目 錄
1. 高效量子熱機室溫實現奧圖循環
2. 童年與流感的第一場鬥爭最關鍵
3. 自主行走的液滴
4. 長江白鱘宣告滅絕
編輯 | 楊凌、韓若冰、董唯元、陳航
1 高效量子熱機室溫實現奧圖循環
許多科幻作品中，都曾出現過那種極其微小的交通工具，能夠穿梭於人體毛細血管，甚至進入細胞內部。我們知道，現實中當然不可能像漫威電影《蟻人》那樣，直接把一輛汽車縮小到病毒那麼大。如果想造出病毒大小的交通工具，必須設計一種新的發動機。
其實早在1959年，就有科學家借鑑普通汽車發動機的熱循環過程，提出了一種名為“三級放大”的模型，可以實現量子熱機[1]。
日常生活中的汽車發動機，是典型的卡諾熱機。如同水利發電機利用水的落差發電一樣，卡諾熱機就是在熱端和冷端之間設置一個循環，利用熱量流動推動循環往復，從而向外提供動力。中學物理課本上的卡諾循環，就是其中一種。不過現實中很難實現等溫膨脹和等溫壓縮過程，燃油發動機內部其實經歷的是由等容過程和等熵過程組成的奧圖循環。
三級放大模型中的三級，是指量子的能量基態、低能激發態和高能激發態這三級。外部的“熱端”可以使量子的能級變寬，激發時處於較高能量狀態；“冷端”則使量子的能級變窄，激發態的能量較低。通過一定操控，使量子在兩個狀態間往復，就可以實現向外提供動力的熱循環。
這個工作機制對單個粒子依然有效，所以理論上一個粒子就可以當做一臺發動機。可惜現實中，無論分子尺度的無規則熱運動，還是量子世界的各種隨機漲落，都是實現這一夢想的巨大阻礙。
所幸聰明的科學家還想到了這個熱循環的逆過程，很快又發表了採用相同模型的製冷技術原理[2]，並在1976年左右實現了大名鼎鼎的激光製冷[3-4]。激光製冷技術榮獲諾獎的同時，也直接或間接的催生出大量其他諾獎級成果，如今已然成為物理學研究的重要技術手段之一。相形之下，量子熱機的進展就顯得有些滯後。
在剛剛過去的2019年最後一個月裡，發表在物理學頂級期刊《Physics Review Letters》上的一篇關於量子熱機的文章[5]，展示了頗為亮眼的成果[6]。
文章的作者是來自加拿大、巴西和新加坡的國際合作研究團隊。他們的構建方法是將碳-13為中心的三氯甲烷放置在500MHz的核磁共振儀中，在常溫常壓下得到了近乎完美的奧圖循環熱機。其概念驗證實驗中表現出的做功效率達到了42%，距離理論上限的44%，僅差2個百分點。
這個超級微小的熱機一共只由5個原子組成，中心是1個碳-13原子，周圍是1個氫原子和3個氯原子。其工作原理主要是利用一種被稱為Larmor進動的量子效應，確切的說就是碳原子的自旋磁矩，在碳氫鍵上不同位置所表現出的不同Larmor進動。
在靠近氫原子的位置，進動頻率較高；而靠近碳原子的地方，進動頻率較低。這種區別，使碳原子自旋的能級寬度有所不同。也就是說，在碳氫鍵的兩端存在能量落差。根據三級模型所指明的原理，就可以產生奧圖循環。
這個微小的熱機之所以能夠在常溫常壓下工作，主要是因為向外做功過程的弛豫時間非常短，非平衡態的持續時間約為10^-4秒，遠遠小於退相干所需要的秒級時間。所以熱機在整個向外做功的過程中，一直可以保持住自己非對角化的哈密頓量，不必擔心受到來自環境的噪聲侵擾。
另外文章中還對這個熱機的做功特性，以及能譜概率分佈等具體內容進行了諸多闡述。頗有一種藍圖已就緒，只等上馬開工的感覺。也許在不久的將來，我們就可以將這項昨日科幻變成觸手可及的日常。
[1] Scovil, H. E. D.; Schulz-DuBois, E. O. (1959). "Three-Level Masers as Heat Engines". Physical Review Letters. 2 (6): 262–263. Bibcode:1959PhRvL...2..262S. doi:10.1103/PhysRevLett.2.262. ISSN 0031-9007
[2] Geusic, J. E.; Bois, E. O. Schulz‐Du; De Grasse, R. W.; Scovil, H. E. D. (1959). "Three Level Spin Refrigeration and Maser Action at 1500 mc/sec". Journal of Applied Physics. 30 (7): 1113–1114. Bibcode:1959JAP....30.1113G. doi:10.1063/1.1776991. ISSN 0021-8979.
[3] Hänsch, T.W.; Schawlow, A.L. (1975). "Cooling of gases by laser radiation". Optics Communications. 13 (1): 68–69. Bibcode:1975OptCo..13...68H. doi:10.1016/0030-4018(75)90159-5. ISSN 0030-4018.
[4] Letokhov, V.S.; Minogin, V.G.; Pavlik, B.D. (1976). "Cooling and trapping of atoms and molecules by a resonant laser field". Optics Communications. 19 (1): 72–75. Bibcode:1976OptCo..19...72L. doi:10.1016/0030-4018(76)90388-6. ISSN 0030-4018.
[5] DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.240601
[6] 注：該成果為《Physics Review Letters》期刊的編輯推薦文章。
2 童年與流感的第一場鬥爭最關鍵
根據美國亞利桑那大學的新研究結果[1]，一個人能否成功抵禦流感，不僅取決於病毒隨季節變異的能力，還取決於童年時期首次遭遇的病毒毒株。這些發現解釋了為什麼在感染同一株流感病毒後，某些患者的症狀比其他人更糟糕。這項發現也有助於制定減少季節性流感影響的策略。
過去幾十年中，流感病毒的兩個亞型H3N2和H1N1導致了季節性流感的爆發。H3N2導致了高危老年人群中大多數的嚴重病例，以及總人群中的大部分死亡病例，H1N1更傾向於導致年輕人和中年人患病。
研究人員發現，兒童時期首先接觸到H1N1的人與首先接觸H3N2的人相比，如果隨後再次遭遇H1N1，住院的可能性會更小。相反，最初暴露於H3N2的人隨後會擁有對H3N2的額外保護。
從進化關係上講，H1N1和H3N2屬於流感“家譜”上的兩個獨立分類。儘管感染過其中一類確實會使免疫系統在未來更好地對抗另一類，但是當再次暴露於同類當中的病毒株時，這種保護作用會強得多。
數據還揭示了另一種更難解釋的模式：H2N2與H1N1為同一類下的兩個亞型，屬於“近親”，然而兒童時期首次接觸H2N2的人在後來遇到H1N1時沒有體現出保護性優勢。
“很明顯，有些因素會損害你對接觸到的第二種病毒株的免疫力，即使它們與第一次暴露屬於同一類，”研究者Michael Worobey稱。“你接觸到的第二個亞型不能產生像第一個那樣的保護和持久的免疫應答。”換句話說，人抵抗流感的能力不僅取決於一生中遇到的亞型，還取決於遇到的先後順序。
Worobey說：“免疫系統首先遇到的任何亞型都會留下印記，可以特別有效地保護我們免受相同亞型毒株的侵害，但即使緊接著遇到其他亞型的毒株，抵抗力也會相對較差。”
研究人員希望他們的發現有助於根據當下流行的亞型，預測未來流感季中哪些年齡組可能受到嚴重影響。這也有助於衛生官員準備恰當的應對措施，例如按照人群少量分發限定性的疫苗。
[1] Gostic K M, Bridge R, Brady S, et al. Childhood immune imprinting to influenza A shapes birth year-specific risk during seasonal H1N1 and H3N2 epidemics[J]. medRxiv, 2019: 19001834.
3 自主行走的液滴
初中物理課上學習動量守恆的時候，老師常會讓學生做個殘忍的思想實驗：風平浪靜的湖中心有艘靜止的小船，如果船上的囚犯既沒有槳也沒有帆，那他無論在船上怎麼折騰，也無法讓船走到岸邊。
這情景很像那些可憐的單細胞生物，他們是如何有目標的在水中游動或在物體表面爬行的呢？也許有專業人士會第一時間想到鞭毛，但一些關心生命起源的研究者仍禁不住好奇，在鞭毛結構尚未進化出來之前，早期原始生命團塊難道就只能無奈的隨波逐流嗎？
近期，一項來自英國研究者的物理學成果，為這一問題提供了頗具啟發性的新線索。英國布里斯托大學數學學院的Aurore Loisy及其合作者在物理學頂級期刊《Physics Review Letters》上發表了他們的論文[1]。
論文中展現的並不是具體的實驗操作，而是一種非常有趣的液滴數學模型。作者不失一般性的把液滴模型降低到2維，然後通過對解析解的形式化分析和數值模擬兩方面，展現了這個神奇的液滴可以在完全無外力牽引的前提下，自主的向某一方向“行走”，就好像活了一樣。
當然，這個液滴並不會真的違反任何物理守恆律。事實上，這個液滴之所以能夠“行走”，其能量就來源於其內部的物質流動。而產生這些內部物質流動的能量，又來源於系統自由能的消耗。從某種程度上講，這個液滴模型可以看做是一個簡化到極致的“活體”。
與一般生命個體相比，這個數學液滴尚不具備自我複製、刺激反饋等完整生命特徵。但在自主行動這一點上，顯然已經融通了生命體與非生命體的絕對隔閡。相信在未來，這個數學研究者在物理學上的研究成果，能夠推動和啟迪更多生物學領域的進展。
[1] Loisy A, Eggers J, Liverpool T B. Tractionless Self-Propulsion of Active Drops[J]. Physical Review Letters, 2019, 123(24): 248006.
4 長江白鱘宣告滅絕
近期，中國水產科學研究院聯合捷克科學院生物中心、米亞大學和英國肯特大學在《整體環境科學》雜誌發表文章稱[1]：長江白鱘已經滅絕。
文章的第一作者張輝博士在文章中給出了關於長江白鱘研究的四點結論：
• 世界上最大的淡水魚之一，體長可達7米的長江白鱘已經滅絕；
• 長江白鱘的滅絕時間估計在2005-2010年；
• 長江白鱘在滅絕前已於1993年功能性滅絕；
• 瀕危長江魚類的保護工作迫在眉睫。
張輝博士表示，長江特大河流生態系統曾是多種水生巨型動物的家園，但日益增長的各種人為壓力，使得長江生態系統生物多樣性不斷喪失。長江白鱘就是一個典型例子。
長江白鱘曾是3400萬至7500萬年前最多樣化、分佈最廣的殘跡譜系中僅存的兩種成員之一，也是最大的淡水魚之一，體長可達7米。然而，這種在上世紀70年代，產量可以達到每年25公噸的魚類，由於人類的過度捕撈和棲息地破碎化，自20世紀70年代末以來，長江白鱘的種群數量急劇下降。
在2017-2018年的一項全流域捕撈調查所發現的332種魚類中[2]，研究人員沒有發現一例活的長江白鱘標本。根據1981-2003年期間210次長江白鱘的目擊報告，張輝博士估計長江白鱘的滅絕時間約為2005年至2010年。此外，張輝博士認為，長江白鱘可能在1993年之前就已經功能性滅絕 (即無法繁殖) 。顯然，無法繁殖可能是長江白鱘滅絕的最主要原因。
張輝博士表示，由於沒有活的標本被人工飼養，也沒有活的組織被保存起來，根據世界自然保護聯盟（IUCN）的紅色名錄標準[3]，長江白鱘應該被認為已經滅絕。張輝博士認為，長江白鱘的滅絕是多種威脅共同作用的結果，這說明對長江瀕危動物的保護迫在眉睫。
[1] Zhang H, Jarić I, Roberts D L, et al. Extinction of one of the world's largest freshwater fishes: Lessons for conserving the endangered Yangtze fauna[J]. Science of The Total Environment, 2019: 136242.
[2] 注：這些樣本中也沒有發現約140種長江流域歷史上曾經出現過的魚類，其中大多數已經被認為是高度瀕危的物種。
[3] 注：關於長江白鱘是否滅絕的界定存在些許爭議，詳情可參看：https://tech.sina.com.cn/roll/2020-01-03/doc-iihnzhha0056086.shtml
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