全球首次！同济团队合成两种全新环碳材料；新理论试图统一引力和量子力学丨科技周览

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整理 | 周舒义



哈勃望远镜五天内三度故障，已超长服役33年哈勃望远镜的陀螺仪组件，其中的转子以每分钟19200转的恒定速率旋转。| 图片来源：NASA

12月9日凌晨，在NASA工作人员的努力下，哈勃望远镜修复了此前的陀螺仪故障，恢复了正常观测活动。近日来，哈勃望远镜的陀螺仪故障频发，屡次被迫暂停科学运行。首次故障出现在11月19日，一台陀螺仪发生读数错误，系统进入安全模式。尽管望远镜在一天后被修好，但11月21日陀螺仪再次故障，修好后在23日第3次陷入故障，一直持续到本次修复。NASA表示，哈勃望远镜目前状况良好，现存的3台陀螺仪均正常运转。

陀螺仪内部的柔性导线。为保证转子自由浮动，导线设计得十分纤细。| 图片来源：NASA

据介绍，哈勃望远镜配备了6台陀螺仪，它们通过一根比发丝还细的金属导线传输电力和数据。导线穿过内部用于隔离卫星振动的液体封装层，随着时间推移，逐渐被封装层中的液体腐蚀，最终断裂。2009年对哈勃的最后一次航天飞机维修任务中，工作人员重新更换了所有6台陀螺仪。在过去几年里，这些陀螺仪中有3台因金属导线断裂而陆续寿终正寝，目前还剩3台运转正常。通常情况下，哈勃望远镜同时使用3台陀螺仪感知自身姿态和空间指向，以便精确瞄准观测目标。必要时可配合其他传感器实现双陀螺仪或单陀螺仪模式工作。在单陀螺仪模式下，系统工作效率会降低20%-25%。自1990年发射升空以来，哈勃望远镜已默默注视宇宙超过33年。

NASA新闻稿：

https://science.nasa.gov/missions/hubble/nasas-hubble-space-telescope-pauses-science-due-to-gyro-issue/

哈勃望远镜陀螺仪介绍：

https://science.nasa.gov/mission/hubble/observatory/design/hubble-one-gyro-mode/

谷歌推出大模型Gemini，演示被指取巧

当地时间12月6日，谷歌DeepMind团队召开发布会，推出据称“规模最大、功能最强”的大语言模型Gemini。Gemini目前仅支持英文，包含三个版本：Ultra、Pro和Nano。其中Gemini Pro和Gemini Nano分别集成至聊天机器人Bard和智能手机Pixel 8 Pro，后续将为搜索、广告、Chrome和Duet AI等一系列谷歌产品提供支持。Gemini Ultra将在明年提供服务。

据介绍，Gemini从设计之初就面向多模态构建，可以无缝归纳、理解、操作和组合不同类型的信息，包括文本、图像、视频、音频和代码。在32项基准测试中，Gemini Ultra刷新了30项纪录，是首个在大规模多任务语言理解（MMLU）测试中表现优于人类专家的模型，得分率达90.0%，作为对比，人类专家为89.8%，GPT-4为86.4%。需要注意的是，MMLU测试中Gemini采用CoT@32方法（思维链技术，32次回答取最优结果），而GPT-4采用5-shot方法（给出5个学习样本）。与5-shot相比，CoT@32可显著提升推理能力。在官方演示中，Gemini可以实时理解并响应视频内容。媒体指出，这段演示经过后期剪辑，Gemini的反应其实并非基于视频和语音。

例如，在演示视频的2分45秒处，一只手静静地做出一系列手势。Gemini很快回应道：“我知道你在做什么！你在玩石头、剪刀、布！”但根据官方文档，这实际上是向Gemini输入三张手势截图和文本：“你认为我在做什么？提示：这是一种游戏。”才会出现的回答。| 图片来源：Google

谷歌后续向彭博社等媒体证实，演示效果是通过输入截取的静态帧和文本提示实现的。有评论认为，虽然谷歌在营销方面的取巧做法招致业界批评，但Gemini确实展现出了一定程度的先进多模态性能。

Gemini简介：

https://blog.google/technology/ai/google-gemini-ai/?utm_source=gdm&utm_medium=referral#sundar-note

谷歌对演示视频的解释：

https://developers.googleblog.com/2023/12/how-its-made-gemini-multimodal-prompting.html

新理论试图统一引力和量子力学

12月4日，来自英国伦敦大学学院（UCL）的研究人员分别在Physical Review X和Nature Communications上发表论文，论文提出了一个新理论，试图在保留爱因斯坦经典时空观念的前提下，统一引力和量子力学。

量子力学和狭义相对论是现代物理学的两大支柱。爱因斯坦基于广义协变原理将狭义相对论扩展为广义相对论，用以描述引力相互作用。狄拉克将量子力学与狭义相对论成功结合，建立起基于整体平坦闵氏时空的量子场论。量子场论对电磁相互作用的描述与广义相对论基于黎曼几何弯曲时空动力学对引力的描述存在形式上的相互对立，导致量子力学与广义相对论的结合一直存在障碍。此前理论普遍集中于打破爱因斯坦纯粹的时空和几何观念，使广义相对论与量子力学在量子场论框架下相容。此次的新理论并未修改相对论的经典时空观念，而是修改量子理论。研究人员在时空连续条件下，预测了经典系统与量子系统耦合会导致经典相空间中可预测性的崩溃，时空曲率具有内禀的随机性，如果测量足够精确，物体的表观重量将不可预测。此外，理论还就黑洞信息悖论等问题给出了讨论。

论文链接：

1、https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.13.041040

2、https://www.nature.com/articles/s41467-023-43348-2

全球首座超高层无人化垂直作物工厂投入使用

近日，全球首座超高层无人化垂直作物工厂在四川成都投入使用。该工厂是一种在多层建筑内种植作物的高效农业系统，由中国农业科学院都市农业研究所研发，高接近10米，栽培层数达20层，采用垂直立体栽培系统、营养液自动供给系统，实现在垂直空间内的作物稳定生产。

据介绍，作物工厂能够打破土地、空间和气候条件的约束，实现作物快速繁育，产能可达田地的1000倍以上。目前栽培品种主要为叶类菜，以生菜为主。这类品种在工厂内的生长周期为35天，与自然环境相比，生长速度提升了50%，年产量预计可达50吨。工厂内作物的生育期由原来的120天缩短到50-60天，育种效率大幅提升。通过调控光照、温度、营养等要素，在作物的苗期、生长期、开花期等不同阶段，都能够为其提供最佳的生长环境和养分供应。研究人员表示，作物工厂为大幅提高食物产能、增强城市食物供给弹性提供了新的有效途径。不过，生产蔬菜成本较田地种植要高出许多，推广应用仍需假以时日。

巴瑞替尼或可抑制1型糖尿病进展

1型糖尿病是一种自身免疫性内分泌疾病，患者的免疫系统会错误杀伤胰岛β细胞，导致不可逆的胰岛β细胞功能衰退。12月7日，NEJM发表的一项研究显示，在新发1型糖尿病患者中，每日使用Janus激酶（JAK）抑制剂巴瑞替尼（baricitinib）持续治疗48周，似乎可以保护胰岛β细胞功能。1型糖尿病再添一种重要的潜在治疗药物。

巴瑞替尼是一种免疫调节药物，主要用于治疗类风湿性关节炎、斑秃等疾病。这次临床试验开展于2020年11月至2022年2月，试验纳入91名10岁~30岁、100天内新确诊的1型糖尿病患者，按60：31随机分配至巴瑞替尼组（4 mg口服，每日一次）和安慰剂组。整个研究期间，他们继续接受规定的胰岛素治疗。结果显示，干预48周后，巴瑞替尼组混合餐刺激的C肽平均水平（更高的C肽平均水平提示更好的β细胞功能）中位数0.65 nmol/(L·min)，显著高于安慰剂组0.43 nmol/(L·min)，较基线0.6 nmol/(L·min)没有明显改善，提示较难实现β细胞功能逆转。在安全性方面巴瑞替尼与安慰剂相似。该研究初步表明巴瑞替尼治疗可以保护β细胞功能，有望提供第一种以片剂形式缓解1型糖尿病的疗法。

论文链接：

http://dx.doi.org/10.1056/NEJMoa2306691

全球首次！同济团队合成两种全新环碳材料

来自同济大学的研究团队近日在Nature发表论文，他们首次成功合成了分别由10个、14个碳原子组成的环碳（cyclocarbon）材料C₁₀和C₁₄。环碳是由多个碳原子共价连接成环的单质分子，和金刚石、石墨烯、碳纳米管一样，是碳的同素异形体。对于环碳中碳原子的成键方式——是键长均等的累积烯烃型（连续双键）还是不等的聚炔型（单键、三键交替），此前一直存在争议。2019年，IBM实验室与牛津大学的研究团队制备、分离出提纯的环碳C₁₈，验证了C₁₈为聚炔型结构。有理论预测，C₁₀是环型（n≥10）和线型（n<10）的分界点，同时也是最大的芳香性累积烯烃型环碳。C₁₄则被预测是从累积烯烃型C₁₀到聚炔型C₁₈的Peierls相变过渡态。

图片来源：许维课题组

研究人员设计了全卤化萘（C₁₀Cl₈）和蒽（C₁₄Cl₁₀）两种前驱体分子，用液氦降温至4.7K，通过STM探针进行原子操纵，诱导前驱体分子完全脱卤并发生反伯格曼开环（retro-Bergman ring-opening）反应，最终在氯化钠薄膜表面上合成了两种芳香性环碳C₁₀和C₁₄。原子力显微镜显示，不同于C₁₈的聚炔型结构，C₁₀和C₁₄均为累积烯烃型结构。理论计算发现，C₁₀完全没有键长交替，而C₁₄处于从累积烯烃型到聚炔型的过渡态，存在非常细微的键长交替（0.05 Å）。研究人员表示，新研究提出的表面合成策略有望成为一种合成系列环碳的普适方法，合成的环碳有望成为新型半导体材料，在分子电子器件中有广阔的应用前景。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06741-x

科学家首次让单个分子进入纠缠态用于冷却、控制和纠缠单个分子的激光装置。| Photo by Richard Soden, Department of Physics, Princeton University

12月7日，两个研究小组在Science上背靠背发表论文，他们利用光镊中氟化钙（CaF）分子之间的偶极相互作用，首次让单个分子进入了纠缠态。研究人员使用一维光镊阵列，捕获单个超冷CaF分子，装载了一维CaF单分子阵列。通过分子间偶极自旋交换作用，成功构建处于贝尔态的分子对，实现了单个分子间的可控纠缠。超冷原子已被广泛应用于量子计算、量子模拟等领域的研究。与其相比，超冷极性分子的寿命和相干时间更长，在电场诱导下具有可调谐的长程相互作用，能级结构也更复杂，预计会表现出其他平台无法提供的复杂量子现象。囚禁单个冷分子、实现量子纠缠此前一直是个难题。研究人员表示，新研究为量子计算、量子传感等领域提供了一个前景广阔的新平台。

论文链接：

1、https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf4272

2、https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf8999

企鹅的“特种兵”式睡眠：一天打盹一万次，一次四秒钟

微睡眠（microsleep）是指一小段维持数秒到半分钟不等的睡眠时间，期间个体大脑出现睡眠相关活动，处于无意识状态，行为学表征为眼帘下垂、睑闭迟缓、缓缓点头（散见于高数课堂）。近日发表在Science上的一项研究发现，帽带企鹅（Pygoscelis antarcticus）在一天中可微睡眠一万多次，平均每次打盹仅持续约4秒。

帽带企鹅头部下方有一条细长黑色羽带，看上去好像戴着盔帽，故此得名。| 图片来源：Paul-Antoine Libourel

研究人员追踪了南极洲乔治王岛上一个帽带企鹅种群中14只企鹅繁殖期的睡眠情况。他们记录了企鹅的脑电图和肌电图，并用多种传感器追踪其活动情况。结果显示，这些企鹅在站立和躺着孵蛋时打盹，每天微睡眠超过10000次，慢波睡眠（SWS）的平均持续时间只有3.91±0.83秒，平均每个大脑半球每天慢波睡眠11.5到12小时。一般认为，棕色贼鸥（Stercorarius antarcticus）会在企鹅群边缘觊觎鸟蛋和幼年个体，可能会干扰群体外围企鹅的睡眠质量。但研究结果显示，在外围筑巢的企鹅比中心的企鹅睡得更好（时间更长、程度更深）。一种解释是，比起外围掠食者，来自群体内部的噪音、同类入侵行为（如偷盗筑巢材料）可能是干扰企鹅睡眠的主要因素。另一种解释是，外围企鹅确实需要格外警惕，导致需要更多睡眠来恢复精神。研究人员表示，虽然未进行直接测量，但帽带企鹅的经验表明，微睡眠至少可以实现睡眠的部分恢复功能，其益处可以累积。动物或许可以根据环境对警觉性的要求，灵活调整睡眠时间长短。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh0771

本文受科普中国·星空计划项目扶持

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

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