2020 一起感受前沿科学的魅力

在西藏阿里观测站，“墨子号”量子科学实验卫星过境，科研人员在做实验。新华社发

量子反常霍尔效应测量用的低温样品架和样品。新华社发

新年伊始，在清华大学，一场别开生面的科普活动受到社会广泛关注。中国月球探测工程首任首席科学家欧阳自远院士、清华大学生命科学学院院长王宏伟、腾讯量子实验室负责人张胜誉等科学家盘点天文学、生命科学和化学、数学物理学等科学领域2019年度成果，讲解探月工程、冷冻电镜、量子物理等前沿科学突破背后的故事， 与读者分享。

中国月球探测工程首任首席科学家欧阳自远：

探索太阳系的星辰大海

对于我们的工作，国家批准了三个任务。在第一个一百年到来之前，要发射探测器，着陆到人类从来没有去过的月球背面，要着陆在月球上把样品采回来，我们将进行首次火星探测。到21世纪中叶，中国将要建设一个太空强国。如此艰巨繁重的任务，我们目前仅做了一点关于月球和行星的探测。

首先介绍嫦娥四号，这是在嫦娥一号、二号、三号的基础上，国家批准我们要降落到人类从来没有到达过的月球的背面。人类有史以来一共在月球上着陆了20次，其中美国进行了11次、苏联8次，我们的嫦娥三号也降落下去了，但这20次全部集中在月球正面，所以嫦娥四号是人类首次着陆到月球背面去。

到月球背面之后有一个最大的难题，就是看不见、不能通信。200多年以前，法国数学家研究出月拉格朗日有五个引力平衡点，两个引力平衡点是在小物体的那面，只有一个办法，发射一个中际星到拉格朗日第二点上，看能不能把月球的背面跟地球联系起来。我们发射了中继星，到达月拉格朗日后打开网状天线，这样直接可以把地球以及月球联系起来，可以指挥在月球上怎么样着陆、怎么样工作，把探测的数据向地球报告，地球就可以及时给他们以指令，这样就完全变为一条畅通的链路了。

第二个难题是如何着陆。嫦娥四号发射以后从地球到达月球，然后被月球引力捕获了之后要调整轨道，飞到着陆区上空，然后朝着陆区着陆下去。但在月球上着陆不能用降落伞，因为月球表面是超高真空，大家都知道一个东西落下来重力加速度越掉越快，最后砸得稀烂。只有一个办法，在这个着陆器下面安一个发动机，你往下掉我就往上推，慢慢掉下来。但还有一个问题，月球表面这45亿年以来砸了不知道多少个坑，到处坑坑洼洼，着陆器四条腿降落在月面上，一条腿掉到某一个坑就会倒下去，月球车爬不起来前功尽弃。我们有非常高级的人工智能计算机，慢慢落下来，一边落一边拍照，立即分析判断哪里可以着陆。最后拍了3764张照片，直到有一张照片可以落了，就按照人工智能的指示落下去了，安安稳稳地着陆到月球的表面。

我们干吗要到月球背面去？有三个目的。

第一，人类得到了很多来自于宇宙、银河系、太阳系的科学信息，但由于地球的电离层干扰，我们收不到长波的电磁波或低频的电磁波。这些信息在月球正面也收不到，要知道这些科学信息，只有一个办法，跑到月球背面去。

第二，月球的历史正面最古老是40亿年，早于40亿年更古老的历史不知道，我们要到月球背面，落到最老的石头上把月球的历史全面归述。

第三，人类从来没有到过月球背面，中国跟欧洲很多国家合作研制了几台仪器，我们一定要测出来月球背面的表面环境、近月空间环境，这些全部是人类从来不知道的，我们现在已经研究出很多的成果，正在逐步发表。

嫦娥四号已经工作了整整一年，取得了大量成果。按照计划，2020年底我们要到月球上采样返回。我们挑了一个地方，离阿波罗载人登月的地方很远，一千多公里以外的，我们落下去之后，用电铲采样加上自己打钻取样等，把所有的样品装到锥形舱里头。但是我们回不来，在月亮上，没有那么多的燃料把它送回来，我们只要它飞上去，月球空间站跟飞船自动会对接，最后这个飞船把它带回地球，这个时候可以用降落伞很安全地落在内蒙古的四子王旗。

2020年，我们还要把中国的火星探测器送上火星，路途要飞七个月左右，将近四亿公里。我们到火星是为了全面地探测火星，这是中国头一次去。中国的科学家曾经做过一个工作，用火星掉下来的石头在北京的实验室做了大量分析，最后证明火星曾经有过生命，这是很了不起的一件事情，我们在欧洲发表了这一成果。2014年12月2日，美国的好奇号向全世界公布了他们探测的结果，证明火星曾经有过生命，他们的记者招待会是2014年12月16日，比中国晚了半个月。这件事情人们仍然承认是中国首先做到的。但火星现在究竟有没有生命，以前有过什么生命形态并不清楚。另外全世界的科学家都有一个共识，改造火星，让它变为第二个地球。经过了38亿年生命的逐步演化，到最后的200万年才出现了人类，而且具有智慧，建立了高度文明的社会，所以我们一定要保护人类，让人类的未来更美好、更幸福。

这样的话，我们完成这三次任务，到了2021年，我们以优异的成绩去祝贺我们伟大的第一个一百年。我们同时又制订了一个十年规划，中国要探测整个太阳系。探测什么呢？难道浩瀚太阳系只有地球有生命，别人都没有？哪怕细菌也是了不起的事情，如果可以发现的话，毕竟是生命。另外，我们要研究太阳系的起源以及演化，其次我们还要利用太阳系各个天体的特殊资源和能源，为人类社会的持续发展作出贡献。

我们还要预防地球遇到突然袭击，比如小天体撞地球，再出现类似恐龙灭绝这样的事情。地球附近有密密麻麻的两三万个近地行星，直径大于一公里的有800个，一撞下来又是巨大的灾难。很多小行星走得又不太规矩，所以我们一定要选择几个小行星，跟它伴飞取样，搞清楚如何规避近地小行星撞击地球。

我们还要去木星。木星在八行星当中最大，它的体积相当于13146个地球堆起来的大小。它有79个“月亮”，所以我们选了两个，第一个是木卫四，它表面上有冰，里面有海洋，海洋里面又有火山喷发。按照这个条件，有液态水，有能量，也有一些组成生命的元素，一定可以有生命的诞生，所以科学家们期盼着在木卫二的海底可能有生命。

这些任务非常艰巨，但我们中国要越飞越远。

目前全世界兴起了一股浪潮，就是太空资源的开发利用。太空资源主要是矿产资源、能源资源，比如月球土壤里面有大量的氦3，嫦娥一号计算的结果大概至少可以确保满足全人类一万年的能源需求。对月球包括小行星的资源能源环境进行开发利用，对于支持人类社会的有序、健康幸福发展将会发挥重大的作用。所有这些，包括改造火星，是科学家的梦想，但所有这些寄托在年轻人身上，希望年轻人担当责任、完成使命，成为未来建设太空强国的担当者。

清华大学生命科学学院院长王宏伟：

冷冻电镜：探秘人类的生命奥秘

人类在过去的几百万年一直用肉眼观察周边世界，但实际上，我们一直对在更加微小的尺度上生命现象是如何展现的很感兴趣。我们希望可以看得越来越精细，对生命奥秘有更加精细的了解。

几百年前的人类就一直努力做这件事。在《西游记》里，孙悟空可以72变、钻到铁扇公主肚子里面。我们希望可以缩到更小，缩到原子层面看到更加精细的结构。大约300多年前，以荷兰显微镜学家列文虎克为代表的科学家们开始研究光学显微镜，首次让我们得以看到细胞的存在，它主要用光通过透明介质的原理。

今天的光学显微镜，经过几百年发展已经越来越强有力，可以看到越来越精细的结构，看到细胞里非常多、非常有趣的现象。看雪花，可以看到晶体结构，会发现世界上每一片雪花都不一样。看昆虫，比如一只果蝇，对它的复眼逐级放大，会发现有非常多非常漂亮的细胞以各种不同形状组合在一起，让果蝇的眼睛可以看到周边的世界。我的同事清华大学俞立教授发现，细胞不但爬行，爬行的过程中还留下一些非常漂亮的尾足结构，用光学显微镜可以观察一个细胞是如何分为两个细胞的。

但如果想看到更加精细的结构，我们需要用透射电子显微镜。20世纪30年代，德国科学家露丝卡发现，电磁在磁场下可以发生聚焦效应，这跟光学显微镜的原理非常相似，由此提出了电子显微镜的概念，并且发明了世界上第一台透射电子显微镜，他也因为这个发现获得了1986年诺贝尔物理学奖。

今天的电子显微镜更加高级、更加复杂，可以给我们揭示的微观世界也更加精彩。利用冷冻电子显微镜（简称“冷冻电镜”），我们就可以看得更加精细，比如细胞中的膜。三位研究冷冻电镜的科学家曾获得2017年诺贝尔化学奖，也使得它在过去几年间成为结构生物学的重要工具。

什么是冷冻电镜？它是指生物大分子或者蛋白质分子起先呈溶液状态，每一个分子在溶液里做运动，把这样的一小滴蛋白质溶液放到电镜载网上，两个轻轻一夹，在夹层薄薄的水膜非常快碰到液氮的情况下，就形成了玻璃态的冰，刚刚蛋白质的分子被固定到薄薄的冰里面了。这样的样品我们把它叫作冷冻样品，把这样一个样品放到投射电子显微镜中观察就叫作冷冻电镜。投射电子显微镜的高能电子数穿透每一个分子，像X光穿过每个人的身体一样，可以拍摄这个分子的形貌以及它的内部结构信息，在这样的一个冷冻电镜照片中我们可以看到很多孤立的蛋白质分子，我们可以用计算机的手段把这里面的每一个分子提取出来，长得相似的分子进行汇总、叠加、平均，从而获得更加精细图像的内部结构。

获得多个被分为四个不同方向的这样一个二维结构后，最后在计算机里通过三维重构的算法，奇迹发生了——我们可以在计算机里看到这个分子三维的模型，当模型细节足够丰富的时候，就可以解析到这个蛋白质模拟的三维结构，这个方法叫作结构生物学。

用冷冻电镜可以揭示很多细胞里面的生命过程的细节，像纺锤丝的精细结构缩短或者是变长的时候，它的末端发生了什么样的变化，我们可以用冷冻电镜对这个状态进行瞬间的固定。我们可以冻得非常快，可以捕捉不同瞬间，每一个瞬间都有电子显微镜进行仔细观察，最后帮助我们理解。

冷冻电镜可以帮助我们了解很多很有意思的生物学现象。大家知道辣椒很辣，是因为辣椒里面有一种小分子叫作辣椒素，这些辣椒素与神经末梢的蛋白质TRPV1结合在细胞膜上面之后，让这个膜蛋白的通道打开，让细胞膜内部离子向内部流动，这个流动会产生电流，这个电流通过神经纤维传递到大脑里面让我们感觉到辣。科学家利用冷冻技术解析了这个非常精细的结构，以及与辣椒素相互结合的结构，使得我们知道辣椒素使得通道开了，就可以让我们感受到辣。今天，冷冻电镜对很多细节进行分析，在应用当中已经有了非常重要的意义，尤其是可以助力新药的研发，可以帮助科学家开发抗癌药、止痛药、麻醉剂等其他很多新药，治疗疾病。

中国过去十多年里，建成了世界上最大冷冻电镜的设施，中国科学家们在冷冻电镜领域取得了很多举世瞩目的成就，引起世界广泛关注。清华大学施一公团队对老年痴呆症重要蛋白质进行解析，对于理解它的发病机理甚至开发重要治疗方法有重要意义。2019年，中国科学家利用冷冻电镜技术解析了世界上目前解析到最高分辨率、最大的病毒结构。同年，猪瘟病毒爆发，他们用冷冻电镜解析了猪瘟病毒的结构，对了解猪瘟病毒发病机理以及开发疫苗预防猪瘟病毒传染有重要意义。

今天，冷冻电镜技术以及其他的技术，使我们对一个细胞内的活动有很多理解。但走进细胞，看到更多变化，这需要很多代科学家的持续努力，希望更多人一起对生命科学的精细细节进行分析，一起对生命的奥秘进行深刻揭示。

腾讯量子实验室负责人张胜誉：

量子计算到底是什么

最近听到一个梗，“遇事不决，量子力学”。很有趣，这个意思是说，只要是我们搞不定的问题，就往量子概念上碰一下，很多问题会迎刃而解了，这当然是玩笑话。另外，社会上出现了一些像“量子波动速读”这样的伪科学理论。

跟整个主宰环境的经典力学不一样，微观世界中，你会发现微观粒子有一些很有趣的现象。第一个现象是叠加态，在宏观世界中一个物体在某一个固定时刻只能处于同样的一个状态，我这个人站在这里，在这个时刻我就是站在这个地方，但是在微观世界中，我又同时处在另外一个地方，比如我可以同时在巴黎出现。更加有趣的是，如果对这个粒子进行操作，会对它同时所处的两个状态都有影响，比如我同时处于这里和巴黎，我要举手，在这里的我和在巴黎的我是同时举手的。这在宏观世界中很难想象，但是微观世界中我们可以反复看到。

如果说叠加态还是可以接受，第二个事情更加反直觉，就是观察和测量。跟宏观世界中去观察测量不太一样，在微观中会出现对同一个东西、同一种状态，用同样的测量手段进行测量，每次出来结果是不一样的。举一个严重的例子，我想量一下自己有多高，介于发现我处于叠加态，有时候出现我有两米高，有时候出现我只有两厘米短，这在宏观中不可能，而且是很麻烦的事情。

量子纠缠，发生在两个甚至更多个物体上的一种很特殊的状态，这个状态不能够分为这两个或者是多个物体每一个单独状态的乘积，大体而言就是它们两个分不开，而且一个产生变化的时候另外一个也会产生变化。所以是不是听起来都觉得很奇怪，这么小尺度微观世界里面的物质呈现跟我们宏观所熟悉的日常生活中得到的直觉非常不一样。

说完量子力学的一些基本现象，再来看20世纪发展特别好的另外一个学科，就是计算。计算是什么意思？计算本质上是有一个输入，然后有一个指定输出。如果是简单的两位数、三位数计算，可以用一张纸、一支笔就算出来。但变为五百位数这么多甚至更多，计算就会很困难。很多密码学就建立在这样的基础上：找一些计算上非常困难的问题，全世界研究了很长时间都不知何解，甚至怀疑这个计算问题本质上就很难，就把这样的难题用做密码学的基础，构建了今天社会上很多跟电子商务有关，跟互联网相同的事情。这个事情在1994年发生了一个很大的变化，当时AT&T贝尔实验室发现，如果有一个量子计算机，可以把很大的数字很快分解出来，这个快和我们现在已知的最好的经典计算机场运行算法的差别非常大，这个大随着这个数字越长体现越明显，这不是经典计算机可以多买一些机器、多等它几个月就可以做的，而是你把全世界所有计算资源加到一起，一直计算到宇宙毁灭都算不出来的东西，可能量子计算机不到一分钟就算出来了。

大体而言，量子算法就是利用叠加态所产生的天然定性的能力，再克服一些困难，像测量本身的不确定性带来对原来物体状态的破坏等来实现的算法。但这里要划一下重点，并不是所有问题量子计算机都可以迎刃而解。很多问题我们理论上知道，量子计算机没有帮助或者有帮助并不是特别大。所以整个量子计算要研究一些根本问题，就是哪些计算问题量子计算机有帮助，有多大帮助及我们如何实现这些帮助，这就是量子计算的根本性问题。