阿朴的每周奇怪的知识速览 第二期

目  录

猫主子难伺候？来点音乐试试

假如能像控制电子一样控制光子，未来芯片将变成怎样？

少吃点儿真能促进长寿么？

地球形成的速度快得“超乎想象”？

癌细胞染色体异常未必是坏事

古怪的量子概率

慷慨or自私？神经元舞蹈中找答案

撰文 | 董唯元、顾舒晨、刘航、洪俊贤、姜小满、陈航、韩若冰

吐槽 | 战斗仓鼠laq  

猫猫难伺候？你需要music！    

说起猫猫，那就是两个字：害怕！

带着不安分的猫猫去看兽医可以说是又紧♂张又刺♂激。

下面是由美国路易斯安那州立大学研究团队为大家带来的好消息：

好消息，好消息！猫猫太皮了怎么办？猫猫不想洗澡哥淡淡怎么办？

为什么不给猫猫放音乐呢？

music！！！

音乐有助于身心宁静的观念已经深入人心。此前也有研究发现，全麻状态的猫对音乐依然会有生理响应，听到古典音乐时也似乎更加放松安静[2, 3]。在最新的这项研究中，科研团队考虑到猫与人类听觉的差异，根据猫发出的有亲和性的声音，如呼噜声、吮吸声，以及猫发声音域的近似频率，挑选了特定的“撸猫音乐”。

在实验中，20只猫猫每隔两周接受一次体检，每次随机播放“撸猫音乐”、古典音乐或无音乐，之后分别检测猫的压力指数、反应得分和生理应激等指标。研究发现，“撸猫音乐”可以有效地减小宠物猫的压力，使其镇静；相比之下，古典音乐和安静环境则无此效果。

这一发现[4]表明，“特定”的音乐不仅有助于提高猫咪的幸福感，也可以帮助兽医们安抚就诊猫咪，从而做出更准确的诊断。

爱猫的朋友们，你们心动了吗？

那事不宜迟，让我们在b站上搜索适合的猫猫+音乐吧！

[1] Hampton A, Ford A, Cox RE III, et al. Effects of music on behavior and physiological stress response of domestic cats in a veterinary clinic. J Feline Med Surg 2020; 22: 122-128. https://journals.sagepub.com/doi/full/10.1177/1098612X19828131

[2] Mira F, Costa A, Mendes E, et al. A pilot study exploring the effects of musical genres on the depth of general anaesthesia assessed by haemodynamic responses. J Feline Med Surg 2016; 18: 673-678.

[3] Mira F, Costa A, Mendes E, et al. Influence of music and its genres on respiratory rate and pupil diameter variations in cats under general anaesthesia: contribution to promoting patient safety. J Feline Med Surg 2016; 18: 150-159.

[4] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-02/s-tm022420.php

假如能像控制电子一样控制光子，

未来芯片将变成怎样？

计算科学的下一个纪元将依赖于科学家控制光子的能力。

我们现在能广泛地使用电子计算机，是因为人们已经掌握了精确控制电子的技术。为了发展量子计算机这样的未来科技，科学家们也努力尝试找到方法来控制光的基本粒子——光子。电子间的相互作用力简单明了，光子却不像电子那样容易操控。

令人兴奋的是，日前斯坦福大学领导的一个团队首次尝试利用赝磁力的方法来精确控制光子，并将研究成果发表在近期的《科学》杂志[1, 2]上。在短期内，这种控制机制可以通过光缆传输更多的互联网数据。在更远的未来，这一发现将很有可能被用于制造基于光的芯片，其计算能力将远大于电子芯片。

那么研究人员是如何实现了对光子的操控呢？

实际上，他们欺骗了本质上非磁性的光子，使其表现出了类似带电电子的行为，通过将光子送进精心设计的仪器迷宫，从而使光子被所谓的“合成”或“人工”磁场所影响。仪器能以可预测的方式产生磁力，推动光子运动。通过引入合成频率维度上相互作用的哈密顿量，进而实现量子模拟和量子信息处理。

芯片存储信息主要牵涉到控制粒子的可变状态。

对于电子芯片，我们通过打开和关闭芯片中的电子，以创建数字“0”和“1”来实现存储。

对于基于光的芯片，我们可以使用磁力来控制光子的频率（或能级）和自旋等，以产生比简单的开关电子更多的可变状态。与电子芯片相比，这些可能的可变状态将使科学家能够在基于光子的设备上处理、存储和传输更多的数据。

[1]  https://engineering.stanford.edu/magazine/article/what-if-we-could-teach-photons-behave-electrons

[2]  Dutt A, Lin Q, Yuan L, et al. A single photonic cavity with two independent physical synthetic dimensions[J]. Science, 2020, 367(6473): 59-64.

少吃点儿真能促进长寿么？

不要吃太胖噢，会被杀掉的！

不吃太胖就真的可以延年益寿活下去吗？

实际上，节食和寿命，这是一个争议多年的科学问题。

以往的研究认为，在不造成营养不良的情况下限制饮食可以促进长寿基因的表达、延缓衰老及相关疾病的发生。目前的进化理论认为，人或动物在食物供应不足时会改变生存策略，促进机体修复，调整机体状态，等待将来食物供应丰富时更好地吸收利用。

总之一句话，节食活得好！

然而，近日一项新的研究成果[1, 2]对该理论发起了挑战。

来自英国谢菲尔德大学和布朗大学的科学家通过果蝇实验发现，先节食、后吃的饱饱的果蝇与一直吃的饱饱的果蝇相比，更加容易死亡，且产卵数量也更少。

节食后的果蝇机体并没有调整至更加健康的状态，而是在限制饮食的状态下趋于死亡。

嗯，饿就会饿死，这似乎也没有毛病（思考）

由此，科学家结合以前节食帮助小鼠增长寿命的实验推测，与其说限制饮食促进了机体修复，促进了长寿，倒不如说它只是避免了过量饮食对机体造成的伤害。该研究还表明，在某些情况下反复或突然地改变饮食也不利于健康。

嗯，虽然节食不一定帮助寿命。

但是，

吃太胖是会被杀掉的啊！这没毛病！

[1] Andrew W. McCracken, Gracie Adams, Laura Hartshorne, Marc Tatar and Mirre J. P. Simons. The hidden costs of dietary restriction: Implications for its evolutionary and mechanistic origins. Science Advances.21 Feb 2020:Vol. 6, no. 8, eaay3047

[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-02/uos-nrc022020.php

地球形成的速度快得“超乎想象”？

人类探寻地球起源和演化之谜的脚步从未停歇过。

18世纪的天才科学家康德和拉普拉斯提出了地球形成的热星云说，这一学说统治着地学界二百年而不衰。

20世纪六七十年代，前苏联科学家Safronov破除前见，提出了地球起源的星子假说，经过后世科学家的不断完善，现已形成一套被学术界普遍接受的星子随机碰撞吸积理论，即冷星云说[1]。

冷星云说认为，地球主要由一套具有独立化学成分组成的硅酸盐质星子群随机碰撞吸积而成。然而，最近发表在《科学-进展》（Science Advances）杂志的文章[2]对这一学说提出质疑。

文章的作者，是哥本哈根大学地球研究所恒星和行星形成中心的Martin Schiller博士实验组。他们凭借迄今为止科学界最精准的铁同位素测量手段，对不同陨石中金属元素的同位素混合物进行了测量。

然后发现：在众多陨石中，只有一种组成与地球的组成成分相似——那就是CI球粒陨石。

Schiller认为，如果地球的主要形成阶段真是一个随机碰撞吸积的过程，好比你将物体打碎并混合在一起，那么你会得到所有东西的混合物，而不是仅仅只有一种被称为CI球粒陨石的物质与地球成份相似。

基于此，Schiller对地球形成的时间进行进一步的大胆预测。他认为，地球的形成过程要比由空间中物体间的随机碰撞吸积的形成过程快得多。传统观点所认为的地球形成时间，即随机碰撞吸积过程往往持续数千万年， 而Schiller则认为，在大约500万年的盘状生命周期中，地球就已经通过吸积这些富含挥发性的类CI物质快速形成。

Schiller表示[3]，如果将太阳系存在的约46亿年的时间类比为一天的24小时，那么传统理论认为地球形成的时间大约相当于5-15分钟，而新的结果表明这一过程需要的时间只相当于90秒。

[1] 欧阳自远，《天体化学:地球起源与演化的几个关键问题》。

[2] Schiller, Martin, Martin Bizzarro, and Julien Siebert. "Iron isotope evidence for very rapid accretion and differentiation of the proto-Earth." Science Advances 6.7 (2020): eaay7604.

[3]https://healthsciences.ku.dk/newsfaculty-news/2020/02/the-earth-formed-much-faster-than-previously-thought/

癌细胞染色体异常未必是坏事

癌细胞就像被“混沌”侵蚀了一样。

大量的DNA突变，并且大多存在染色体数目异常。

一些晚期肿瘤甚至会出现含有100多条染色体的细胞，而正常体细胞中仅有46条染色体。

而缺失的或额外的单条染色体会造成一种称为非整倍性（aneuploidy）的异常。

以往的研究表明，多多的染色体异常与癌症的侵袭性和患者预后不良有关。然而，美国冷泉港实验室的研究人员发表在《发育细胞》杂志上的新研究[1]称，并不是所有的非整倍性都能促进癌症进展，某些非整倍性反而抑制了癌症的转移能力。

缺少或者增加染色体，让我变得更强了？！！！

研究人员对一组人类细胞做出了改造，使每个细胞都含有一条不同染色体的额外拷贝，并保证细胞在其他各方面相同。

由于高度侵袭性的癌细胞往往是非整倍体，因此研究人员预计，所有或大多数非整倍体都会有助于癌症的转移行为。

然而实验室的测试结果令人惊讶，非整倍性和癌症的转移性表现出了更复杂的关系，不同的染色体会产生各种不同的影响——某些额外的染色体对癌症转移没有影响，而另一些实际上抑制了转移。

研究小组对患者临床数据的分析也显示出类似的情况。

[1] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-02/cshl-eci022120.php

慷慨or自私？神经元舞蹈中找答案

不如跳舞！什么都不如跳舞，神经元也在跳舞！

路过乞讨者时，为什么有人慷慨解囊，有人冷漠走过？

慷慨和自私的生物学起源长期令神经科学家着迷。作为群居动物，灵长类依赖于合作；然而在资源匮乏或追求地位时，自私往往会胜出。

美国耶鲁大学的研究者2月24日发表于《自然神经科学》杂志的一项新研究[1, 2]发现，这种现象的答案可能藏在大脑两个特定区域之间复杂而有节奏的神经元舞蹈（neuronal dance）中。

影像学研究显示，大脑中许多区域都与做出分享决定相关。耶鲁大学心理学和神经科学助理教授、论文的第一作者 Steve Chang和他的同事设定了不同场景，让猴子决定是否与其同伴分享果汁，并主要观察猴子大脑中杏仁核（大脑的一个相对原始的区域）与内侧额叶皮层（该区域负责产生更深思熟虑的想法）之间的神经元活动。

在一个场景中，猴子要决定把果汁分享给同伴或是扔掉。在另一个场景中，猴子可以选择独自喝果汁或和同伴一起分享。结果猴子们更偏向于独自喝果汁。

但是，如果第二个场景是看着果汁被扔垃圾桶，猴子们就更愿意把果汁分享给同伴。

两种情况下，研究人员都发现了大脑两个区域之间的神经元活动相互作用的不同模式。当猴子表现得慷慨或亲社会时，两个脑区之间的相互作用高度同步；当它们表现得反社会时，这种同步率明显降低了。研究者们发现，可以通过这种同步率的差别来预测猴子们的决定，只需要查看神经元数据即可。

该研究还发现了大脑在决策过程中的其他分化特征。比如，当动物做出亲社会或反社会决定时，神经元相互作用的传输频率不同，频率大小由神经元触发的大脑区域决定。

“我们发现了一种神经同步率的独特特征，它能反映大脑做出了亲社会还是反社会的决定，”Chang说。“我们都知道慷慨程度存在个体差异，也许吝啬鬼就是没有很高的同步率。”

[1] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-02/yu-wmc021920.php

[2] Dal Monte, O., Chu, C.C.J., Fagan, N.A. et al. Specialized medial prefrontal–amygdala coordination in other-regarding decision preference. Nat Neurosci (2020). https://doi.org/10.1038/s41593-020-0593-y

古怪的量子概率

古人有言：遇事不决，量子力学。

量子世界由概率统治，这一点已为人所熟知。然而与我们日常体验的一般随机概率规律相比，量子世界的全同性和非定域关联关系使得其概率分布规律更为奇特。比如在统计中最常使用的正态分布，在量子世界中就经常遭遇各种陷阱。

举个简单的例子来体会一下全同性带来的影响：随机向两个碗中扔三个乒乓球，常识告诉我们，出现一个空碗的概率只有25%；然而若将乒乓球换成光子或者其他波色子，出现空碗的概率就会变成50%！

至于叠加态和量子纠缠造成的非定域关联对概率分布造成的影响就更为奇特。这那里，就连我们最经常使用的乘法原则，P(A, B)=P(A)P(B)，都无法愉快地使用了。

这也正是著名的贝尔不等式，以及与其等效的CHSH不等式在量子世界中不再成立的根本原因。

在量子计算和量子通讯蓬勃发展的当下，这些特殊的概率属性正变得越来越重要。如果多个量子间存在纠缠关联，那么系统的随机统计将体现“非高斯性”（Non-Gaussianity）；如果发生退相干或纠缠关系被破坏，则非高斯性就会减弱甚至彻底丢失。可见，非高斯性是量子计算和量子通讯系统的重要健康指标之一。

可是，定性容易定量难。如果同一系统，一会儿遵循高斯钟形曲线，一会儿又不遵循，该如何简便快速地甄别呢？尤其麻烦的是，有些貌似“非高斯”的曲线，其实是由多条高斯钟形曲线错落叠加而成，如果不谨慎充分地进行分析，很难将这些伪健康与真正的健康快速区隔。

这一困扰着诸多研究机构和国际知名企业的技术问题，最近竟然被一个名不见经传的国内研究团队成功破解。2020年1月底，《欧洲物理期刊D》发表了一篇论文[1]，题目为“A method for efficiently estimating non-Gaussianity of continuous-variable quantum states”（高效评估连续值量子态非高斯性的方法），作者是来自中国湖南怀化学院的一个研究小组。

别看这个朴素的研究小组至今仍使用着163.com后缀的邮箱，论文中也没有志得意满地为自己的方法命名，但是他们所提出的方法却确实展现了非常优秀的特点。不仅兼容性非常广，几乎对所有非高斯性的子类都有效，而且计算复杂度和便捷度方面也明显优于目前的所有其他方法。

[1] Xiang S H, Zhao Y J, Xiang C, et al. A method for efficiently estimating non-Gaussianity of continuous-variable quantum states[J]. The European Physical Journal D, 2020, 74(1): 16.