian和其他7名患者重新進行神經(jīng)測試。之前實驗時，Julian脊柱T4以下癱瘓已經(jīng)10年，但當天他的等級評定是脊柱T11以下癱瘓。也就是說 ，經(jīng)過10個月的訓練，他的7節(jié)脊椎，恢復了感知 、活動和運動控制方面的功能。

平均來看，從啟動訓練開始 ，我們對這些病人進行了28個月的觀察。在此期間，他們平均恢復了10節(jié)脊椎功能。這涵蓋了身體的一大塊區(qū)域，他們恢復了這部分身體的感知能力和內(nèi)臟控制能力，處于這一區(qū)域的內(nèi)臟有膀胱、小腸、胃等等。

還有一位準媽媽，終于能感覺到孩子在肚子里踢她，在9個月的正常孕期中，能感受到胎動和子宮收縮，最后生下一個男孩。

這些病人中，后來3人堅持繼續(xù)接受訓練，他們不再是完全癱瘓，在小型助力車輔助下，有了一定自主運動能力。這樣的結果，病人自己也從沒想過。

這就說明，有時候基礎科學能引領你，到達你從未想象過的地方，為你帶來意料之外的發(fā)現(xiàn) 。為了這一天，我等了38年。因為親眼見證了這一切，我的每一秒付出都是值得的。

2. 潘建偉：經(jīng)過10到15年努力，發(fā)展天地一體廣域量子通訊網(wǎng)絡

我今天給大家報告的題目是新量子革命。

目前我們所面臨著的計算能力的瓶頸，是我們擁有的計算能力非常有限，如果我們把全球的所有的計算機的計算力加在一起，一年里面，都沒辦法完成對2的90次方個數(shù)據(jù)的窮舉搜索，但是這個傳統(tǒng)的發(fā)展模式目前已經(jīng)受到了嚴重的制約。

摩爾定律正在逐漸地逼近極限，那么大概會在不到十年左右的時間，我們晶體管的尺寸大概就會達到原子尺寸——亞納米水平。這個時候，晶體管的電路原理將不再適用。

那么怎么來解決這些問題呢？量子力學。它生的第一個小孩是現(xiàn)代信息技術，現(xiàn)在它又準備好生第二個小孩，量子計算和量子通信，解決算力不夠，信息安全傳輸不安全等問題。

首先解釋什么是量子？其實就是構成物質(zhì)的最基本單元，它是能量的最基本攜帶者，它的基本特征就是不可分割。比如說我手中有一個激光筆，這個激光筆打出來的光的能量，如果你可以用一個放大鏡來看一下的話，其實發(fā)出來的光本身是由很多個小顆粒構成的，那么這樣的小顆粒我們把它叫做光子或者光量子。你不可能再拿刀來切一下，變成1/2個光子等等。它有基本特征，它就叫做量子疊加。

那么量子疊加是什么意思呢？在我們的經(jīng)典物理學當中，一只貓，它可以處于死和活這么兩個狀態(tài)，可以來代表一個信息的傳輸單元0或者1，就是加載一個比特的經(jīng)典信息。但是到了量子世界的時候，在微觀世界里面的一只貓，它不僅可以處于0或者1的狀態(tài)，甚至可以處于死和活這個狀態(tài)的相干疊加。對這樣一種態(tài)，我們就把它叫做量子比特。

愛因斯坦對這個問題做了比較深入的思考，他說，對一只貓可以處于死和活狀態(tài)的疊加，那么兩只貓是不是可以處于活活和死死狀態(tài)的疊加呢？這就相當于兩個骰子糾纏在一起，哪怕他們相距非常遙遠，一個在合肥的科大，一個在深圳騰訊的總部。那么我們在扔這個骰子的時候呢，單邊的結果是完全隨機的，但是兩邊的結果在當時實驗當中的是一模一樣的。

愛因斯坦把這種現(xiàn)象：遙遠地點之間的詭異的互動，這么一種現(xiàn)象就把它叫做量子糾纏。量子糾纏，在實驗上怎樣才能把它造出來呢？你需要有這種單個量子的調(diào)控，比如說我有一杯水，你把它喝掉一口是很容易的，但是如果你能在里面拿出一個水分子來，這在技術上就變成一個非常困難的事情?？茖W家經(jīng)過幾十年的努力，慢慢地掌握一種能力，可以對一個光子、一個原子把它拿出來，按照你的需要進行操縱，行進主動的操縱。

那么有了這樣一種能力后，你就可以把一個個量子比特，按照你的需要進行調(diào)控。那么這個時候就催生了一個新的學科，我們把它叫做量子信息科學，這直接導致了第二次量子革命的發(fā)生。

利用量子通信可以提供一種原理上無條件安全的通信方式，利用量子計算可以提供非常強大的計算能力，而用于各種各樣的復雜系統(tǒng)的研究。

量子通信的第一個應用就是秘鑰分發(fā)。那比如說有張三和李四，他們?yōu)榱诉M行安全的通信，可以先送一系列單光子，處于各種各樣狀態(tài)的單光子，由張三送給李四。如果中間有個竊聽者存在，光子的能量是不再可分的，不能分成半個，所以如果竊聽者要把這個光子拿走的話，接收者李四就收不到了，所以這個秘鑰你就沒有收到。

再或者竊聽者對這個光子做個測量，那么量子力學里面有個原理---測不準原理，去測量光子，就會影響光子的疊加態(tài)。

所以說有了竊聽就必然會被發(fā)現(xiàn)：第一，它不能分半個光子，光子是不可分割的；第二，這種光的狀態(tài)是去測量它，它就會被擾動。

那么這個通信的雙方，把那些被別人擾動過的或者被別人拿走的光子扔掉，就可以形成了一種安全的秘鑰分發(fā)，利用安全的秘鑰分發(fā)你就可以實現(xiàn)了加密內(nèi)容不可破譯的安全的量子通信。

那么除了這個之外呢，我們可以利用量子糾纏可以把一個粒子的量子信息從一個地方的轉(zhuǎn)移到另外一個粒子上，而不用傳輸這個物體本身。

比如說我在合肥要到深圳騰訊去開會，但坐飛機來不及了。如果說合肥的一個實驗室和騰訊總部的一個實驗室正好有一團糾纏物質(zhì)，那么我們可以把合肥的潘建偉跟這樣糾纏物質(zhì)做一個操縱，把他糾纏起來。糾纏起來之后，你就會得到一種信息。那么這種信息通過網(wǎng)絡傳到深圳的騰訊總部，就是說對這些物質(zhì)做一些操縱，我們就可以把潘建偉全須全尾地在深圳把它構造出來，我們把這樣的過程就叫做量子隱形傳態(tài)。

那么當然在很久的將來，我們可能都無法做到傳送一個復雜的物體，但是目前的技術已經(jīng)允許我們可以進行了多體的、多終端的、多自由度的量子隱形傳態(tài)。

隨著這個量子計算的發(fā)展我們可以把它用到經(jīng)典密碼的破譯、氣象預報、金融分析和藥物設計等多個方面，這是它的一個相關的應用。在更廣的范圍里面，我又可以利用衛(wèi)星中轉(zhuǎn)來實現(xiàn)遠距離的量子通信。

量子計算本質(zhì)上，目前的國際的學術界大概把它們分成三個階段：

第一階段，我們希望能夠造出一臺機器來，這臺機器在計算某個具體的問題上，它可以比目前最快的超級計算機算的快。那么為了達到這個目標，我們大概需要有50個量子比特的相干操縱，這是當時我們學術界的一個目標之一。

第二階段，我們希望能夠操縱數(shù)百個量子比特的這么一種量子計算機，這叫做專用量子模擬機，那么利用它可以來揭示若干經(jīng)典計算機無法勝任的一些計算任務。

第三階段，我們希望能夠來實現(xiàn)一種可編程的通用量子計算機。

最后，簡要來展望一下我們這個領域未來的可能發(fā)展。

首先，經(jīng)過十到十五年的努力，我們希望能夠完整地發(fā)展天地一體廣域量子的通訊網(wǎng)絡技術體系。在這個基礎上呢，在國防、政務、金融、能源等領域以應用，為最后形成下一代的國家信息安全生態(tài)系統(tǒng)的奠定基礎，這是第一方面。

第二方面，我們希望在量子計算方面，通過對數(shù)百個量子比特的相干操縱，能夠?qū)σ恍┈F(xiàn)實的問題的求解，能夠超越目前的超級計算機，并且能夠來解決一些重大的科學問題。

除此之外，我們也希望通過十到十五年的研究能夠研發(fā)具備基本功能的通用量子計算原型機，來初步探索對密碼分析、大數(shù)據(jù)分析等方面的相關應用。

3. 中內(nèi)啟光：動物體內(nèi)培育可移植人體器官

大家好，我今天的演講題目是：異種培育人體器官。我們正嘗試在動物體內(nèi)培育功能完整的可移植的人體器官。

我們?yōu)槭裁匆芯窟@個課題？很多病人都會出現(xiàn)晚期器官衰竭，對于某些人體器官，我們已經(jīng)有人造或機械器官來取代它們的功能，但目前器官移植仍是治療晚期器官衰竭的唯一方法。

可是這種療法面臨幾個問題：一是，器官捐獻不足，僅僅在美國，就有10萬多人在等待器官移植，但只有3萬人能夠獲得移植，這導致每天都有20人在等待移植的過程中逝去；二是，排異反應問題。即使病人足夠幸運得到了移植，也必須吃藥來抑制免疫系統(tǒng)，防止人體對移植器官產(chǎn)生排異反應。

但這些問題其實都是可以解決的。我的思路是在活體中培育器官，也就是在動物體內(nèi)的生長環(huán)境中，通過使用誘導多能干細胞技術制造嵌合體的方法來培育器官。

怎么得到嵌合體？我們將小鼠的多能干細胞注入大鼠的囊胚期胚胎，囊胚期是胚胎的早期階段，通常是受孕后的三到四天形成。三周后兩種鼠類的嵌合體就產(chǎn)生了，這就是我們培育嵌合體的方法。

那什么是誘導多能干細胞？我認為它是最偉大的生物學和醫(yī)學發(fā)現(xiàn)之一。比如我們選用皮膚纖維源細胞之類的體細胞，然后在其中引入胚胎干細胞中的4個基因。我們會驚訝地發(fā)現(xiàn)這些體細胞變成了多能干細胞這樣的胚胎干細胞，這就是誘導多能干細胞名字的由來。

生成之后，它們就像胚胎干細胞一樣活動，并且可以分化成許多不同的細胞類型。這項技術可以讓我們?nèi)菀椎嘏嘤齺碜曰颊叩亩嗄芨杉毎@不僅是對生物學也是對醫(yī)學的重要貢獻，尤其是再生醫(yī)學。

假設有一位晚期心衰患者，我們首先生成患者的誘導多能干細胞，然后將其注入有器官形成障礙的豬胚胎的囊胚中。這個胚胎事先經(jīng)過基因改造，所以無法自我形成心臟。那么如果我們可以生成人-豬嵌合體，這個嵌合體全身都應該有人類細胞，尤其心臟應該完全是由人類細胞組成的，因為豬細胞無法生成心臟。

所以當這只嵌合體豬長到一定程度，我們就可以取出心臟供人體移植。盡管這顆心臟是在豬體內(nèi)培育的，但心臟細胞完全來自病人自己的誘導多能干細胞，所以它本質(zhì)上屬于自體器官移植。也就是病人自己的細胞和心臟移植到自己體內(nèi)，所以移植時和移植后都不需要免疫抑制。

這就是我的設想，人們稱之為囊胚器官互補。這聽起來像科幻故事，但我們已經(jīng)通過嚙齒類動物實驗得到了很好的數(shù)據(jù)驗證。

這種方法還適用于培育其它器官。比如，胰臟、胸腺、肝臟、血管和血液，以及最近培育的腦、肺和甲狀旁腺等。

當然，這項研究也會涉及到一些倫理和社會問題。很多人的擔憂在于動物的人像化，比如人面豬身，這是具有人腦或人類生殖細胞的豬，還有人認為利用動物培育人類器官是對動物福祉的侵害。

但我想強調(diào)的是，我們的所有研究都是在得到相關機構批準的情況下進行的，包括政府以及斯坦福大學道德委員會和相關大學的動物實驗委員會。我們正一步步地做研究，保持透明度并接受這些機構的監(jiān)督。

如果研究取得成功并能夠為患者提供自體器官，就可以挽救許多患者的生命或提高他們的生活質(zhì)量，并大大降低醫(yī)療費用。

4. 鮑哲南：人造電子皮膚未來將改變電子工業(yè)

大家好，我是鮑哲南。我們認為將來的電子工業(yè)將會有一個巨大的改變，我們將會用像人造皮膚一樣的電子器件讓我們?nèi)撕腿酥g溝通，這就是我們所說的電子皮膚的理念。

我們?nèi)说纳眢w不是一條直線，是一個彎曲的形狀。所以你可以看到如果我們的電子皮膚也必須是像人的身體一樣，可以覆蓋在身體上而不會束縛人的運動，同時也不會碎裂，這個電子皮膚在身體上的時候也必須要能夠工作。

因此，電子皮膚需要解決三個問題：

第一，我們所用的電子材料不能再是剛硬的。因為剛硬的材料放在身體上，當身體在運動的時候，這些材料就會斷裂而不能夠工作。所以我們必須把這些材料做成像皮膚一樣的柔軟，像皮膚一樣的可以拉伸，甚至可以自修復、甚至可以生物降解。

第二，這些材料還需要把它們做得讓這些人造皮膚真正可以感受到不同的物體。

最后，我們的皮膚要能夠感受到不同的知覺，所以皮膚的信號或者人造皮膚的信號需要能夠和人體結合起來。

經(jīng)過16年的研究，我們已經(jīng)有了重大突破。

首先是材料，我們用那些可以自己修復的化學鍵去制作這些新型的電子材料，使所得到的電子材料，即使其中的化學鍵斷裂之后，它們也會自己重新修復，就有了可拉伸性和自修復性，甚至可以有生物降解的性能。

其次，需要做的是將這些材料做成靈敏的傳感器，它既需要有靈敏度，也需要可以分辨不同的外界的信號。我們早期開發(fā)一個可以測壓力的傳感器，是用小的金字塔做成的形狀，當塔尖接受到壓力的時候，塔尖會變形，使得電信號改變，但壓力更加大的時候，塔底也會變形，使得電信號的改變更加大，這樣我們就可以測出不同的壓力。

最后需要做的就是，所接收到的信號讓大腦可以理解。人造皮膚必須能夠把傳感器所得到的信號改變成這樣子的脈沖的信號，那有了這個信號之后，還需要把這個電信號直接接到我們的神經(jīng)，通過神經(jīng)才可以傳輸?shù)酱竽X，所以人造皮膚必須非常柔軟，必須不傷害到我們的神經(jīng)或者大腦。

現(xiàn)在我們已經(jīng)把它植入小老鼠的身體，小老鼠可以正常地運動，正常地生活，證明這些人造皮膚是確實是可以和生物體系相容的。

這些人造皮膚要真正用到人的身上還會需要一段時間，但是最重要的這些理念我們現(xiàn)在已經(jīng)可以證實。經(jīng)過我們前面的所有的這些研究，我們現(xiàn)在已經(jīng)有一系列的材料和電子器件，使得我們可以證實人造皮膚是可以做成的。

我現(xiàn)在可以非常有信心地說，人造皮膚將會改變我們將來的生活。可以使得我們?nèi)撕腿酥g更加多地溝通，可以使我們?nèi)撕腿酥g更加多地互相的理解。

5. Jane Greaves：金星云層是否存在生命？

我是卡迪夫大學教授簡·格里夫斯，主要做天文學和天體生物學方面的研究，主要研究方向是太陽系外行星的形成，對太陽系內(nèi)的行星也很感興趣，最近迷上了金星。

金星是距離地球最近的行星，但它如今的環(huán)境非常惡劣，因此我們并沒有花太多時間去在金星上尋找生命跡象。我們過去關注更多的是火星，人類發(fā)射了可以在火星表面行走和觀察的探測車，也觀察了火星大氣層中是否存在生命跡象。

金星看起來并不適合生命存在，但我們也向金星發(fā)射了一些探測器，比如前蘇聯(lián)發(fā)射了獵人探測器對金星地表進行探測，美國國家航空航天局發(fā)射了觀察金星大氣層的探測器。他們發(fā)回的照片顯示，那里的環(huán)境極其惡劣。金星的地表就像一個被烤熟了的貝殼，而且大氣層氣壓非常高，這是由于金星大氣層基本都是由二氧化碳組成的，也就是一種溫室氣體。

在幾十億年前，太陽的亮度不及現(xiàn)在，因此那時金星的表面溫度沒有現(xiàn)在這么高。比如說當時有可能存在海洋，那么也就有可能孕育出生命。但隨著太陽的亮度不斷增加，金星的環(huán)境變得惡劣起來，海洋因為更強的陽光開始干涸，海水蒸發(fā)殆盡。水被分解為能夠自由逃逸的氫原子和氧原子，這些原子逃逸出大氣層之后，就只剩下了今天我們看到的高氣壓地表。生命在那里不太可能存活，因為條件實在太惡劣了。

但盡管地表條件惡劣，我們認為金星云層的條件也許會好一點，那里更涼爽且更潮濕。這是目前金星云層的圖表，金星大氣層的高度遠大于地球大氣層，高度大概在50-60千米。

如果把航天員送到金星大氣層，他們會發(fā)現(xiàn)那里環(huán)境惡劣，因為那里90%都是硫酸，而且風勢極其猛烈，他們會以每小時幾百公里的速度被吹走。

但我們堅持認為也許能夠適應這些強烈氣流的微小生物可以在那里存活，這就是為什么人類打算在未來把重量很輕的氣球發(fā)射到金星的云層中，通過現(xiàn)代信息與科技開展更多的觀測。

我們?yōu)槭裁磿鹦谴髿鈱痈信d趣，這是因為地球上存在一種所謂的空中生物圈，微生物或者單細胞可能漂浮在云層中。并且在地球上，它們很可能會返回地表以獲得營養(yǎng)或休息，或在地表上具有自己的生命周期，但在金星上則不可能。如果這些微生物落到金星表面，它們會直接被烤干。

那么我們是如何判定金星大氣中存在生命痕跡的呢？通過尋找金星大氣中磷化氫分子的光譜得到的信息。為什么目標是磷化氫？這是因為磷化是地球生物圈的標志之一，磷化氫是生活在無氧環(huán)境中的微生物的副產(chǎn)品，而金星的云層恰恰就是無氧環(huán)境。如果金星大氣中也發(fā)現(xiàn)存在磷化氫，那么就說明發(fā)現(xiàn)了生命活動的跡象。

我使用的是位于夏威夷的麥克斯韋望遠鏡（JCMT），這種一種射電望遠鏡，如果金星大氣層中真的有磷化氫，它就能觀測到磷化氫吸收射電波。

經(jīng)過一段時間之后，我們真的觀測到了磷化氫對射電波的吸收，這讓我大為震驚。我們想板上釘釘，所以我們又去申請使用更為現(xiàn)代的天文望遠鏡，那就是位于智利高山地區(qū)的ALMA天文望遠鏡。我們通過這個望遠鏡進行了觀測，并證實了我們最初通過麥克斯韋望遠鏡觀測到的結果，那里真的有磷化氫在吸收射電波。

那么，金星上的磷化氫會是自然形成的嗎？我們不能簡單地認為金星云層中存在自然形成的磷化氫，因為金星上沒有多少游離氫，因此形成磷化氫會非常難。如果存在磷化氫分子，它要么會與其它分子快速發(fā)生反應，要么會被陽光破壞，所以它不會存在很久。

我們不得不接受這個觀點：金星的云層中是否存在生命？金星云層中90%都是硫酸，但僅僅是也許，生物能以某種方式在小滴的硫酸中存活。這種小滴應該是硫酸和水的混合液體，而不是氣體或固體，這也許能讓微生物建立起微型生態(tài)系統(tǒng)。

在金星幾十億年的歷史中，也許曾出現(xiàn)過達爾文《進化論》中物競天擇的景象，無論是否是最強健的生命體，它們可能也都曾逐漸進化并適應飄浮在云層中的生活方式。

盡管金星那樣惡劣的環(huán)境中可能存在生命的這種想法聽起來的確很瘋狂，但確實有這種可能性。我們也在通過望遠鏡持續(xù)地觀測，圍繞磷化氫這個簡單的分子開展其它研究，更多地思考我們的化學和實驗室能做什么？

這是一張日本破曉號軌道探測器拍攝的金星照片，它觀察著金星高空云層中的神秘變化。我們希望能發(fā)射更多探測器來探測金星，并最終答案。我認為這將是未來幾年激動人心的挑戰(zhàn)。

6. Victoria Kaspi：神秘的宇宙快速射電暴到底來自哪？

今天我想和大家聊一聊快速射電暴，一種我們不久前發(fā)現(xiàn)的天體物理現(xiàn)象，它是一種我們尚未破解的神秘現(xiàn)象。如果你問我研究的是什么，我會說不知道。因為我們真的不知道快速射電暴來自哪里。

快速射電暴是什么？接收快速射電暴的裝置和收音機類似，都是接收無線電信號的。我們接收到的快速射電暴基本上都是來自銀河系之外，這些信號轉(zhuǎn)瞬即逝，持續(xù)時間僅毫秒量級。

目前有報道的捕捉到快速射電暴的次數(shù)只有100次左右，但如果我們仰望天空，理論上每天可以探測到一千次快速射電暴。這意味著它在宇宙中并不罕見，隨時隨地都在發(fā)生，但直到最近我們才發(fā)現(xiàn)它，并且對它的源頭一無所知。

我們?nèi)绾尾蹲降娇焖偕潆姳?/strong>拋物面型的天線就像一個盤子，表面可以收集來自外太空的無線電波，并將它們集中到樹立在表面上的天線中。然后無線電波在天線中產(chǎn)生電流，電流通過電線傳輸?shù)街锌厥业碾娔X中，電腦會將無線電信號放大并轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，記錄在電腦磁盤上。

當然肉眼是看不到無線電波的，但天線可以看到它們，我們用這樣的望遠鏡記錄下它們，并通過讀取電腦磁盤上的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換成圖表。X軸表示捕捉到無線電信號數(shù)字化樣本的時間，每隔半毫秒甚至更短的時間我們就會獲得這樣的樣本。Y軸表示望遠鏡能探測到的所有不同的無線電頻率。

我們對頻率進行了數(shù)字化處理，每個地面廣播電臺只有一個頻率，但快速射電暴看起來則完全不同。它是一個頻率組合，可以發(fā)射所有頻率的無線電，但我們首先探測到的是最高頻率的無線電，然后是頻率較低的無線電。這期間會有一個延遲，而這個延遲非常重要，因為這說明快速射電暴來自遙遠的宇宙深處。

對于大多數(shù)快速射電暴，我們只能在天空中看到一次，以后就再也看不到來自同一爆發(fā)源的射電暴，那么為什么高頻無線電波會更早到達呢？

這是一種我們很熟悉的現(xiàn)象，和光的散射同理。就像不同顏色的光以不同的速度通過棱鏡一樣，不同頻率的無線電波通過星際介質(zhì)時的速度也不同，也會出現(xiàn)所謂的“色散”效應，根據(jù)這種效應就能反推快速射電暴的距離。

快速射電暴是一個比較年輕的研究領域，第一篇論文發(fā)表于2007年?？焖偕潆姳┦侨绾纹鹪吹哪兀磕壳斑€沒有標準答案，有可能來自超新星爆炸、中子星并合、黑洞吞噬中子星以及中子星磁層活動等等。

2006年，天文學家觀測到了重復爆發(fā)的快速射電暴，這是一個非常重要的事件?？芍貜偷目焖偕潆姳┑陌l(fā)現(xiàn)，表明了發(fā)生快速射電暴的源頭沒有在事件中摧毀，這排除了像超新星爆發(fā)和中子星并合這種災難性的爆發(fā)事件。但所有的快速射電暴都會重復嗎？目前還不知道。

由于快速射電暴在天空隨機出現(xiàn)，科學家就需要一種能夠隨時觀察任意位置的望遠鏡，這聽起來是個很大的挑戰(zhàn)，但我們正在加拿大使用新型的CHIME望遠鏡做這件事，它是能夠滿足這種要求的裝置。

CHIME是一種革命性的新型望遠鏡，它和你們見過的任何射電望遠鏡都不一樣，它沒有傳統(tǒng)的聚焦于一點的拋物面反射鏡，而是由四個圓柱形反射鏡組成。每個反射鏡長100米，寬20米。CHIME望遠鏡的總面積相當于五個曲棍球場，所有部件都是不可移動的，反射鏡都是沿正南正北方向放置的。

如果天空中有什么出現(xiàn)在它上方，我們就可以看到。因此我們可以全天候地觀測整個北半球的天空，進而探測出快速射電暴。因此CHIME望遠鏡能在一年左右的時間里探測到數(shù)百個快速射電暴。

自從運行以來，CHIME已觀測到17個新的重復暴，這表明2016年探測到的第一個重復爆發(fā)源并不是個例。CHIME望遠鏡讓我們可以探測到全部重復爆發(fā)源發(fā)出的射電暴。有了這個基礎，我們就可以做一些有趣的統(tǒng)計研究。

通過對比重復暴和非重復暴的特點，我們發(fā)現(xiàn)，重復爆發(fā)源和非重復爆發(fā)源可能是兩種類型完全不同的天體。快速射電暴可能不止來自某一種類型的天體，而是兩種甚至更多種類型的天體。

目前我們正在制作第一個CHIME望遠鏡快速射電暴目錄，記錄500多個爆發(fā)源。我們還將進行多項研究，比如天空分布 屬性分布和散射程度分布，從而破解爆發(fā)源在宇宙中是如何分布的，我們對此感到非常興奮。

7. Steven Weinberg：基本粒子瞄準模型不是最終答案

我是史蒂文·溫伯格，今天我想說一說基本粒子標準模型，包括什么是標準模型？我們?nèi)绾谓⒘诉@一模型？我們?yōu)槭裁凑J為這個模型不完美？以及未來的希望在哪？

理論物理學巨擘、基本粒子標準模型主要奠基人、1979年諾貝爾物理學獎獲得者Steven Weinberg

在我讀研究生的上世紀50年代，理論物理取得了巨大成就。比如量子電動力學理論的發(fā)展，這是一種光的量子理論，講的是電磁場和電子的相互作用。經(jīng)過十多年的研究，理論物理學家發(fā)現(xiàn)了如何在這個理論下進行計算，并由此計算出了小數(shù)點后很多位的預測性結果，而這些計算結果后來也被實驗證實了。

實際上，理論和實驗之間的吻合程度已經(jīng)達到最高，比如對電子磁場強度的計算。基于這一成果，我們希望能夠?qū)σ阎淖匀唤缙渌咀饔昧Φ难芯可弦踩〉妙愃频耐黄?，比如量子電動力學中提到的電磁力之外的作用力。我們知道有一些強大的作用力讓中子和質(zhì)子結合形成原子核，原子核的直徑比原子要小10萬倍，而核反應釋放的一部分能量也源于這些強大的作用力。

我們都知道弱相互作用發(fā)生得很慢，但會導致原子核衰變，衰變時一個中子會衰變成一個質(zhì)子，并且放射出一個電子和一個中微子。這些作用力的存在就帶來了問題，因為量子電動力學并沒有對這些作用力做出解釋，但我們希望能建立一種類似的理論來解釋這些作用力。

我們在上世紀六七十年代開展了相關研究，并給出了一個理論，也就是大家所知的基本粒子標準模型。這個模型將強弱原子力和電磁力包含在了一套公式中，除了我們已知的電磁場，自然界還存在其它11種場。我們已知的大多數(shù)自然界基本作用力都與這12種場有關，只有一個特例，我稍后會說到。

除了電子，物質(zhì)還包含其它多種粒子，比如和電子類似但質(zhì)量更大的帶電粒子。比如和電子類似但表現(xiàn)為電中性的粒子，也就是中微子。再比如組成中子和質(zhì)子的，參與強作用力的粒子，也就是夸克。一個中子或質(zhì)子由三個不同類型的夸克組成，關于夸克和電子與中微子等帶電粒子，以及12種力場的理論與量子電動力學理論非常類似。如果你不知道有多少種力場和多少種構成物質(zhì)的粒子，你就很可能分不清這些理論。

那么為什么在上世紀50年代，科學家沒有做出標準模型呢？主要是我們在理解上遇到了困難，難點之一就是所謂的“對稱破缺”。相比于針對實際現(xiàn)象的計算公式，標準模型的公式看起來大大簡化了。

我們需要一些跟蹤來證明這一點，還有一種叫做“color trapping”的現(xiàn)象。夸克也有和電荷量類似的量子數(shù)代名詞，我們稱作“色”（“色”量子數(shù)是物質(zhì)世界的一個基本特征）。

“色”荷與電荷的區(qū)別在于如果我們把兩個帶電粒子拉開，即使它們之間相互吸引，但吸引力會隨著距離增大而減弱，也就是說吸引力與距離成反比。但在拉開兩個夸克時，吸引力會隨著距離變大而增強，所以我們永遠也無法分開兩個夸克。到目前我們的探測器還從沒看到過單獨存在的一個夸克，它們是無法單獨分開的。

我們相信這些觀點，是因為我們認同基于這些觀點的理論。

理論指出每個中子或質(zhì)子都是由三個夸克組成的，因此我們就認為夸克是真實存在的。而對于標準模型來說，理解了“對稱破缺”和“color trapping”等問題，并解決了這些難點后，這個理論看起來很不錯。

到了上世紀七八十年代，粒子物理實驗發(fā)現(xiàn)了標準模型預測的粒子，從此該模型走進了物理教科書。但為什么我們還是對這個理論不滿意？為什么我們要去向政府申請建設更大的粒子加速器和開展更多的實驗，從而突破標準模型的界限？

原因有幾個方面，一個是標準模型本身有一些需要給定的常數(shù)，從而通過理論做出預測。比如，除了電子的電荷量和質(zhì)量，我們還要知道與電子和夸克類似的所有其它帶電粒子的質(zhì)量，也就是需要從實驗中測出理論中給出總共9種粒子的質(zhì)量。

大家可能會問，有那么難嗎？畢竟牛頓在建立太陽系理論的時候，他要做的可是通過觀測來得出不同行星軌道的半徑，但不是什么都能靠純理論得出結果的。

現(xiàn)實就是這樣，但我們的不同之處在于，太陽系行星運動的參數(shù)是隨機生成的，但基本粒子的參數(shù)不是。這些參數(shù)肯定有內(nèi)在關系，也包含物質(zhì)創(chuàng)生的奧秘。但我們還不能確定那是什么。

看著這些質(zhì)量和電荷的數(shù)值，它們似乎傳遞著我們尚無法理解的信息，這就是困擾我們的問題之一。

第二個問題就是我們不但不知道這些數(shù)值是怎么得出的，還發(fā)現(xiàn)其中一些數(shù)值看起來非常奇怪。比如質(zhì)量比，質(zhì)量比的數(shù)值是像10或100這樣的數(shù)字，很難想象這是經(jīng)過計算得出的數(shù)值。

還有一些比率也很奇怪，例如標準模型中涵蓋的所有粒子的質(zhì)量標度。比如電子、夸克、具有作用力的粒子等等，它們的質(zhì)量都取決于同一個質(zhì)量參數(shù)，那就是遍布整個宇宙的某種場的質(zhì)量參數(shù)。這個參數(shù)大約是質(zhì)子（也就是氫原子核）質(zhì)量的250倍，我們不知道個中原因。

還有一些描述自然界的數(shù)字是很不同的，其中之一就是標準模型中沒有給出解釋的一種作用力，也就是引力。引力很弱，因為我們觀察到的能量很小。

引力有一個質(zhì)量標度，這個質(zhì)量標度下的粒子相互吸引，其吸引力不亞于原子核內(nèi)（中子和質(zhì)子之間）強大的作用力。這一質(zhì)量標度被稱為“普朗克尺度”，是馬克斯·普朗克于1900年提出的，普朗克尺度比標準模型中的質(zhì)量標度大了約16個數(shù)量級。

還有一個非常巨大的數(shù)值，剛才我曾說到和電荷類似，強弱相互作用力和電磁力的強度取決于類似電荷量的三個數(shù)量，它們的作用就像電荷對強弱作用力和電磁力起到的作用。

這三個數(shù)量的數(shù)值相差很大，最大的那個是其它兩個的一百倍左右，但這三個數(shù)值都取決于能量。如果從將它們投射到能量上，你會看到它們慢慢地越來越接近，然后在某個能量值，這三個數(shù)值匯合到一起了，而這個能量值和普朗克尺度的數(shù)值相差并不算大，大概比普朗克尺度小了10或100的因數(shù)那么多倍。

所以我說宇宙中數(shù)字的尺度是很神秘的，自然界存在四種基本作用力，引力的標度處于一個特別的數(shù)量級，而標準模型中研究的其余基本作用力。它們的標度大概比引力的標度小了16或14個數(shù)量級，我們稱之為“等級問題”。

是什么造成了標度上的等級差異？還有更糟的，如果從另一個方向，也就是從那些非常小的能量標度來看，也有一個標度是我們不理解的。我們知道每個單位體積的真空區(qū)域都有一定的能量，但這個能量非常小，而宇宙的空間是巨大的。因此這些能量加起來可以影響宇宙的引力場，進而影響宇宙膨脹的方式。

比如1998年天文學家們發(fā)現(xiàn)宇宙在加速膨脹，即有可能是這種能量引起的，現(xiàn)在我們能夠估算出導致這種宇宙膨脹加速的能量標度，這個數(shù)值大約比標準模型中的能量標度小16個數(shù)量級左右，這又是一個奇怪且巨大的數(shù)字。為什么會是這樣一個數(shù)字？我們還是不知道。

最后結尾，我想說點積極的，上世紀50年代讀研究生的時候，我很羨慕前輩們在量子電動力學領域取得的成就，而我們這一輩理論物理學家建立了標準模型，將前輩們的成果進一步向前推進。

標準模型解釋了自然界存在的所有其它作用力和我們發(fā)現(xiàn)的其它粒子，只有引力沒有給出解釋，我們的工作尚未完成，我們引以為傲的標準模型并不是最終答案。

今天年輕一代的理論物理學家們，你們有你們的使命，那就是解釋與自然界不同現(xiàn)象有關的這些巨大的、神秘的數(shù)字。祝你們好運！

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