2020一起感受前沿科學的魅力
編者按
新年伊始，在清華大學，一場別開生面的科普活動受到社會廣泛關注。中國月球探測工程首任首席科學家歐陽自遠院士、清華大學生命科學學院院長王宏偉、騰訊量子實驗室負責人張勝譽等科學家盤點天文學、生命科學和化學、數學物理學等科學領域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家歐陽自遠：
探索太陽系的星辰大海
對于我們的工作，國家批準了三個任務。在第一個一百年到來之前，要發射探測器，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，我們將進行首次火星探測。到21世紀中葉，中國將要建設一個太空強國。如此艱巨繁重的任務，我們目前僅做了一點關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、三號的基礎上，國家批準我們要降落到人類從來沒有到達過的月球的背面。人類有史以來一共在月球上著陸了20次，其中美國進行了11次、蘇聯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，法國數學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系起來。我們發射了中繼星，到達月拉格朗日后打開網狀天線，這樣直接可以把地球以及月球聯系起來，可以指揮在月球上怎么樣著陸、怎么樣工作，把探測的數據向地球報告，地球就可以及時給他們以指令，這樣就完全變為一條暢通的鏈路了。
第二個難題是如何著陸。嫦娥四號發射以后從地球到達月球，然后被月球引力捕獲了之后要調整軌道，飛到著陸區上空，然后朝著陸區著陸下去。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動機，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，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，安安穩穩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境、近月空間環境，這些全部是人類從來不知道的，我們現在已經研究出很多的成果，正在逐步發表。
嫦娥四號已經工作了整整一年，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，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。中國的科學家曾經做過一個工作，用火星掉下來的石頭在北京的實驗室做了大量分析，最后證明火星曾經有過生命，這是很了不起的一件事情，我們在歐洲發表了這一成果。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果，證明火星曾經有過生命，他們的記者招待會是2014年12月16日，比中國晚了半個月。這件事情人們仍然承認是中國首先做到的。但火星現在究竟有沒有生命，以前有過什么生命形態并不清楚。另外全世界的科學家都有一個共識，改造火星，讓它變為第二個地球。經過了38億年生命的逐步演化，到最后的200萬年才出現了人類，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，到了2021年，我們以優異的成績去祝賀我們偉大的第一個一百年。我們同時又制訂了一個十年規劃，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？哪怕細菌也是了不起的事情，如果可以發現的話，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，為人類社會的持續發展作出貢獻。
我們還要預防地球遇到突然襲擊，比如小天體撞地球，再出現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難。很多小行星走得又不太規矩，所以我們一定要選擇幾個小行星，跟它伴飛取樣，搞清楚如何規避近地小行星撞擊地球。
我們還要去木星。木星在八行星當中最大，它的體積相當于13146個地球堆起來的大小。它有79個“月亮”，所以我們選了兩個，第一個是木衛四，它表面上有冰，里面有海洋，海洋里面又有火山噴發。按照這個條件，有液態水，有能量，也有一些組成生命的元素，一定可以有生命的誕生，所以科學家們期盼著在木衛二的海底可能有生命。
這些任務非常艱巨，但我們中國要越飛越遠。
目前全世界興起了一股浪潮，就是太空資源的開發利用。太空資源主要是礦產資源、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境進行開發利用，對于支持人類社會的有序、健康幸福發展將會發揮重大的作用。所有這些，包括改造火星，是科學家的夢想，但所有這些寄托在年輕人身上，希望年輕人擔當責任、完成使命，成為未來建設太空強國的擔當者。
清華大學生命科學學院院長王宏偉：
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象是如何展現的很感興趣。我們希望可以看得越來越精細，對生命奧秘有更加精細的了解。
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的結構。大約300多年前，以荷蘭顯微鏡學家列文虎克為代表的科學家們開始研究光學顯微鏡，首次讓我們得以看到細胞的存在，它主要用光通過透明介質的原理。
今天的光學顯微鏡，經過幾百年發展已經越來越強有力，可以看到越來越精細的結構，看到細胞里非常多、非常有趣的現象。看雪花，可以看到晶體結構，會發現世界上每一片雪花都不一樣。看昆蟲，比如一只果蠅，對它的復眼逐級放大，會發現有非常多非常漂亮的細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。我的同事清華大學俞立教授發現，細胞不但爬行，爬行的過程中還留下一些非常漂亮的尾足結構，用光學顯微鏡可以觀察一個細胞是如何分為兩個細胞的。
但如果想看到更加精細的結構，我們需要用透射電子顯微鏡。20世紀30年代，德國科學家露絲卡發現，電磁在磁場下可以發生聚焦效應，這跟光學顯微鏡的原理非常相似，由此提出了電子顯微鏡的概念，并且發明了世界上第一臺透射電子顯微鏡，他也因為這個發現獲得了1986年諾貝爾物理學獎。
今天的電子顯微鏡更加高級、更加復雜，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，比如細胞中的膜。三位研究冷凍電鏡的科學家曾獲得2017年諾貝爾化學獎，也使得它在過去幾年間成為結構生物學的重要工具。
什么是冷凍電鏡？它是指生物大分子或者蛋白質分子起先呈溶液狀態，每一個分子在溶液里做運動，把這樣的一小滴蛋白質溶液放到電鏡載網上，兩個輕輕一夾，在夾層薄薄的水膜非常快碰到液氮的情況下，就形成了玻璃態的冰，剛剛蛋白質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部結構信息，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分子，我們可以用計算機的手段把這里面的每一個分子提取出來，長得相似的分子進行匯總、疊加、平均，從而獲得更加精細圖像的內部結構。
獲得多個被分為四個不同方向的這樣一個二維結構后，最后在計算機里通過三維重構的算法，奇跡發生了——我們可以在計算機里看到這個分子三維的模型，當模型細節足夠豐富的時候，就可以解析到這個蛋白質模擬的三維結構，這個方法叫作結構生物學。
用冷凍電鏡可以揭示很多細胞里面的生命過程的細節，像紡錘絲的精細結構縮短或者是變長的時候，它的末端發生了什么樣的變化，我們可以用冷凍電鏡對這個狀態進行瞬間的固定。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行仔細觀察，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現象。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，這些辣椒素與神經末梢的蛋白質TRPV1結合在細胞膜上面之后，讓這個膜蛋白的通道打開，讓細胞膜內部離子向內部流動，這個流動會產生電流，這個電流通過神經纖維傳遞到大腦里面讓我們感覺到辣。科學家利用冷凍技術解析了這個非常精細的結構，以及與辣椒素相互結合的結構，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，冷凍電鏡對很多細節進行分析，在應用當中已經有了非常重要的意義，尤其是可以助力新藥的研發，可以幫助科學家開發抗癌藥、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施，中國科學家們在冷凍電鏡領域取得了很多舉世矚目的成就，引起世界廣泛關注。清華大學施一公團隊對老年癡呆癥重要蛋白質進行解析，對于理解它的發病機理甚至開發重要治療方法有重要意義。2019年，中國科學家利用冷凍電鏡技術解析了世界上目前解析到最高分辨率、最大的病毒結構。同年，豬瘟病毒爆發，他們用冷凍電鏡解析了豬瘟病毒的結構，對了解豬瘟病毒發病機理以及開發疫苗預防豬瘟病毒傳染有重要意義。
今天，冷凍電鏡技術以及其他的技術，使我們對一個細胞內的活動有很多理解。但走進細胞，看到更多變化，這需要很多代科學家的持續努力，希望更多人一起對生命科學的精細細節進行分析，一起對生命的奧秘進行深刻揭示。
騰訊量子實驗室負責人張勝譽：
量子計算到底是什么
最近聽到一個梗，“遇事不決，量子力學”。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，這當然是玩笑話。另外，社會上出現了一些像“量子波動速讀”這樣的偽科學理論。
跟整個主宰環境的經典力學不一樣，微觀世界中，你會發現微觀粒子有一些很有趣的現象。第一個現象是疊加態，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，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。更加有趣的是，如果對這個粒子進行操作，會對它同時所處的兩個狀態都有影響，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看到。
如果說疊加態還是可以接受，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，在微觀中會出現對同一個東西、同一種狀態，用同樣的測量手段進行測量，每次出來結果是不一樣的。舉一個嚴重的例子，我想量一下自己有多高，介于發現我處于疊加態，有時候出現我有兩米高，有時候出現我只有兩厘米短，這在宏觀中不可能，而且是很麻煩的事情。
量子糾纏，發生在兩個甚至更多個物體上的一種很特殊的狀態，這個狀態不能夠分為這兩個或者是多個物體每一個單獨狀態的乘積，大體而言就是它們兩個分不開，而且一個產生變化的時候另外一個也會產生變化。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呈現跟我們宏觀所熟悉的日常生活中得到的直覺非常不一樣。
說完量子力學的一些基本現象，再來看20世紀發展特別好的另外一個學科，就是計算。計算是什么意思？計算本質上是有一個輸入，然后有一個指定輸出。如果是簡單的兩位數、三位數計算，可以用一張紙、一支筆就算出來。但變為五百位數這么多甚至更多，計算就會很困難。很多密碼學就建立在這樣的基礎上：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上就很難，就把這樣的難題用做密碼學的基礎，構建了今天社會上很多跟電子商務有關，跟互聯網相同的事情。這個事情在1994年發生了一個很大的變化，當時AT T貝爾實驗室發現，如果有一個量子計算機，可以把很大的數字很快分解出來，這個快和我們現在已知的最好的經典計算機場運行算法的差別非常大，這個大隨著這個數字越長體現越明顯，這不是經典計算機可以多買一些機器、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所產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的破壞等來實現的算法。但這里要劃一下重點，并不是所有問題量子計算機都可以迎刃而解。很多問題我們理論上知道，量子計算機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有幫助，有多大幫助及我們如何實現這些幫助，這就是量子計算的根本性問題。
（本版內容系三位科學家在第二屆騰訊青少年科學小會上的報告，本報記者鄧暉采訪整理，略有刪減，標題為編輯所加。）
