2020一起感受前沿科學(xué)的魅力

編者按

新年伊始，在清華大學(xué)，一場別開生面的科普活動受到社會廣泛關(guān)注。中國月球探測工程首任首席科學(xué)家歐陽自遠(yuǎn)院士、清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院院長王宏偉、騰訊量子實驗室負(fù)責(zé)人張勝譽(yù)等科學(xué)家盤點天文學(xué)、生命科學(xué)和化學(xué)、數(shù)學(xué)物理學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域2019年度成果，講解探月工程、冷凍電鏡、量子物理等前沿科學(xué)突破背后的故事，本期與讀者分享。

中國月球探測工程首任首席科學(xué)家歐陽自遠(yuǎn)：

探索太陽系的星辰大海

對于我們的工作，國家批準(zhǔn)了三個任務(wù)。在第一個一百年到來之前，要發(fā)射探測器，著陸到人類從來沒有去過的月球背面，要著陸在月球上把樣品采回來，我們將進(jìn)行首次火星探測。到21世紀(jì)中葉，中國將要建設(shè)一個太空強(qiáng)國。如此艱巨繁重的任務(wù)，我們目前僅做了一點關(guān)于月球和行星的探測。

首先介紹嫦娥四號，這是在嫦娥一號、二號、三號的基礎(chǔ)上，國家批準(zhǔn)我們要降落到人類從來沒有到達(dá)過的月球的背面。人類有史以來一共在月球上著陸了20次，其中美國進(jìn)行了11次、蘇聯(lián)8次，我們的嫦娥三號也降落下去了，但這20次全部集中在月球正面，所以嫦娥四號是人類首次著陸到月球背面去。

到月球背面之后有一個最大的難題，就是看不見、不能通信。200多年以前，法國數(shù)學(xué)家研究出月拉格朗日有五個引力平衡點，兩個引力平衡點是在小物體的那面，只有一個辦法，發(fā)射一個中際星到拉格朗日第二點上，看能不能把月球的背面跟地球聯(lián)系起來。我們發(fā)射了中繼星，到達(dá)月拉格朗日后打開網(wǎng)狀天線，這樣直接可以把地球以及月球聯(lián)系起來，可以指揮在月球上怎么樣著陸、怎么樣工作，把探測的數(shù)據(jù)向地球報告，地球就可以及時給他們以指令，這樣就完全變?yōu)橐粭l暢通的鏈路了。

第二個難題是如何著陸。嫦娥四號發(fā)射以后從地球到達(dá)月球，然后被月球引力捕獲了之后要調(diào)整軌道，飛到著陸區(qū)上空，然后朝著陸區(qū)著陸下去。但在月球上著陸不能用降落傘，因為月球表面是超高真空，大家都知道一個東西落下來重力加速度越掉越快，最后砸得稀爛。只有一個辦法，在這個著陸器下面安一個發(fā)動機(jī)，你往下掉我就往上推，慢慢掉下來。但還有一個問題，月球表面這45億年以來砸了不知道多少個坑，到處坑坑洼洼，著陸器四條腿降落在月面上，一條腿掉到某一個坑就會倒下去，月球車爬不起來前功盡棄。我們有非常高級的人工智能計算機(jī)，慢慢落下來，一邊落一邊拍照，立即分析判斷哪里可以著陸。最后拍了3764張照片，直到有一張照片可以落了，就按照人工智能的指示落下去了，安安穩(wěn)穩(wěn)地著陸到月球的表面。

我們干嗎要到月球背面去？有三個目的。

第一，人類得到了很多來自于宇宙、銀河系、太陽系的科學(xué)信息，但由于地球的電離層干擾，我們收不到長波的電磁波或低頻的電磁波。這些信息在月球正面也收不到，要知道這些科學(xué)信息，只有一個辦法，跑到月球背面去。

第二，月球的歷史正面最古老是40億年，早于40億年更古老的歷史不知道，我們要到月球背面，落到最老的石頭上把月球的歷史全面歸述。

第三，人類從來沒有到過月球背面，中國跟歐洲很多國家合作研制了幾臺儀器，我們一定要測出來月球背面的表面環(huán)境、近月空間環(huán)境，這些全部是人類從來不知道的，我們現(xiàn)在已經(jīng)研究出很多的成果，正在逐步發(fā)表。

嫦娥四號已經(jīng)工作了整整一年，取得了大量成果。按照計劃，2020年底我們要到月球上采樣返回。我們挑了一個地方，離阿波羅載人登月的地方很遠(yuǎn)，一千多公里以外的，我們落下去之后，用電鏟采樣加上自己打鉆取樣等，把所有的樣品裝到錐形艙里頭。但是我們回不來，在月亮上，沒有那么多的燃料把它送回來，我們只要它飛上去，月球空間站跟飛船自動會對接，最后這個飛船把它帶回地球，這個時候可以用降落傘很安全地落在內(nèi)蒙古的四子王旗。

2020年，我們還要把中國的火星探測器送上火星，路途要飛七個月左右，將近四億公里。我們到火星是為了全面地探測火星，這是中國頭一次去。中國的科學(xué)家曾經(jīng)做過一個工作，用火星掉下來的石頭在北京的實驗室做了大量分析，最后證明火星曾經(jīng)有過生命，這是很了不起的一件事情，我們在歐洲發(fā)表了這一成果。2014年12月2日，美國的好奇號向全世界公布了他們探測的結(jié)果，證明火星曾經(jīng)有過生命，他們的記者招待會是2014年12月16日，比中國晚了半個月。這件事情人們?nèi)匀怀姓J(rèn)是中國首先做到的。但火星現(xiàn)在究竟有沒有生命，以前有過什么生命形態(tài)并不清楚。另外全世界的科學(xué)家都有一個共識，改造火星，讓它變?yōu)榈诙€地球。經(jīng)過了38億年生命的逐步演化，到最后的200萬年才出現(xiàn)了人類，而且具有智慧，建立了高度文明的社會，所以我們一定要保護(hù)人類，讓人類的未來更美好、更幸福。

這樣的話，我們完成這三次任務(wù)，到了2021年，我們以優(yōu)異的成績?nèi)プＹR我們偉大的第一個一百年。我們同時又制訂了一個十年規(guī)劃，中國要探測整個太陽系。探測什么呢？難道浩瀚太陽系只有地球有生命，別人都沒有？哪怕細(xì)菌也是了不起的事情，如果可以發(fā)現(xiàn)的話，畢竟是生命。另外，我們要研究太陽系的起源以及演化，其次我們還要利用太陽系各個天體的特殊資源和能源，為人類社會的持續(xù)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

我們還要預(yù)防地球遇到突然襲擊，比如小天體撞地球，再出現(xiàn)類似恐龍滅絕這樣的事情。地球附近有密密麻麻的兩三萬個近地行星，直徑大于一公里的有800個，一撞下來又是巨大的災(zāi)難。很多小行星走得又不太規(guī)矩，所以我們一定要選擇幾個小行星，跟它伴飛取樣，搞清楚如何規(guī)避近地小行星撞擊地球。

我們還要去木星。木星在八行星當(dāng)中最大，它的體積相當(dāng)于13146個地球堆起來的大小。它有79個“月亮”，所以我們選了兩個，第一個是木衛(wèi)四，它表面上有冰，里面有海洋，海洋里面又有火山噴發(fā)。按照這個條件，有液態(tài)水，有能量，也有一些組成生命的元素，一定可以有生命的誕生，所以科學(xué)家們期盼著在木衛(wèi)二的海底可能有生命。

這些任務(wù)非常艱巨，但我們中國要越飛越遠(yuǎn)。

目前全世界興起了一股浪潮，就是太空資源的開發(fā)利用。太空資源主要是礦產(chǎn)資源、能源資源，比如月球土壤里面有大量的氦3，嫦娥一號計算的結(jié)果大概至少可以確保滿足全人類一萬年的能源需求。對月球包括小行星的資源能源環(huán)境進(jìn)行開發(fā)利用，對于支持人類社會的有序、健康幸福發(fā)展將會發(fā)揮重大的作用。所有這些，包括改造火星，是科學(xué)家的夢想，但所有這些寄托在年輕人身上，希望年輕人擔(dān)當(dāng)責(zé)任、完成使命，成為未來建設(shè)太空強(qiáng)國的擔(dān)當(dāng)者。

清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院院長王宏偉：

冷凍電鏡：探秘人類的生命奧秘

人類在過去的幾百萬年一直用肉眼觀察周邊世界，但實際上，我們一直對在更加微小的尺度上生命現(xiàn)象是如何展現(xiàn)的很感興趣。我們希望可以看得越來越精細(xì)，對生命奧秘有更加精細(xì)的了解。

幾百年前的人類就一直努力做這件事。在《西游記》里，孫悟空可以72變、鉆到鐵扇公主肚子里面。我們希望可以縮到更小，縮到原子層面看到更加精細(xì)的結(jié)構(gòu)。大約300多年前，以荷蘭顯微鏡學(xué)家列文虎克為代表的科學(xué)家們開始研究光學(xué)顯微鏡，首次讓我們得以看到細(xì)胞的存在，它主要用光通過透明介質(zhì)的原理。

今天的光學(xué)顯微鏡，經(jīng)過幾百年發(fā)展已經(jīng)越來越強(qiáng)有力，可以看到越來越精細(xì)的結(jié)構(gòu)，看到細(xì)胞里非常多、非常有趣的現(xiàn)象?？囱┗ǎ梢钥吹骄w結(jié)構(gòu)，會發(fā)現(xiàn)世界上每一片雪花都不一樣。看昆蟲，比如一只果蠅，對它的復(fù)眼逐級放大，會發(fā)現(xiàn)有非常多非常漂亮的細(xì)胞以各種不同形狀組合在一起，讓果蠅的眼睛可以看到周邊的世界。我的同事清華大學(xué)俞立教授發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞不但爬行，爬行的過程中還留下一些非常漂亮的尾足結(jié)構(gòu)，用光學(xué)顯微鏡可以觀察一個細(xì)胞是如何分為兩個細(xì)胞的。

但如果想看到更加精細(xì)的結(jié)構(gòu)，我們需要用透射電子顯微鏡。20世紀(jì)30年代，德國科學(xué)家露絲卡發(fā)現(xiàn)，電磁在磁場下可以發(fā)生聚焦效應(yīng)，這跟光學(xué)顯微鏡的原理非常相似，由此提出了電子顯微鏡的概念，并且發(fā)明了世界上第一臺透射電子顯微鏡，他也因為這個發(fā)現(xiàn)獲得了1986年諾貝爾物理學(xué)獎。

今天的電子顯微鏡更加高級、更加復(fù)雜，可以給我們揭示的微觀世界也更加精彩。利用冷凍電子顯微鏡（簡稱“冷凍電鏡”），我們就可以看得更加精細(xì)，比如細(xì)胞中的膜。三位研究冷凍電鏡的科學(xué)家曾獲得2017年諾貝爾化學(xué)獎，也使得它在過去幾年間成為結(jié)構(gòu)生物學(xué)的重要工具。

什么是冷凍電鏡？它是指生物大分子或者蛋白質(zhì)分子起先呈溶液狀態(tài)，每一個分子在溶液里做運動，把這樣的一小滴蛋白質(zhì)溶液放到電鏡載網(wǎng)上，兩個輕輕一夾，在夾層薄薄的水膜非?？炫龅揭旱那闆r下，就形成了玻璃態(tài)的冰，剛剛蛋白質(zhì)的分子被固定到薄薄的冰里面了。這樣的樣品我們把它叫作冷凍樣品，把這樣一個樣品放到投射電子顯微鏡中觀察就叫作冷凍電鏡。投射電子顯微鏡的高能電子數(shù)穿透每一個分子，像X光穿過每個人的身體一樣，可以拍攝這個分子的形貌以及它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，在這樣的一個冷凍電鏡照片中我們可以看到很多孤立的蛋白質(zhì)分子，我們可以用計算機(jī)的手段把這里面的每一個分子提取出來，長得相似的分子進(jìn)行匯總、疊加、平均，從而獲得更加精細(xì)圖像的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

獲得多個被分為四個不同方向的這樣一個二維結(jié)構(gòu)后，最后在計算機(jī)里通過三維重構(gòu)的算法，奇跡發(fā)生了——我們可以在計算機(jī)里看到這個分子三維的模型，當(dāng)模型細(xì)節(jié)足夠豐富的時候，就可以解析到這個蛋白質(zhì)模擬的三維結(jié)構(gòu)，這個方法叫作結(jié)構(gòu)生物學(xué)。

用冷凍電鏡可以揭示很多細(xì)胞里面的生命過程的細(xì)節(jié)，像紡錘絲的精細(xì)結(jié)構(gòu)縮短或者是變長的時候，它的末端發(fā)生了什么樣的變化，我們可以用冷凍電鏡對這個狀態(tài)進(jìn)行瞬間的固定。我們可以凍得非常快，可以捕捉不同瞬間，每一個瞬間都有電子顯微鏡進(jìn)行仔細(xì)觀察，最后幫助我們理解。

冷凍電鏡可以幫助我們了解很多很有意思的生物學(xué)現(xiàn)象。大家知道辣椒很辣，是因為辣椒里面有一種小分子叫作辣椒素，這些辣椒素與神經(jīng)末梢的蛋白質(zhì)TRPV1結(jié)合在細(xì)胞膜上面之后，讓這個膜蛋白的通道打開，讓細(xì)胞膜內(nèi)部離子向內(nèi)部流動，這個流動會產(chǎn)生電流，這個電流通過神經(jīng)纖維傳遞到大腦里面讓我們感覺到辣?？茖W(xué)家利用冷凍技術(shù)解析了這個非常精細(xì)的結(jié)構(gòu)，以及與辣椒素相互結(jié)合的結(jié)構(gòu)，使得我們知道辣椒素使得通道開了，就可以讓我們感受到辣。今天，冷凍電鏡對很多細(xì)節(jié)進(jìn)行分析，在應(yīng)用當(dāng)中已經(jīng)有了非常重要的意義，尤其是可以助力新藥的研發(fā)，可以幫助科學(xué)家開發(fā)抗癌藥、止痛藥、麻醉劑等其他很多新藥，治療疾病。

中國過去十多年里，建成了世界上最大冷凍電鏡的設(shè)施，中國科學(xué)家們在冷凍電鏡領(lǐng)域取得了很多舉世矚目的成就，引起世界廣泛關(guān)注。清華大學(xué)施一公團(tuán)隊對老年癡呆癥重要蛋白質(zhì)進(jìn)行解析，對于理解它的發(fā)病機(jī)理甚至開發(fā)重要治療方法有重要意義。2019年，中國科學(xué)家利用冷凍電鏡技術(shù)解析了世界上目前解析到最高分辨率、最大的病毒結(jié)構(gòu)。同年，豬瘟病毒爆發(fā)，他們用冷凍電鏡解析了豬瘟病毒的結(jié)構(gòu)，對了解豬瘟病毒發(fā)病機(jī)理以及開發(fā)疫苗預(yù)防豬瘟病毒傳染有重要意義。

今天，冷凍電鏡技術(shù)以及其他的技術(shù)，使我們對一個細(xì)胞內(nèi)的活動有很多理解。但走進(jìn)細(xì)胞，看到更多變化，這需要很多代科學(xué)家的持續(xù)努力，希望更多人一起對生命科學(xué)的精細(xì)細(xì)節(jié)進(jìn)行分析，一起對生命的奧秘進(jìn)行深刻揭示。

騰訊量子實驗室負(fù)責(zé)人張勝譽(yù)：

量子計算到底是什么

最近聽到一個梗，“遇事不決，量子力學(xué)”。很有趣，這個意思是說，只要是我們搞不定的問題，就往量子概念上碰一下，很多問題會迎刃而解了，這當(dāng)然是玩笑話。另外，社會上出現(xiàn)了一些像“量子波動速讀”這樣的偽科學(xué)理論。

跟整個主宰環(huán)境的經(jīng)典力學(xué)不一樣，微觀世界中，你會發(fā)現(xiàn)微觀粒子有一些很有趣的現(xiàn)象。第一個現(xiàn)象是疊加態(tài)，在宏觀世界中一個物體在某一個固定時刻只能處于同樣的一個狀態(tài)，我這個人站在這里，在這個時刻我就是站在這個地方，但是在微觀世界中，我又同時處在另外一個地方，比如我可以同時在巴黎出現(xiàn)。更加有趣的是，如果對這個粒子進(jìn)行操作，會對它同時所處的兩個狀態(tài)都有影響，比如我同時處于這里和巴黎，我要舉手，在這里的我和在巴黎的我是同時舉手的。這在宏觀世界中很難想象，但是微觀世界中我們可以反復(fù)看到。

如果說疊加態(tài)還是可以接受，第二個事情更加反直覺，就是觀察和測量。跟宏觀世界中去觀察測量不太一樣，在微觀中會出現(xiàn)對同一個東西、同一種狀態(tài)，用同樣的測量手段進(jìn)行測量，每次出來結(jié)果是不一樣的。舉一個嚴(yán)重的例子，我想量一下自己有多高，介于發(fā)現(xiàn)我處于疊加態(tài)，有時候出現(xiàn)我有兩米高，有時候出現(xiàn)我只有兩厘米短，這在宏觀中不可能，而且是很麻煩的事情。

量子糾纏，發(fā)生在兩個甚至更多個物體上的一種很特殊的狀態(tài)，這個狀態(tài)不能夠分為這兩個或者是多個物體每一個單獨狀態(tài)的乘積，大體而言就是它們兩個分不開，而且一個產(chǎn)生變化的時候另外一個也會產(chǎn)生變化。所以是不是聽起來都覺得很奇怪，這么小尺度微觀世界里面的物質(zhì)呈現(xiàn)跟我們宏觀所熟悉的日常生活中得到的直覺非常不一樣。

說完量子力學(xué)的一些基本現(xiàn)象，再來看20世紀(jì)發(fā)展特別好的另外一個學(xué)科，就是計算。計算是什么意思？計算本質(zhì)上是有一個輸入，然后有一個指定輸出。如果是簡單的兩位數(shù)、三位數(shù)計算，可以用一張紙、一支筆就算出來。但變?yōu)槲灏傥粩?shù)這么多甚至更多，計算就會很困難。很多密碼學(xué)就建立在這樣的基礎(chǔ)上：找一些計算上非常困難的問題，全世界研究了很長時間都不知何解，甚至懷疑這個計算問題本質(zhì)上就很難，就把這樣的難題用做密碼學(xué)的基礎(chǔ)，構(gòu)建了今天社會上很多跟電子商務(wù)有關(guān)，跟互聯(lián)網(wǎng)相同的事情。這個事情在1994年發(fā)生了一個很大的變化，當(dāng)時AT T貝爾實驗室發(fā)現(xiàn)，如果有一個量子計算機(jī)，可以把很大的數(shù)字很快分解出來，這個快和我們現(xiàn)在已知的最好的經(jīng)典計算機(jī)場運行算法的差別非常大，這個大隨著這個數(shù)字越長體現(xiàn)越明顯，這不是經(jīng)典計算機(jī)可以多買一些機(jī)器、多等它幾個月就可以做的，而是你把全世界所有計算資源加到一起，一直計算到宇宙毀滅都算不出來的東西，可能量子計算機(jī)不到一分鐘就算出來了。

大體而言，量子算法就是利用疊加態(tài)所產(chǎn)生的天然定性的能力，再克服一些困難，像測量本身的不確定性帶來對原來物體狀態(tài)的破壞等來實現(xiàn)的算法。但這里要劃一下重點，并不是所有問題量子計算機(jī)都可以迎刃而解。很多問題我們理論上知道，量子計算機(jī)沒有幫助或者有幫助并不是特別大。所以整個量子計算要研究一些根本問題，就是哪些計算問題量子計算機(jī)有幫助，有多大幫助及我們?nèi)绾螌崿F(xiàn)這些幫助，這就是量子計算的根本性問題。

（本版內(nèi)容系三位科學(xué)家在第二屆騰訊青少年科學(xué)小會上的報告，本報記者鄧暉采訪整理，略有刪減，標(biāo)題為編輯所加。）