atombit

科技日报合肥11月9日电 （记者吴长锋）记者9日从中国科学技术大学获悉，该校彭新华研究组和华中科技大学吕新友教授合作，通过引入反压缩操作，借助于高精度的量子控制技术，首次成功地在核磁共振量子模拟器上实现了超越No-go定理的平衡态超辐射相变，推动了量子相变理论和量子模拟领域的发展，为量子精密测量提供了新的途径。相关研究成果日前在线发表于国际学术期刊《自然·通讯》上。 平衡态的超辐射相变自从上世纪70年代初被理论预言以来，一直是统计物理和电动力学重要的研究课题，而且为量子信息科学提供了关键的量子资源。然而平衡态的超辐射相变始终没有在真实的腔QED系统上观测到。这当中最为关键的是，腔QED系统中自然存在的矢势平方项使得相变点落在了物理上无法达到的参数区域内——即所谓的No-go定理，因此平衡态超辐射相变的实验研究极具挑战性。 研究组实验上利用了绝热量子控制的方法将量子模拟体系制备到腔QED系统哈密顿量对应的基态，且基于精密的量子控制技术实现了关键的反压缩操作，然后通过测量序参量的变化观察到了超辐射相变的恢复。此外实验还通过量子态层析技术，展示了伴随着进入超辐射相，系统被制备到了高度纠缠的压缩薛定谔猫态上。 研究结果表明，压缩/反压缩操作能够有效调控量子相变点，即使在矢势平方项存在的情况下也能恢复平衡态的超辐射相变。这不仅打破了No-go定理对相关领域进一步发展所造成的潜在阻碍，而且启发了后续研究者将更先进的量子控制技术应用到光—物质相互作用、凝聚态等复杂体系的实验研究上；实验中制备的高度纠缠态（压缩态）也有望为量子度量和容错量子计算领域提供关键的量子资源。审稿人对该工作给予了高度评价：“这是整个量子模拟领域的一个重要的实验。” 关键词 : 量子超辐射

　　这幅想象图显示了双星系SPT0311-58中的尘埃连续体，以及一氧化碳和水的分子线。ALMA的数据显示，在这两个星系中，较大的那个星系具有丰富的一氧化碳和水，表明在元素最初形成后不久，宇宙中的分子就变得普遍起来 在一项新研究中，科学家在一个遥远的星系中发现了生命存在所需元素的迹象。根据阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（ALMA）的最新观测结果，天文学家在早期宇宙最大的星系SPT0311-58中发现了水的踪迹。 研究人员在这个距离地球近128.8亿光年的星系中发现了水和一氧化碳。对这两种分子的大量探测表明，当相关的元素在早期恒星中形成后不久，其组成的分子就逐渐在宇宙中变得普遍起来。这是迄今为止对早期宇宙中星系的分子气体含量最详细的研究，并且是在最遥远的常规恒星形成星系中探测到水分子。相关的研究结果发表在《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）上。 　　这张动图显示了早期大质量星系SPT0311-58中尘埃连续体以及水和一氧化碳的分子线移动情况。动图开始是尘埃连续体与水和一氧化碳分子线的组合；之后是红色的尘埃连续体和蓝色的水分子线；一氧化碳的分子线包括粉色和深蓝色的CO（10-9）、品红色的CO（7-6）和紫色的CO（6-5） ALMA的科学家于2017年首次观测到了SPT0311-58，这个巨型星系实际上是由两个星系组成的。当然，科学家所观测到的过程真正发生时，该星系还处于再电离时期，当时的宇宙只有7.8亿年的年龄——大约是如今宇宙年龄的5%——而第一批恒星和星系也正在诞生。科学家认为，这两个星系可能正在合并，其中快速形成的恒星不仅耗尽了它们的气体或恒星形成原料，而且最终可能演变成大质量的椭圆星系，正如在近域宇宙（Local Universe）中所观察到的那样。 “通过对双星系SPT0311-58内部分子气体的高分辨率ALMA观测，我们在其较大的星系中发现了水分子和一氧化碳分子。特别是氧和碳，它们是第一代元素，并且以一氧化碳和水的分子形式存在，二者对我们目前所知的生命都至关重要，”美国伊利诺伊大学的天文学家、这项新研究的首席研究员斯里瓦尼·贾卢古拉说，“这个星系是目前已知质量最大的高红移星系，即处于宇宙还非常年轻的时期。与早期宇宙中的其他星系相比，它具有更多的气体和尘埃，这给了我们大量的潜在机会对其丰富的分子进行观察，并更好地了解这些创造生命的元素如何影响早期宇宙的发展。” 研究人员尤其关注水分子，这是宇宙中第三丰富的分子，仅次于氢分子和一氧化碳分子。先前对近域宇宙和早期宇宙中星系的研究，已经将水的散发和尘埃的远红外辐射联系起来。“这些尘埃吸收了来自星系中恒星的紫外线辐射，并以远红外光子的形式重新释放出来，”贾卢古拉说，“这进一步激发了水分子，产生了科学家能够观察到的水释放信号，从而帮助我们探测到这个巨大星系中的水分子。利用这种相关性，我们可以将水作为恒星形成的指示信号，进而在宇宙尺度上应用于其他星系。” 　　这些图像显示了早期大质量星系SPT0311-58观测中所看到的分子线和尘埃连续体。左图为合成图像，结合了尘埃连续体与水和一氧化碳的分子线。右侧从上到下分别为尘埃连续体（红色）、水分子线（蓝色）、一氧化碳分子线CO（6-5）（紫色）、CO（7-6）（品红）和CO（10-9）（粉色和深蓝色） 研究宇宙中最早形成的星系有助于科学家更好地了解宇宙及其中万事万物，包括太阳系和地球的诞生、成长和进化。“早期星系形成恒星的速度是银河系的数千倍，”贾卢古拉表示，“研究这些早期星系的气体和尘埃含量，可以让我们了解它们的属性，比如有多少恒星正在形成，气体转化为恒星的速度，星系与星系以及星系与星际介质之间如何相互作用，等等。” 贾卢古拉还指出，关于SPT0311-58和早期宇宙的星系，目前还有很多问题需要解答。他说：“这项研究不仅为宇宙中哪里存在水，以及这些水距离我们能有多遥远等问题提供了答案，而且还提出了一个更大的问题：这么多气体和尘埃是如何在如此早期的宇宙中聚集形成恒星和星系的？回答这一问题，需要对该星系和类似的恒星形成星系进行进一步研究，以更好地了解早期宇宙的结构形成和演化。”   “这个令人兴奋的结果显示了ALMA的力量，增加了我们对早期宇宙的观测，”美国国家科学基金会天体物理学家和ALMA项目主任乔·佩谢说，“这些对地球生命至关重要的分子正在快速形成，对它们的观察使我们有机会深入了解一个与今天截然不同的宇宙，以及这个宇宙的基本过程。” 什么是近域宇宙？ 近域宇宙是指一个半径约为10亿光年的邻近宇宙区域，在这个范围内，宇宙演化的影响很小，星系和相关的天体基本上“冻结”在它们今天的形态。 这是宇宙中可以进行最详细观测的一部分，因此，我们关于星系和星系系统结构及其内部演化过程的大部分知识都来自对近域宇宙的研究。此外，近域宇宙学专注于研究星系的当前状态，以确定它们是如何形成和演化的。 对于任何成功的星系模型，不仅必须再现高红移的年轻星系，而且还要再现其演化至今天的产物。研究近域宇宙的基本方法包括将多波长数据与理论模型相结合，从而确定控制星系本质的关键物理过程。（任天）

作者简介：2019年未来科学大奖-物质科学奖获奖者、中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所所长。 王贻芳：大家上午好，今天我给大家讲一讲基础科学研究和企业的发展。在座有很多青年科学家，也有很多青年企业家。大家对基础科学研究最近都谈的很多，特别是习主席最近在科学家座谈会上特别强调基础科学研究和卡脖子技术是我们目前面临的两个根本的重大问题，并提出基础科学研究首先需要国家加大财政投入，同时也需要企业、金融机构以及社会力量的支持。 所以今天我们在这里讨论这个问题，我觉得特别贴切。首先我想谈一谈什么是基础科学研究，它研究的范式、作用和意义；另外想介绍一下基础科学研究对企业发展的作用和意义；我们也看一看国内外基础科学研究的状况，以及我们自己现在的差距；最后谈一谈企业和企业家对基础科学研究的社会责任，也是最近大家谈得很多的所谓第三次分配的内容。 #01 什么是基础科学研究 大家谈论基础科学研究，有的时候这个名词还是有很多歧义。应该说基础科学研究是认识自然、揭示规律的研究活动，狭义来说就是我们所说的“数理化天地生”。我们现在经常把基础科学研究的内容做一些推广，它实际上也可以包括各个门类基础性的研究工作，甚至是机械、电子等领域，都可以说里面含有基础科学的内容。 但是它有一个非常重要的特质，就是它不产生直接有用的价值，基础科学研究不会给大家提供产值，不会有GDP。同时它的研究成果是公开的，研究成果可以共享合作，它是一切规律、知识、方法和技术的总结。既然是公开的，那么大家就会说“咱们别做了，让外国人去做。咱们读读文献，学会了，咱们做那种有用的，能产生价值的研究”。还有一种说，“这个事情是中央政府做的，咱们地方政府，咱们企业不做这事，咱们只做能够产生价值的事情”。 这样的认识实际上是有很大的误区，基础科学研究它指的是研究，不是学习，不是书本的学习，也不是课堂的学习。所以我们必须通过研究，自己动手来掌握人类已有的全部知识；我们必须通过研究才能掌握知识和先机；而且只有通过研究，你才能掌握创新方法。所以这不是通过书本文献的学习就可以掌握的，如果我们只是让别人（外国人）去做，我们自己就不可能掌握这个知识方法，也不可能做创新的工作。 基础科学研究是关键技术的基础，它帮助我们深刻理解，掌握核心关键的规律、知识、方法；它也是一个最好的创新平台，因为大家都知道做基础科学研究只有第一，没有第二，所以我们必须用前人没有用过的方法和技术做前人没有做过的事情；基础科学研究也是最好的人才培养方式，因为我们的人才从基础科学研究的过程当中走过来，他就知道如何创新，也可以掌握最新的方法和技术，这也是我们所谓的通过创新实践来培养人才；同时，基础科学研究也会给我们提供最好的技术需求和技术发展基础。所以我们说欲速则不达，如果总是想要直接得到所谓的产出、价值或者是收获，那我们可能得不到我们真想得的东西，这也是目前中国面临的一个大的问题，“急功近利”在中国的国民性中有比较深的基础。 总结来说，基础科学研究会带来重大的发现，可以提供革命性的技术突破；帮助我们解决关键的技术问题，使我们通过知其所以然来解决问题；会很好地推动技术的发展，给我们提供前所未有的技术需求；当然它也是国家软实力的标志之一，我们大家都知道基础科学研究的每一次重大突破都会令人兴奋，如果我们有很多这样的突破，大家也会感到非常骄傲；同时在各个方面它也体现了我们国家的核心竞争力。 #02 基础研究对企业发展的作用与意义 对企业来说，它是不是有很多直接的意义呢？我给大家举几个例子，我们在做中微子研究，在研究过程当中，有大量的设备需要研发。我们曾经跟中国兵器北方夜视公司合作，研制出了大型的20吋光电倍增管（图1），这个领域过去一直被国外垄断。为了满足江门中微子实验“世界最高探测效率”的要求，我们经过六年的努力成功达到要求，实现了批量生产。为此，夜视南京分公司成立了研发中心，研制高速的光电器件。这一类的高速器件在国防、医疗、科研方面有广泛的应用，通过这个过程，使我们的光电器件研制技术一下子走到了国际的前列。 第二个，为了做中微子研究，要研制一个35.4米直径、世界最大的有机玻璃球，我们与泰兴汤臣公司合作（图2a）。这个有机玻璃球的透明度要达到理论极限，灰尘杂质在600吨的有机玻璃里面只能少于0.02克，因此这也是一个世界上最晶莹剔透的有机玻璃球（图2b）。大家可能觉得无所谓，但是如果你们到中国的海洋馆，看到有机玻璃比别人的更加晶莹剔透，你是不是会感觉到愉悦？这也是我们为人民生活提供的一点帮助。 我们还跟昆山的国立公司研制加速器用的速调管。速调管是大功率的微波器件，在广播、通信、雷达等方面有非常广泛的用处，目前国内的水平大概跟国际相差一个量级。为了发展环形正负电子对撞机，我们需要大大超过目前国际水平的速调管。我们一起成立了院士工作站，开发全新的速调管，已经完成了第一支样管（图3），达到了目前的国际水平，第二支样管实际上是朝着远超国际水平的目标在努力，企业也因此在真空微波器件方面走到国际前列。 另外一个就是高温超导，我们都知道超导的使用成本很高。为了实现大规模的应用，提高性价比，我们提出了将高温超导线材的性价比提高100倍的目标。100倍的性价比提高可以使超导真正的走入民用，在输电电缆、电机、储能、磁铁等方面有巨大的应用价值。我们成立了“实用化高温超导材料产学研合作组”，发展实用化的超导磁铁，而且获得了中科院的支持。目前我们在国际上做出了第一个铁基超导线圈，在国际的学术界引起了很大的反响。在研究结果发表后（图4），美国国家高磁场实验室专家专门发表评论文章以配合我们文章的发表，文中强调了我们的研究目的：“铁基超导是各种应用的理想选择。。。价格比铌三锡低4-5倍”，这是未来发展一个非常重要的前沿。 基础研究与企业的合作，我们的体会是：第一，国内工业界水平的提高帮助了我们的基础科学研究；第二，基础科学研究的需求带动了工业界水平的提高。如果我们不跟他提这个需求，企业也想不到做这件事情，技术水平也就不可能提高。所以基础科学研究对于世界第一的追求，使得我们工业界的水平得到了提高，而且基础科学研究跟工业界的合作，提高了工业界的创新研发能力，培养了创新型研发人才。因为他们开始跟我们一起做前人没有做过的事情，企业得到了发展壮大的机会，也进入国际市场，所以说科学家和工程师的合作是提高我们创新能力的绝佳途径。 #03 国内外基础科学研究的支持方式与力度 先看我国的基础科学研究的支持力度，2020年中国的研发经费是GDP的2.4%，基本达到中等发达国家水平（图5）。国际上最高的以色列、瑞典达到4%。德国、美国基本上也都是2.5%~3%左右，差距不大。但是我们的基础研究经费占研发经费只到6%，跟发达国家15%到20%相比有比较大的差距。韩国、日本、美国、法国、英国等发达国家基本上在15%左右，我们差了三倍左右（图6）。 图6。 2019年各国基础研究占R&D比重对比（%）（数据来源：OECD） 大家说我们比较穷，所以应该少。但是在过去的20年，在我们比较穷的时候，1998年投入是5%，一直到现在才到6%（图7）。也就在过去的20年，我们中国对基础科学研究的支持没有随着经济的发展按比例的增长。所以这方面在过去的20年，我们的支持应该说是没有到位，这也是为什么现在中国的基础科学研究跟大家的期望相比可能差一点。巧妇难为无米之炊，基础科学研究没有经费，想要做得好是不可能的。 中国现在的基础研究经费总量大约在1400多亿，是美国的五分之一，差了五倍，少在哪儿？我们可以看看各个国家基础研究经费的执行情况（图8）。韩国58%是由企业来支持的，政府只有18%，高校22%。美国也是企业支持了30%，中国是4%，法国、英国企业支持了百分之二十多。所以企业对基础科学研究的支持大约在30%左右是一个比较合适的比例，中国只有4%，远远落后于国际发达国家。这也是为什么我们差距很大的原因。大家可以看到过去这些年（图9），我们从2010年的1%涨到现在4%，好像是涨了很多，但是跟国际上其他国家相比，我们的差距实在是太大。 我国现有企业对基础科学研究总投入严重不足，虽然企业的研发经费占了全国的76%，但结构失衡，基础研究和应用研究仅分别占4%和8%，发展和试验研究占88%，应该说这方面是有比较大的问题。这也是为什么我们的产业缺乏核心技术，偏重实用主义和解决短期问题，基础科学和基础技术供给不足、原创能力不足；企业的研究力量薄弱，没有足够的知识储备、能力积累和吸收能力，影响产学研合作和科技成果转化效果。因为企业根本没有能力去吸收，对基础科学的知识方法都没有掌握，也就无法做这些事情。我们经常说产学研合作问题很多，我觉得很大的一个原因问题就是企业没有接收的能力，不能跟这些先进的、原创的基础科学研究做很好的结合，当然企业自身也没有太多原创的能力。最近发布的《科学技术进步法修订草案》新增了“基础研究”、“区域科技创新”、“国际科学技术合作”三章，特别强调“建立基础研究稳定支持的投入机制，提高基础研究经费在全社会研究开发总额中的比例”。大家看企业基础研究投入占本国基础科学研究总投入比例（图10），中国的比例是4%，韩国是世界最高（58%），发达国家例如日本、美国、英国的比例如图所示。如果我们能够提高到20%甚至30%是我们努力的一个目标，4%太少，而且对我国家长远发展来说有比较大的问题。 企业支持基础科学研究可以有各种模式，包括内部的基础研究机构；支持国内外大学研究所的联合研究；或者支持大学开展独立的专题研究；也可以成立公益基金会，奖励有贡献的研究人员。美国企业的超强竞争力，跟他一贯重视基础研究密不可分，而且美国的私人基金会在基础科学研究方面起着非常重要的作用。大家可以看美国基础研究经费来源分布（图11），联邦政府对于基础科学研究的支持只有43%。或者换一句话说，我国现在6%的基础科学研究经费，如果在其他方面能够增加的话，可以很容易达到我们期望的12%或者15%，所以我们基础研究经费能否加倍，在很大程度上依赖企业、非盈利机构和地方政府的支持。 我们看一看日本，政府、企业这两大主体是日本基础研究投入的显著代表。他们从技术革命中的获利非常丰厚，企业对基础研究投入使日本拥有众多的世界上最顶尖的技术，包括半导体、加工设备与材料、超高精度机床等方面，我想大家都耳熟能详。韩国的企业在基础研究投入中处于主导地位，实际上他超过了本国基础研究经费总投入的50%。刚才的图上大家可以看到占额是58%。得益于基础研究，韩国许多产业世界领先，包括半导体、显示面板、钢铁等等。因此这些国家在技术创新等各方面领先，跟企业对基础科学投入密不可分。 #04 企业和企业家 对基础科学研究的社会责任 企业和企业家对基础科学研究除了自己投入之外，还有一个社会责任。美国的社会力量在基础科学研究当中起到非常重要的作用。二次大战前，基础科学研究的经费主要来源于慈善家和基金会的支持，比如说大家知道的洛克菲勒基金会和卡内基基金会，资助对象包括天文、化学、生物学等等。美国的天文望远镜，过去主要是由私人捐赠，实际上现在天文望远镜的经费也有50%左右仍然是由私人捐助。二次大战后还有很多基金会支持基础科学研究，以弥补政府和市场留下的一些空隙，资助那些对政府来说风险过高、争议过大的科研项目。比如说盖茨基金会、霍华德休斯医学研究所、西蒙斯基金会等（表1），大家可以看到一年的经费可以达到几十亿至上百亿美元。这是美国联邦资金和慈善资金对前50名研究型大学各学科的资助比较（表2）。比如说在生命科学，联邦资金支持了26%，慈善基金捐助了15%；物理科学联邦资金占14%，慈善基金占4%等等，大家可以看到私人捐助对基础科学研究起了极其重要的作用。 表1。美国主要基金会列表（数据来源：theScientist） 表2。 美国联邦资金和慈善资金对前50名研究型大学各学科的资助情况（数据来源：《全球科技经济瞭望》） 我们可以看一看中国的现状。中国的慈善基金对科教事业做了大量的捐助，成绩非常丰硕。比如说我们的“未来科学奖”、“科学探索奖”等民间奖项，资助了一批科技工作者，获得了非常好的社会效益；“世界顶尖科学家论坛”、“临港科学家社区”等也对基础科学发展起了非常重要的作用；还有很多企业家为高校、中小学教育捐了大量的固定资产。但是我们目前基本没有社会资金支持基础科学“研究”本身，我们盖了房子、发了奖，这些都是显而易见，当然效益也是很明显的，但是我们没有资助未来的基础科学研究，没有支持“研究”本身。研究是未来，发奖是资助（奖励）了过去，所以我们应该有更多的资金资助未来。跟美国相比，我们还有很长的路要走。 所以我们需要社会资金支持基础科学研究。首先是在共同富裕道路上，第三次分配将起重要作用，基础科学研究应该是第三次分配当中一个非常重要的部分，应该有更多对这方面的支持。2018年国务院印发文件《关于全面加强基础科学研究的若干意见》中也提出，要对基础科学研究有多元化的投入机制，科技部的文件（《新形势下加强基础研究若干重点举措》）也强调这一点。社会力量支持基础科学研究是未来发展的一条必经之路，一定会发生，看谁走在前面，它的支持方式、操作方法、政策支持等需要有人去开拓。 这里我提几点具体的建议：第一，应该设立专注于基础科学研究的私人基金会，学习美国私人基金会的运作方式；第二，要引入更加国际化的规范的评审机制和操作方式，也许在某些方面有别于现有的政府经费支持方式，这是一个很好的补充。从科学发展来说，不同的方式都有它存在的必要，需要私人基金会这种更加灵活的方式来弥补政府支持的不足，填补空白。同时我们可以选择一些社会影响力大、成果比较突出，国内人力基础较强但设备基础薄弱领域，支持建设一些关键的设备和核心研究单位。 比如说建设一台4米口径的光学天文望远镜。我们投入3亿建设了上海天文馆来吸引孩子喜爱天文，但是我国连一台3米以上的天文望远镜都没有。虽然天文馆可以吸引这些孩子喜爱天文，但是如果他们做了天文学家以后会发现没有望远镜来做自己想做的研究！我们还可以做些其他的事情，如在同步辐射光源和散裂中子源上建设1-2台用户线站，长期支持5-10个高等研究单位（类似于美国的Kavli研究所）。在高校和研究单位，也可以设立一些讲席位置，这些以前也有人做，比如长江学者，但是我觉得可以有更多。 只有基础科学领先国际，才有科学和技术的真正领先和国家的富强，让我们大家一起努力。 谢谢大家！ 本文内容来源2021未来青年论坛现场 内容已经嘉宾确认 文中PPT页面及内容未经授权禁止使用 本文转自未来科学论坛

（图源：gdsc.cn） 来源：科学媒介中心 魏巍    供稿 睡眠一般指人类和恒温脊椎动物的大脑各中枢在自然条件下逐渐、普遍进入抑制状态的生理现象。科学家经常将睡眠定义为“暂时失去知觉”的状态，由大脑协调，与觉醒状态周期性地交替出现，而且睡眠也是脑疲劳后功能恢复所必需的。 关于“睡眠”的研究 人类需要睡眠，动物需要睡眠吗？科学家可以用特殊仪器监测哺乳类动物和鸟类在睡眠时其大脑发出的电信号，由此了解它们的睡眠情况，但对其他动物（比如爬行类动物和鱼类），科学家目前还无法看出它们的大脑信号有什么变化。 有科学家认为这些动物根本没有睡觉，美国辛辛那提儿童医院医疗中心的基因组生物学家约翰·霍格内什更容易接受水母和水螅这种宁静、无反应的状态为“类似睡眠”。相关文章于2021年10月发表在《科学》杂志，文章题目为：The Simplest Of Slumbers。研究生拉维在论文中表示，“水母会睡觉，这似乎并不会令人惊讶，毕竟，哺乳动物会睡觉，其他无脊椎动物（如蠕虫、果蝇等）也会睡觉。” 相关文章于2017年9月21日发表在《当代生物学》杂志。 还有科学家认为，这些动物的睡眠也许属于我们不了解的某种形式，因此无法用现有的方式检测出来。睡眠状态是在第一批动物出现时就发生的，最早的生命形式是没有反应的，直到慢慢进化后，它们才对周围环境做出反应，而睡眠不过是生物回归到默认的状态。换句话说，我们并不是进化出了睡眠，而是进化出了清醒。 如果这个假设是真的，睡眠对于人类、啮齿动物和其他脊椎动物来说，是一种高度进化的结果，它能够满足每种生物自身需求的生活方式，而科学家想要通过研究这些物种的睡眠，发现睡眠行为的基本功能是很困难的。因此，科学家开始转变思路，从早期进化的生物入手（这类生物的细胞类型更少，细胞结构更简单，行为模式较为单一），或许能够通过这些研究揭示睡眠的基本形式。 形态各异的睡眠 为了对睡眠行为进行更充分的研究，科学家先后研究各种动物的睡眠行为。研究发现，奶牛和其他大型哺乳动物站着睡觉；一些海洋哺乳动物在游泳时睡觉；一些海鸟能够在飞行时打盹，一半大脑打瞌睡，另一半大脑继续工作。 火烈鸟睡觉时一只眼睁开（图源：freeimages.com） 不同动物睡眠的时间有长有短，比如马的睡眠时间只有不到3小时（1天），而蝙蝠1天能睡20小时。科学家通过监测它们的脑电波分析各自的睡眠状态，发现大多数动物至少有两个睡眠阶段，尽管这些阶段的大脑活动可能有所不同。 不同动物的睡眠时间对比图（图源：nature.com） 随着研究逐渐深入，科学家将目光转向果蝇和蛔虫等无脊椎动物，乃至海绵（海绵是最原始的多细胞动物，其细胞的主要成分是碳酸钙或碳酸硅以及大量的胶原质。海绵6亿年前就已经生活在海洋里，目前已发展到1万多种，占海洋动物种类的十五分之一）和扁盘动物（扁盘动物的形状、大小、运动方式与变形虫很相似，但它属于多细胞动物，又称为多细胞变形虫）。 此前，科学家着重研究睡眠在复杂认知过程中的作用，目前通过对这些简单生物的研究，探寻睡眠如何影响基本细胞功能。科学家分别统计了疟原虫、海绵、水螅、水母、蛔虫、果蝇、章鱼、海蛞蝓、小龙虾、鱼、爬行动物、鸟、海洋哺乳动物和人类在睡眠时的不同状态。 不同物种睡眠状态对比图，深蓝色标志为情况符合，浅蓝色为情况不符合，灰色为尚未进行相关测试，白色则是不确定结果。（图源：science.org） 科学家广泛观察并总结人类和其他生物睡眠的特征，主要从睡眠时是否静止、是否有典型的姿势或睡眠地点、反应是否变迟钝、是否能快速醒来、是否能够弥补失眠状态、是否受睡眠药物影响、睡眠是否遵循昼夜规律、大脑或者细胞活动是否有变化、以及是否有相关基因等方面进行统计。 治疗睡眠障碍的新方法 如果全身的细胞都能从睡眠中受益，科学家就能够通过研究这些细胞在生物睡眠时的状态变化来寻找答案，该研究可能会引导科学家找到新的睡眠障碍治疗方法。加州大学洛杉矶分校（UC Los Angeles）的神经科学家凯特玛·保罗（Ketema Paul）正在研究一种被称为Bmal1的蛋白质。Bmal1被认为是生物钟相关基因中不可或缺的组成成分，它能够激活昼夜节律基因表达，比如可以帮助睡眠不足的小鼠保持清醒。 目前为止，科学家一直假设大脑制造并使用Bmal1完成这项任务。然而，保罗和他的同事发现，睡眠不足的老鼠反而依赖于肌肉中产生的Bmal1。他猜测这种蛋白质可能有助于将肌肉锻炼与生物的困倦程度联系起来，只要发明一种针对肌肉的Bmal1药物，很有可能帮助人类对抗通宵达旦带来的负面影响。 在其他小鼠研究中，科学家发现小鼠的胃肠道、胰腺和脂肪组织会产生神经激素的信号分子，这些分子似乎会影响睡眠的开始和持续时间。同时，科学家正在开发一种方法研究透明鱼（Danionella Translucida）的睡眠行为，他们通过使用荧光标记和其他标记跟踪鱼类大脑和身体中某些分子的活动，观察不同类型的细胞如何随着时间推移控制睡眠并从中受益。 透明鱼Danionella Translucida可能有助于揭示身体如何控制睡眠。（图源：science.org）   睡眠质量对生活和工作非常重要，2021年4月，教育部发布《关于进一步加强中小学生睡眠管理工作的通知》，明确要求保障中小学生充足的睡眠时间。其实，高质量睡眠对每个人都很重要，这也是科学家不懈研究的原因之一。 参考文献： https：//www.science.org/content/article/if-alive-sleeps-brainless-creatures-shed-light-why-we-slumber Raizen， David M。， et al。 “Lethargus is a Caenorhabditis elegans sleep-like state。” Nature451.7178 （2008）： 569-572。 Shein-Idelson， Mark， et al。 “Slow waves， sharp waves， ripples， and REM in sleeping dragons。” Science352.6285 （2016）： 590-595。 Rattenborg， Neils C。， Charles J。 Amlaner， and Steven L。 [...]

元宇宙，无疑是近期大热的话题。10月29日，Facebook创始人马克·扎克伯格宣布，Facebook将更名为Meta，股票代码也将从FB改为MVRS，12月1日开始生效。扎克伯格表示，Meta将在未来一年花费100亿美元来开发元宇宙所需要的技术。元宙的浪潮也在我国汹涌而至。今年9月，字节跳动收购VR软硬件制造商Pico（小鸟看看），据报道，此次交易成交额在90亿元人民币左右，是目前为止国内最大的一笔相关领域收购案。公开资料显示，近期，小鸟看看还申请了多个Pico元宇宙商标。 开源证券分析师曾表示，当前全球学术和商业界尚未对元宇宙概念形成定论，普遍被接受的概念为“元宇宙构建了一个开放的、多人在线的、实时的虚拟与现场结合的社区”，它需要具备“沉浸感、开放性、经济系统、文明”等特征，区块链、VR/AR、5G/6G或成为其底层技术支撑。 中国社会科学院数量经济与技术经济研究所副研究员左鹏飞则认为，元宇宙热背后有着深刻的经济社会原因——移动互联网红利已经到顶并开始消退，元宇宙作为虚拟世界和现实世界融合的载体，蕴含着社交、内容、游戏、办公等场景变革的巨大机遇，传统数字科技企业和新兴初创企业都想抓住未来赛道机遇。 值得注意的是，元宇宙体系较为复杂，产业链复杂万象，涉及领域较广。头豹研究院发布研报表示，目前，元宇宙产业链主要涉及网络环境等底层技术，操作系统、硬件设备，软件、经济系统等。简单来说，元宇宙产业链可分为三种类型：硬件、软件、服务技术。其中，硬件是元宇宙搭建的基础，用户则通过硬件感知元宇宙世界。硬件设备的成熟让元宇宙的梦想更进一步，而元宇宙的成形将带动硬件设备的市场消费。 在产业链中，硬件厂商相对较为独立，极少有软件端企业兼顾硬件设备的研发与制造，因此，硬件端对软件端有一定程度的依赖，元宇宙的兴起将会带动硬件设备市场的火热。从软件端来看，优质的内容带动整个行业发展，例如硬件的销售，但内容也需要硬件设备的支持才能发挥其作用，不佳的硬件体验也无法促进内容端的盈利和发展，因此，两者相辅相成，形成一个循环。 元宇宙产业链之间的关系 图片来源：头豹研究院 眼下，VR/AR是市场化和普及度最高的硬件设备，也被视为通往元宇宙的可靠途径。广发证券认为，VR作为给用户塑造近似真实的交互、提供深度感官体验的设备，是实现真正元宇宙概念的重要途径。其还认为，元宇宙概念兴起将驱动VR产业链加速进入拐点期。 据悉，处理器、存储、光学显示器件在VR终端成本中占比较高。具体来看，负责计算、渲染和图像处理的CPU及GPU的成本占比约16%左右，存储成本占比27%，包括屏幕和光学器件在内的显示器件成本占比约为40%。 VR/AR作为元宇宙的入口，其光学技术、传感器、实时交互等技术的进展决定了进入元宇宙能否拥有完美的沉浸式体验。对于光学企业而言，元宇宙无疑开辟了一个全新的蓝海市场。 我国芯片厂商在VR/AR芯片方面起步较晚，而在光学光电领域，舜宇光学、歌尔股份、欧菲光等国内光学企业则已早早布局，为抢占市场做准备。 舜宇光学是全球知名的车载镜头出货商，同时，公司的VR类镜头与镜片及3D交互式镜头已实现供货销售。今年上半年，舜宇光学完成800万像素英伟达系列自动驾驶车载镜头的研发。此外，也完成了全息ARHUD方案配套的核心光学引擎研发，以及VR显示模块和AR彩色波导片的研发。 作为Meta唯一的VR眼镜代工企业，歌尔股份曾表示，公司近年来加速在VR光学器件及模组、AR光学器件、AR光机模组、精密结构件等新兴智能硬件产品的研发和生产，在VR虚拟现实产品出货量快速增长的情况下迎来发展良机。据公告披露，歌尔股份前三季度营业收入同比增长52%，归母净利润同比增长65.28%，盈利能力改善主要源于VR虚拟现实等产品销售收入增长。 欧菲光2021年半年报中提到，公司持续加强新型技术领域产品的开发，多方位布局VR/AR、工业、医疗、运动相机等新领域光学光电业务。公司将借助高速增长的行业市场规模、良好的客户储备、先进的研发能力等核心优势，将新领域的收入占比明显提高，使之成为公司未来重要的增长贡献领域。 过去20年，互联网改变人类生活，将人和人的交流数字化；未来20年乃至更久，元宇宙将把人与社会的关系数字化。如同20年前难以精准预测互联网发展，我们无法准确判断未来元宇宙的形态，但一系列技术的“连点成线”，将带来超越想象的潜力，极大地驱动产品创新和商业模式创新。 不过，要为市场热情泼一盆冷水的是，现阶段的VR/AR在产业链成熟度、生态构建等方面，显然还无法支撑元宇宙的愿景。如何让用户拥有更舒适的使用体验，在光学、眼动追踪、定位系统等方面的技术瓶颈仍待突破。换句话说，除了广阔的蓝海市场，元宇宙也给光学企业带来极大的技术挑战。 从现实角度来说，目前构建成熟元宇宙的条件尚不具备，未来3-5年元宇宙都将处在雏形探索期。根据科技产业发展遵循从硬件到软件，再到应用场景的传导规律，元宇宙还处在硬件技术逐步发展的阶段。不过可以预见的是，未来，光学产业将与网络环境、操作系统等底层技术更好地结合，助推实现科技与人文的结合，推动游戏、工业、教育及社交等多场景在元宇宙的渐进式发展。

来源： 中国科学报 作者 | 倪思洁 在青藏高原最大的古冰体遗迹——海子山上，位于海拔4410米的高处，有一个占地面积达1.36平方公里的巨大“圆盘”。 它的任务是接住从外太空洒向地面的带电粒子。 当这些粒子穿过稀薄的大气落到“圆盘”上时，科学家可以通过与“圆盘”相连的计算机，挖掘出粒子带来的信息，并由此触及宇宙的奥秘。 这个“圆盘”名叫“拉索”，全称是“高海拔宇宙线观测站”（LHAASO），由国家发展改革委立项支持建设。中国科学家用了7年将它建成。 这个全球独一无二的观测站，把人类与宇宙连在了一起。 “我们能不能达到国际领先？” 看似空空荡荡的星际空间里，有许多肉眼无法看见的粒子在以接近光速的速度飞行，其中不少粒子会“撞上”地球。 1912年，奥地利物理学家赫斯乘坐气球飞到5000米高空时，确证了这些来自宇宙的不速之客，从此，人类有了一条探索宇宙奥秘的新线索——宇宙线。 中国的宇宙线研究几乎与新中国同龄。新中国成立初期，王淦昌、张文裕、何泽慧、肖健等科学家回国，开启了中国宇宙线观测研究。 他们曾在昆明东川一座3200米的山峰上建设了中国第一个宇宙线实验室——落雪站。 改革开放后，中国科学院高能物理研究所研究员谭有恒到日本留学。 日本先进的综合性空气簇射阵列让他产生了在中国做类似实验的想法。 回国后，他积极申请经费，希望在中国建设世界级宇宙线观测基地。 “要使中国的生产和技术具有持续发展的活力，必须有自己的基础科研作背景。”在一份材料中，谭有恒如是写道。 1989年，谭有恒等人提出在西藏建立第一代伽马天文探测器——羊八井宇宙线国际观测站。 1992年，作为谭有恒的学生，曹臻成为羊八井宇宙线国际观测站的第一个值班人员。 “在那之后，我们已经基本上在国际上处于第一梯队，但仍不算领先，所以我们就在思考，如果说国家再给一次比较大的支持，我们能不能达到国际领先？”曹臻回忆。 这次思考的结果就是“拉索”的诞生。作为中国第三代宇宙线研究者，如今已是“拉索”首席科学家的曹臻记得，“拉索”方案形成过程中，他们在科学目标和工程技术实现能力之间反复平衡与取舍。 2015年12月31日，“拉索”方案经过中科院和国家层面的层层选拔后脱颖而出，获得国家发改委批准立项。 “边建设，边运行” 把“拉索”建在海子山上，是曹臻和选址团队在立项之前历时5年才决定的。 宇宙线容易受到大气层的影响，因此，宇宙线观测站需要建在空气稀薄的高海拔地域。 5年里，为了给“拉索”找个合适的地方，曹臻等人跑遍了西藏、青海、云南、四川等所有具备高海拔特征的区域，最后发现只有海子山能满足“天时地利人和”的所有条件。 选址团队成员、“拉索”建安分总体负责人吴超勇记得，“拉索”所在的场地里河道遍布，稍有不慎就会一脚踏进沼泽，大家只能在一块块石头上跳着往前走。 这里的气候条件对施工来说也是挑战。“太冷的时候，这里无法进行混凝土施工，施工建设的时间大概是从每年5月到10月底，一共不到6个月。”吴超勇说。 即便如此，在曹臻眼中，这里仍是块“宝地”：“海子山海拔高，可以减少大气对宇宙线粒子的影响；地势平坦，有充足的水资源，可以满足大量超纯净水的需求；各级地方政府也高度重视，大力支持。” 2017年，“拉索”主体工程动工。为克服环境对工程的影响，曹臻等人提出了“边建设，边运行”的思路。 按照设计，“拉索”工程包括1平方公里电磁粒子探测器阵列和有效面积达42000平方米的缪子探测器阵列、以测量簇射粒子在水中产生的切伦科夫光为探测技术的78000平方米探测器阵列、18台广角切伦科夫望远镜阵列。“第一年，我们先建1/4，运行半年，然后再建1/4，凑成1/2，再运行半年……”曹臻说。 “真正的突破” 2020年1月，就在他们刚刚建成一半阵列的时候，“超出人们想象”的高能粒子和“幸运”一起降临在这个尚未完全成型的“圆盘”上。 科研人员通过“拉索”发现，银河系内普遍存在能够将粒子能量加速超过1拍电子伏特的超高能宇宙线加速器，这一发现超出了天体物理学家的预期。5月17日，成果发表于《自然》，被期刊专业副主编评价为“真正的突破”和“新时代的开始”。 在一个多月后，7月9日，《科学》上又出现了来自“拉索”的研究成果：科研人员利用“拉索”，精确测量了高能天文学标准烛光——蟹状星云的亮度，在更广的能量范围内为超高能伽马光源测定了新标准，并由此确定在大约仅为太阳系1/10大小的星云核心区内，存在能力超强的粒子加速器，直逼经典电动力学和理想磁流体力学理论所允许的加速极限。 “这是我们的幸运！这些观测成果已经展现出‘拉索’强大的科学发现威力。”由于兴奋，曹臻的脸微微有些泛红。 “照着这个路子走下去” 让曹臻如此兴奋的，不只是“拉索”出了两个成果，更在于这两项成果证明“‘拉索’的方向是对的”。“未来十年，我们的研究内容、研究方向都由此明确了。照着这个路子走下去，一定会产出更加重大的科技成果。”曹臻说。 今年10月17日，“拉索”通过工艺验收，进入科学运行阶段。“国际科学家已经把目光投向了‘拉索’，不少国际科研团队提出希望加入我们的科研合作组。”曹臻说。 最近，美国国家科学院、工程院和医学院发布了其最新的10年调查结果，概述了未来10年天文学界的科学目标，其中多次提及“拉索”作为该领域领先的项目，将决定本领域的未来发展方向。 由于该报告提到的3个这种级别项目中，只有“拉索”已进入工作状态，因此，“拉索”也被天体物理学家Felix Aharonian称为“正在运行的‘未来探测器’”。 “拉索”已经建成运行，但曹臻和他的团队并没有因此止步。面向未来，“拉索”团队还有提升空间分辨能力的新设想。“我们计划在‘拉索’上再建一个由32台望远镜组成的阵列，这个阵列建好之后，‘拉索’相当于又增加了一双‘火眼金睛’，将具有超高能宇宙线发射位置的识别能力，进一步逼近最终的答案。”曹臻说。 每每谈到宇宙线探测的科学目标，曹臻总有说不完的话。如今，在依托“拉索”开展宇宙线研究的同时，他还带着中国第四代和第五代宇宙线研究者走向国际，参与南部广域伽马射线天文台（SWGO）的酝酿工作。 “我们还有很多想法，未来可能通过国际合作去实现。”曹臻说。而这一国际合作被认为“有望帮助世界各地的科学家继续探索宇宙射线的起源，进一步了解银河系本身”。 《中国科学报》 （2021-11-11 第1版 要闻 原标题为《“拉索”七年：向着宇宙线研究的最前沿》）

猎鹰火箭升空画面 猎鹰火箭升空画面 新浪科技讯 北京时间11月11日10时3分，在美国佛罗里达州肯尼迪航天中心39A发射台，太空探索技术公司（SpaceX）顺利用一枚猎鹰9号火箭将Crew-3任务的“耐力号”龙飞船与四名宇航员送入太空，后者将于22小时后对接国际空间站和谐号节点舱，完成新一轮的换班。 发射前矗立在39A发射台上的耐力号龙飞船与猎鹰9号火箭。 Crew-3任务也是SpaceX公司真正意义上的第五次载人发射任务。虽然SpaceX的载人龙飞船是可以重复使用的，不过这次使用的是一艘全新的龙飞船，它被命名为“耐力号”（Endurance）。此前SpaceX进行过包括“灵感4”任务在内的四次载人发射，“耐力号”是SpaceX公司的第四艘载人飞船，专供国际空间站的第三艘飞船。此前使用过的载人龙飞船包括“奋进号”，“坚韧号”，以及灵感4任务使用的载人龙飞船C207。 Crew-3使用的猎鹰9号火箭包括一级火箭箭体与整流罩都是之前被使用过的，火箭编号为Block5 B1067.2，是这枚一级火箭的第2次飞行，此前曾发射过CRS-22货运龙飞船。 这次发射也如往常一样，猎鹰9号火箭在发射后约10分钟顺利降落在“请看说明书”的海上回收船上，又一次完成一级火箭的回收。一二级火箭分离时间为2分52秒。 发射前，四名宇航员与家属等告别。 发射前两小时，肯尼迪航天中心的雨量并不小，好在发射前天气逐渐转好。 飞行乘组与任务概要 这次搭乘龙飞船的宇航员包括美国宇航局宇航员，任务指挥官拉贾·查里（Raja Chari）；飞行员汤姆·马什本（Tom Marshburn）；和任务专家凯拉·巴伦（Kayla Barron）；以及欧空局马蒂亚斯·莫雷尔（Matthias Maurer），他将担任任务专家。四人将前往空间站进行为期六个月的太空任务。除了任务指挥官拉贾·查里外，其他三人均为太空首秀。 在未来的六个月里，四名宇航员将进行多次出舱太空行走，以维护空间站，并帮助在轨道上进行科学研究，包括光纤、无土种植植物以及宇航员在太空中眼睛如何变化等实验。 Crew-2龙飞船的降落伞故障不影响发射 此前Crew-3任务经历了包括因为天气，以及一名宇航员健康问题的两次推迟。而在周二返回的另一艘奋进号龙飞船曾出现一枚降落伞延缓开伞的情况，晚开了约75秒，好在随后四枚降落伞全部开伞，NASA在详细检查后评估认为该故障不影响Crew-3任务，只开三伞也可以保证返航时安全溅落，所以发射如期进行。 但是俄罗斯航天集团在周三表示，俄方对Crew-2任务龙飞船降落伞故障表示担忧，并已向NASA提出申请，以了解Crew-2降落伞故障的原因。早些时候，美俄双方已同意载人飞船的交叉飞行的计划，俄罗斯宇航员最快将在2022年搭乘SpaceX龙飞船前往国际空间站。 欧空局宇航员马蒂亚斯·莫雷尔的定妆照。 通晓中文的莫雷尔 马蒂亚斯·莫雷尔是一位在欧洲航天局工作十多年的德国材料科学家，他已经学习中文很多年，有个中文名字叫“马天”，曾参加了我国在山东烟台组织的海上救生训练。我国航天员叶光富和他分在同一组。在神舟十三号发射以及上周日进行的我国航天员出舱太空行走时，莫雷尔曾在社交媒体对叶光富与王亚平表达了祝贺，并表示会很快在太空与大家相聚。 　　左起是美国宇航局宇航员凯拉·巴伦、拉贾·查里和汤姆·马什本，以及欧洲航天局宇航员马蒂亚斯·莫雷尔，近日他们在佛罗里达州肯尼迪航天中心的猎鹰9号火箭前。