目 录
1. 利用量子纠缠，向真空借能量
2. 《科学》发布发展中国家动物抗生素耐药性图
3. 最新研究称，空气污染导致脱发
4. 暗物质与晶格中的神秘电导
5. 纳米粒子对环境的影响超乎想象
6. X射线技术破解芯片内部结构
编辑 | 杨文瑾、董唯元、韩若冰、陈航
利用量子纠缠，向真空借能量
如果一个封闭空间中所有粒子都被移走，我们是否还能从这个空旷的空间中提取能量呢？对于这个问题，量子理论很早以前就给出了反直觉的答案：可以！我们可以像信用透支一样，向真空这个“能量银行”暂借能量，只要及时归还即可。
从狄拉克预言反物质，到卡西米尔效应证实真空能量，还有霍金推论黑洞热辐射，甚至科幻作家衷爱的反重力飞行……其背后基础原理都是负能量状态的存在。
近些年来，借助于“纠缠熵”和“全息理论”的成果，“量子空能条件”（QNEC, Quantum Null Energy Condition）已逐渐发展为量子场论的热门领域之一。
，就是该领域颇为重要的一个量化关系，其中<
>是能量-动量张量的数学期望，S是纠缠熵。关于向真空借贷能量的具体量化条件——信用额度限制、借贷期限、利息支付等等——都由这个量化关系所制约。
然而，以往量子空能条件的结论都是建立在狭义相对论的时空背景下，即时空几何满足洛伦兹变换下的不变性。这使很多非此类几何背景的量子场论，无法从量子空能条件成果中受益。事实上现有的各种弦理论中，存在相当多非协变（不具备洛伦兹变换不变性）的理论分支。
来自奥地利维也纳科技大学理论物理学院的Daniel Grumiller教授和两位合作者Pulastya Parekh，Max Riegler发表了他们的最新探索。成功的规避了协变性这个限制条件，从而将量子空能条件扩展到更为一般的量子能量条件。
Grumiller教授的论文刻意放弃洛伦兹不变性条件，仅从全息理论出发，通过巧妙而清晰的构建，便推论出与
结构完全相同的量化关系。从而揭示出负能量与量子纠缠之间更为深刻的内在联系。
虽然Grumiller教授提出的仅为2维场中的构建，但却为更一般的讨论此类问题的情形打开了一扇新的大门。相信随着理论物理学家们的不断探索，不久的将来，我们就可以在真实世界中向真空借来能量使用，或者制造出足够的负能量实现反重力飞行。
当然无论量子空能条件、量子能量条件或是其他物理理论，都仍然遵循能量守恒定律。即使有了真空这个能量银行，制造永动机的奢望还是无法达成。
[1] Local Quantum Energy Conditions in Non-Lorentz-Invariant Quantum Field Theories. Daniel Grumiller, Pulastya Parekh, and Max Riegler, 2019.
《科学》发布发展中国家动物抗生素耐药性图
根据《科学》杂志最近的一篇论文[1]，发展中国家对动物蛋白的需求日益增长，导致牲畜消耗的抗生素数量激增。短短不到20年间，易发生人畜传播的致病细菌对抗生素的耐药率几乎翻了三倍。
研究人员从世界各地收集了近1000份出版物和未发表的兽医报告，绘制出了中低收入国家动物的抗生素耐药性图。研究重点是大肠杆菌、弯曲杆菌、沙门氏菌和金黄色葡萄球菌，这些病菌均能造成人畜的严重疾病。
科学家绘制的自2000年以来中低收入国家动物的抗生素耐药性（AMR）图。家畜中的耐药性在中国和印度最为普遍，巴西和肯尼亚等地正在成为新的热点。黑色区域的数据不足 | 数据来源[1]
研究显示，从2000年到2018年间，发展中国家对食用鸡使用的抗生素中，耐药率超过50%的药物比例已经从15%涨到了41%，而猪用抗生素中的相应比例也从13%涨到了34%。而随着饮食结构转向高蛋白，自2000年以来非洲和亚洲的肉类产量增长了60％以上，南美则增长了40％。世界上一半以上的鸡和猪都产自亚洲。
论文作者，普林斯顿大学环境研究所的Ramanan Laxminarayan说：“我们当然希望更多人拥有高蛋白饮食，但是如果要以抗生素逐渐失效为代价，那么我们需要评估优先级。”
肉类生产中使用的抗生素已占到全球抗生素使用量的73％。抗生素的使用减少牲畜感染并增加牲畜体重，使得大规模饲养和生产大量食用肉类成为可能。而牲畜中抗生素耐药性在发展中国家的急剧上升尤其令人担忧。这些国家的肉类生产和消费持续爆炸性增长，而抗生素的使用仍然缺乏管制。
研究人员建议，发展中国家应该采取行动，限制在畜牧业中使用人类抗生素，发达国家应该通过全球性基金资助生物安全的提升，支持发展中国家向可持续农业过渡。否则，在食用动物中不加限制地使用抗生素可能导致传染性细菌在全球扩散，细菌越来越难以治疗，对人类健康造成严重威胁。
[1] Global trends in antimicrobial resistance in animals in low- and middle-income countries. Thomas P. Van Boeckel et al, 2019.
最新研究称，空气污染导致脱发
广大为发际线战斗的同胞们注意了！空气污染可能导致脱发！10月9日，在西班牙马德里举行的第28届EADV（欧洲皮肤病与性病学会）大会上，一项空气污染物（PM）与脱发有直接关联的研究成果首次向公众发布。
在此项研究中，研究人员从人类头皮毛囊组织中提取细胞，即人毛囊毛乳头细胞（HFDPCs），将其暴露在不同浓度的属于PM10类的灰尘和柴油颗粒中。24小时后，研究人员采用蛋白质印迹法观测这些细胞里的特异性蛋白质的浓度。结果显示，PM10类灰尘和柴油颗粒导致β-连环蛋白的水平降低。β-连环蛋白对毛发生长和形态建成起到主要作用。
研究还显示，另外三种负责毛发生长和维持的蛋白质[1]的水平也随着PM10类灰尘和柴油颗粒的浓度增加而降低。这意味着污染物的浓度越高，蛋白质含量降低得越厉害。
PM(颗粒物质)是空气中可吸入颗粒物包括固体颗粒和液滴的总称。PM可分为两类：一类是直径等于或小于10微米的颗粒，一类是直径等于或小于2.5微米的颗粒。PM10 和 PM2.5都是空气中的主要污染物，与人类的多种严重健康问题有关联，从心脏病、肺病、癌症到各种呼吸系统疾病。总的来说，环境空气污染每年导致4200万人死亡，但是它对人类皮肤和头发的影响还没有广为人知。
PM的来源包括汽油、柴油和碳、石油、生物量等化石燃料、固体燃料的燃烧，此外工业活动，例如房屋建造、采矿，以及水泥、砖、陶等建筑材料的生产也会产生大量PM。
这项研究的带头人，来自韩国未来科学研究中心的Hyuk Chul Kwon说：“已经有很多研究关注空气污染和癌症、慢性阻塞性肺病等严重疾病之间的关联，但专注PM对人类皮肤和头发影响的研究几乎没有。我们的研究解释了空气污染物对于人毛囊毛乳头细胞的作用方式，显示了最普通的空气污染物如何导致脱发。”
[1] 细胞周期蛋白D1、E和细胞周期素依赖性激酶2
[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-10/sh-apl100719.php
暗物质与晶格中的神秘电导
轴子（Axion）自1977年被理论物理学家预言以来，一直是宇宙暗物质的重要候选者之一。虽曾有质疑者试图排除轴子作为暗物质的可能性[1]，同时来自WIMP等其他暗物质候选者的竞争也使轴子的受关注程度一度下降，但最近对轴子的探测热情却在稳步回升。
这种粒子对物理学意义非凡，解决宇宙暗物质问题只是捎带手而已，其实轴子是否存在更关乎很多基础性理论。最初轴子的预言，是源于对量子色动力学中CP守恒问题的研究。在现有理论中CP不守恒已是基本共识，并早已得到实验验证。但物理学家发现强相互作用中，CP永远自觉的守恒，这其中必然隐藏着尚未发现的规律，于是便提出一种新的对称性，Peccei–Quinn对称[2]。确认轴子的存在就等于确认了这种新对称性的存在，届时不仅标准模型得以扩展，连麦克斯韦方程组都需要修改[3]，甚至对磁单极子的认识也会有所改变。
然而这种不带电、无自旋、懒得参与强弱相互作用、质量比电子还小7-11个数量级的粒子，探测难度之大可想而知。2014年英国莱斯特大学的一个小组，研究了欧洲航天局X射线天文台和XMM-牛顿天文台长达15年的数据之后，发现了一些端倪，似乎太阳中心可以产生轴子并在地球磁场中留下些许季节性痕迹[4]。这虽然远非发现轴子的实锤，却也激起了更多人寻找轴子的热情。
现在，科学家们除了瞪大眼睛看，又多了一个支起耳朵听的新方法。斯德哥尔摩大学的Matthew Lawson等科学家，刚刚发表了他们发明的设备，利用低温等离子探测轴子[5]。他们的设备就像收听轴子信号的收音机一样，专门捕获并放大由轴子产生的微小电磁场。只要耐心的调整“接收频率”，这台轴子“收音机”就可以在地球穿过暗物质轴子海时奏出美妙的“乐声”。
当然如何推算轴子的“接收频率”，仍然有赖于科学家们对这种粒子具体性质继续进行深入探索。在没办法获得真实轴子之前，除了纯粹的理论推演，研究具有一定数学等价性的类轴子，也是掌握轴子性质的捷径之一。
[1] Direct detection searches for axion dark matter. GrayRybka, 2014.
[2] CP Conservation in the Presence of Pseudoparticles. R. D. Peccei and Helen R. Quinn, 1977.
[3] Viewpoint: High-energy physics in a new guise. Marcel Franz, 2008.
[4] Potential solar axion signatures in X-ray observations with the XMM–Newton observatory. G.W.Fraser et al, 2014.
[5] Tunable Axion Plasma Haloscopes. Matthew Lawson et al, 2019.
[6] Axionic charge-density wave in the Weyl semimetal (TaSe4)2I. J.Gooth et al, 2019.
纳米粒子对环境的影响超乎想象
在过去的二十年间，纳米技术改善了我们的生活。从微电子到防晒霜，无一不显现出纳米粒子的身影。现今，纳米粒子正以吨级的数量消散在环境中，但是科学家仍不清楚这些纳米粒子对环境的长期影响。近期发表在《化学科学》杂志的一项研究[1]，首次揭示出纳米粒子对环境的影响可能超乎我们的想象：哪怕是不具有抗菌作用的纳米粒子，也会引起环境中细菌的耐药性。
明尼苏达大学Erin E. Carlson副教授主导了这项研究。Carlson发现，环境中常见的非致病细菌希瓦内氏菌[2]在反复暴露于纳米粒子，如制造锂离子电池的纳米粒子时，会迅速产生耐药性。这意味着细菌的基本生物化学和生物学特性正在发生变化。
这是第一份关于非抗菌纳米粒子引起细菌耐药性的报告。传统观点认为，细菌耐药性往往由抗菌纳米粒子引起。如被广泛用作抗菌剂的含银纳米粒子，会使细菌很快产生耐药性[3]。细菌变得有“抵抗力”，是因为我们试图杀死它。但是锂离子电池中使用的纳米粒子从来都不是用来杀菌的。这项研究显示，即使纳米粒子对微生物没有毒性，它仍然是危险的。
这项研究的结果远远超出了细菌的范畴。Carlson副教授表示，“这项研究对人类来说非常重要，因为细菌在我们的湖泊和土壤中普遍存在，而那里有着微妙的生物平衡。其他生物以这些微生物为食，可能会对食物链产生重大影响，这些耐药细菌也可能会产生我们目前无法预测的其他影响。”
这项工作揭示一些纳米粒子影响环境生物的同时，也带来了潜在的解决办法。Carlson副教授认为，这项工作不仅是开发新的可持续材料的第一步，还为可能的修复方法奠定了基础。
[1] Chronic exposure to complex metal oxide nanoparticles elicits rapid resistance in Shewanella oneidensis MR-1. Stephanie L. Mitchell et al, 2019.
[2] 希瓦内氏菌：Shewanella oneidensis MR-1
[3] https://twin-citi e s.umn.edu/news-events/research-brief-nanoparticles-may-have-bigger-impact-environment-previously-thought
X射线技术破解芯片内部结构
通常情况下，对芯片进行逆向破解是个非常耗时的过程。其中涉及到费力地去除芯片中纳米级的连接层，并使用不同层次的成像技术对它们进行映射。近期，《自然电子学》报道了一项X射线技术，可以通过类似人体CT检测的方式对芯片内部硬件结构进行扫描处理。这项技术让芯片无秘密可言，目前已破解16nm线宽的芯片。
瑞士Paul Scherrer研究所Mirko Holler教授主导了这项研究。利用一种被称为叠层X射线断层照相术（ptychographic X-ray laminography）的技术，通过特定算法，在无损的情况下，根据芯片结构散射和衍射出的数据，还原出内部结构，发现芯片中可能存在的硬件后门。目前该技术已经在16nm FinFET芯片上实验成功，并且能够轻松扩展到现在主流的7nm工艺芯片。
该研究的主要领导者Mirko Holler表示，这项技术的主要用途之一是寻找芯片制造与设计之间的偏差，而非进行商业秘密窥探。
[1] 注：来源：公众号“量子位|QbitAI” 作者：晓查 发自 凹非寺
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《返朴》，科学家领航的好科普。国际著名物理学家文小刚与生物学家颜宁共同出任总编辑，与数十位不同领域一流学者组成的编委会一起，与你共同求索。关注《返朴》参与更多讨论。二次转载或合作请联系fanpusci@163.com。
