摘要:2024年11月3日,2024腾讯科学WE大会,邀请5位世界顶级科学家,国家最高科学技术奖获得者、中国科学院院士薛其坤,诺贝尔物理学奖得主、加州理工荣誉教授基普·索恩,上交李政道研究所副所长、PandaX暗物质实验首席科学家刘江来,诺贝尔生理或医学奖得主、挪威
2024年11月3日,2024腾讯科学WE大会,邀请5位世界顶级科学家,国家最高科学技术奖获得者、中国科学院院士薛其坤,诺贝尔物理学奖得主、加州理工荣誉教授基普·索恩,上交李政道研究所副所长、PandaX暗物质实验首席科学家刘江来,诺贝尔生理或医学奖得主、挪威科技大学神经科学教授梅-布里特·莫泽,哈佛大学生物启发工程怀斯研究所所长唐纳德·英格伯,分享基础科学研究成果与前沿应用。
本期长期主义,选择2024年腾讯科学WE大会看点与回顾,国家最高科学技术奖获得者、中国科学院院士薛其坤演讲纪要,腾讯科学WE大会发布,六合商业研选精校,分享给大家,Enjoy!
正文:
全文8,227字
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2024年的WE大会看什么
时间:2024年11月2日
字数:617
第十二届腾讯科学WE大会,2024年11月3日正式开启,一起看看2024年有哪些精彩看点。
硬核科学从此好听、又好看
深邃的量子空间、扭曲的宇宙之面、复杂的神经元秘境,这些难以想象的科学空间,将在舞台上通过科技与艺术被具象化,每个画面都经过科学家们层层筛选与比对。科学家实验室里一些重要的科研装置,将在舞台上首次公开展示。
量子物理、真空涨落、网格细胞,在腾讯混元助手帮助下,科学家们演讲中提及的专业科学词汇,都会在直播画面中被划重点,即时找到释义。
主会场雨果厅,再续宇宙浪漫
2024年,WE大会从北京来到成都,在2023年世界科幻大会举办地,成都科幻馆举行,以2023年雨果奖的颁奖会场雨果厅作为大会主会场。
科学爱好者们,将在5位国内外顶尖科学家引领下,踏上一场最富想象力的科学之旅。
顶尖科学家分享前沿科学突破
最年轻的国家最高科学技术奖获得者,薛其坤教授,将会呈现神奇的量子世界,分享发现量子反常霍尔效应的科研故事及最新成果。
诺贝尔奖得主,基普·索恩,将揭示宇宙 扭曲之面,带来关于虫洞、时空旅行,或引发下一次物理变革的真空涨落的大胆理论猜想。
寻找暗物质的刘江来教授,将为我们展示世界地下最深实验室,地下2,400米的神秘隧道,公布最新捕捉到的宇宙声音。
诺贝尔奖得主,梅-布里特•莫泽教授,将揭开诺奖发现,对大脑定位系统关键构成网格细胞的完整探索过程,与她人生最重要的转折点。
世界上第一款器官芯片的发明者,唐纳德•英格伯教授,会带来关于全人芯片与医疗健康创新的全新视角。
2024WE大会全程演讲回顾
时间:2024年11月14日
字数:3,129
第十二届腾讯科学WE大会上,主题是科技树·转折点。正如电影《流浪地球》系列导演郭帆在开场独白中所说,看似遥远的理论,都成为改变人类历史的转折点。昨天的科幻,也许是明天的现实。
盘点2024年WE大会硬核好料
从车辆中速度计、到刷信用卡用的磁卡阅读器,普通人生活离不开霍尔效应。当将携带电流的固体材料,引入垂直于电流方向的磁场时,会产生横向电场,产生电压的神奇现象。
1879年,霍尔同学,当时24岁博士生在读,发现了这个现象。
他又想到,如果不需外部磁场、把实验材料换成自带磁场的材料,会怎么样?
经过试验,他把材料换成本身具有磁性的铁,发现反常霍尔效应。自那后,物理学与材料学都打开新的大门。
100年后,德国物理学家冯·克利青,把研究的材料从金属变成半导体硅,结果他发现量子霍尔效应。
在一代代科学家们不断实验中,用到硅、砷化镓、石墨烯,人们观察到不同版本的量子霍尔效应,为之沸腾,这有望为电子器件、信息技术、能源等领域,带来源源不断突破。
随之而来的是一个大问题:量子霍尔效应,需非常强的磁场来实现,比地球磁场强20万倍。
出了实验室不就熄火?有没有反常霍尔效应的量子版本救一下?
这个是薛其坤院士及其带领团队的工作:2012年,他们生长出完美的磁性拓扑绝缘体材料,在世界上首次发现不需外加磁场、只需这种材料本身的磁性而导致的量子霍尔效应,或者叫量子反常霍尔效应,实现从0到1突破。
能承载量子反常霍尔效应的磁性拓扑绝缘体材料,需具备三种看似互相冲突的特性:
磁性内部电子自旋排列整齐,大部分磁性材料导电,电子可自由移动;
拓扑性表面或边缘可以导电,内部绝缘;
绝缘性不能传导电流,内部电子被束缚住。
主打一个既要、又要、还要,类似让一个运动员干了全红婵、孙颖莎、潘展乐的活。
薛其坤院士带领团队通过紧密合作,经过艰苦探索,花了4年多,制备1,000多个样品,终于观察到量子反常霍尔效应。
被物理学家杨振宁,称为第一次从中国物理学实验室里做出来的诺奖级成果,让中国量子科技处于世界第一梯队。
薛其坤院士回顾自己成长,认为追求极致、永无止境极其重要,需把握好每一个实验的每一个细节。要做到这一点,需我们勤奋努力,持之以恒。
他用一句古人智慧鼓励追逐科学的年轻人们:不积跬步,无以至千里;不积小流,无以成江海。
2024年WE大会上,老熟人基普·索恩激情返场。
看过电影《星际穿越》的科幻迷们,一定对作为科学顾问的他不陌生。他对引力波观测有重大贡献,正不断探索黑洞、虫洞、时间机器的可能性。
这次,他分享令人惊奇的发现:我们宇宙卷曲面,与它的物质面通过真空涨落紧密相连。
物质世界很好理解,什么叫宇宙的弯曲?基普举了个例子,黑洞。
我们知道,黑洞由卷曲的空间与时间组成。可以想象一下,一张有弹力的蹦床里砸进去一块大石头,是什么样?
真空涨落是什么?基普举了个例子:
拿出一只盒子,取走所有可以取出的东西,只留下真空。根据量子物理定律,真空中一定包含微小波动,所有可能存在盒子里的东西,都会随机闪进闪出,比如光、X射线、伽马射线,电子、正电子、质子、中子的随机波动。
俄罗斯著名物理学家雅可夫·泽尔多维奇曾说,只要遇到迅速收缩,或者是迅速膨胀或扭曲的空间,真空涨落就会开始胡吃海喝,吸取能量,将自身转化为实际物质粒子。
基普老朋友霍金受此启发提出:黑洞在诞生过程中,会将真空涨落转化为辐射,并在此后数百万年中,逐渐从黑洞世界中陷落释放出来。
其他科学家们推测,宇宙在诞生早期,以指数级速度快速膨胀,利用物理定律证明,如果宇宙存在暴胀,从大爆炸奇点中产生的真空涨落,从膨胀的空间中吸取了恰到好处的能量,通通转化成今天充满宇宙的物质与辐射。
最后,基普聊到自己老本行:虫洞与时间穿越。在他看来,真空涨落这种特性,也许可以被用来制造具有负能量的奇异物质来维持虫洞开启。
这是不是真的可行,要等年轻的科学家与工程师们共同发现。
此时此刻,每秒钟,大约有多少暗物质粒子正在穿过我们每个人身体?答案是大约1亿个,你浑然不知。
与普通物质不同,暗物质不跟光发生作用,不参与强相互作用。它们可以隐身,穿透性还特别强。
它们为什么重要?
按照引力理论推断,越往星系外侧,恒星绕着中心的旋转速度应该大幅度降低,观测到不是这样。到星系边缘,旋转速度还是非常高速。
科学家们认为,必须在星系中塞入一些我们看不见、摸不着的全新暗物质,才能解释。
没有这些暗物质提供的引力相互作用,整个星系就会分崩离析。
宇宙中95%是暗物质与暗能量,捕捉到暗物质,将带来人类认识宇宙的重大飞跃,甚至可能带来新的物理学革命。
要怎么找?
目前,探测暗物质的方法主要有三种:直接探测、间接探测、对撞机探测。
直接探测,是把一个非常灵敏的探测器,放到非常安静的环境中,等待暗物质粒子到达探测器,与原子碰撞后,捕捉碰撞后原子的反冲信号。
刘江来在做的,是直接探测实验。他投身到位于四川大凉山的中国锦屏地下实验室的PandaX暗物质实验,尝试寻找暗物质的踪迹。
这是国内首个大型液氙暗物质地下直接探测实验,也是世界上最深的暗物质实验室,在地下2,400米。
极深的地下,能屏蔽来自地表的宇宙射线,锦屏山的山体又像是一个漏筛一样,让所有暗物质都可以漏过去,跑到探测器中。
而在地下不断深挖暗物质过程中,科学家们也有重大收获:
PandaX-4T实验,给出世界最好水平的暗物质-核子相互作用上限,发现太阳中微子与氙核弹性散射迹象。未来,实验会继续升级。
刘江来最后借用《三体》的一句话:弱小不是生存的障碍,傲慢才是。
我们对宇宙知道得还是太少,我们要保持谦虚,不停止探索与理解它。
你身边有没有从来不迷路的人,羡慕。
你有没有想过,我们大脑是怎么导航的?
梅-布里特·莫泽女士是研究这方面行家,2014年,她作为网格细胞发现者之一,获得诺贝尔生理学或医学奖。
我们知道,大脑里有数十亿个神经细胞,它们工作时会发出电信号 。网格细胞十分神奇,它们具有显著的空间放电特征,能形成覆盖整个活动空间的网格图案,以类似等边三角形的结构为最小单位。
动物自由移动时,不管是停下来、转弯,还是飞速前进,它们都能非常规律在特定位置精确发出电信号。
网格细胞,是大脑里一种空间编码方式,它们形成一个坐标系,让大脑能像GPS一样不断标记事件位置。
这带来许多新的问题:
这样能力能否通过后天学习形成?
这种细胞,能否为阿尔兹海默症治疗带来新的可能?
正是这些源源不断好奇,让莫泽女士在科学道路上沿着心中地图不断奔跑。
类似她最喜欢的皇后乐队的一首歌曲《I Want It All》里唱的那样,我要为未来找到一条路,我统统都要,我现在就要
一出场,唐纳德·英格伯就掏出一块类似透明手机卡一样的东西。
长得不像任何器官,它是一块器官芯片。
器官芯片中铺着人类活细胞,可以把它看作是人体活器官的三维切片,具有该器官核心功能。
目前,全球科研人员几乎开发了能想到的每一种器官芯片模型,证实它们能模拟特定器官功能,比如淋巴结中免疫反应、肝脏代谢功能、肾脏排泄功能等。
唐纳德·英格伯与团队甚至成功开发出,集成大脑、心脏、肠道、肝脏、肾脏等多个器官芯片的人体芯片。
实际应用中,这些器官芯片可以使药物开发过程更快速、更经济,让药物更加安全。
比如,测试结果显示,肝脏芯片在预测药物肝毒性方面的准确率,比动物模型高出7~8倍。测试还做了成本分析,估算如果用人类肝脏芯片替代动物实验,每年可以为制药行业节省20~30亿美元。
未来,科学家们甚至可能为各类患者群体定制专属人体芯片用于药物测试,最终实现疾病的个性化精准医疗。
12年来,腾讯科学WE大会,邀请宇宙学家斯蒂芬·霍金、数学物理学家罗杰·彭罗斯、图灵奖获得者姚期智、量子物理学家潘建伟等近百位全球顶尖科学家及科技工作者,将宇宙学、理论物理、生命科学、地球科学、空天科技、信息科技、智能制造等十多个领域的基础科学研究成果及前沿应用分享给每一位热爱科学的普通人。
薛其坤:探究微观量子世界
时间:2024年11月18日
字数:4,391
量子科技正处于新一轮科技革命的前沿。
中国国家最高科学技术奖获得者、中国科学院院士薛其坤,带领团队历经4年、反复试验逾千次,成功制备出一种兼具磁性拓扑性绝缘性的新型材料,在实验中发现该材料具备量子反常霍尔效应。
这一从0到1的突破,被物理学家杨振宁,称为从中国实验室里第一次做出诺贝尔奖级的物理学成绩,推动中国量子科技迈入世界顶尖行列。
薛院士在WE大会现场带领观众深入探索微观量子世界,展示最新的实验样品。
演讲最后,他强调:要在重大科学问题上取得突破,必须在每一次实验、每一个细节上做到极致。
薛院士演讲全文
今天我与大家聊一聊微观世界、量子世界的奥妙。
我今天演讲题目是《探究微观量子世界》,特别是以最近几十年这个领域一些进展,与大家揭示一下量子世界究竟有多么奇妙。
我们首先复习初中物理知识欧姆定律,欧姆定律是接近200年前,德国物理学家欧姆提出的非常经典的电学规律,说的是通过一个导体,导体电阻与加在导体两端电压差成正比,与流过这个导体的电流成反比。
换句话说,流过这个导体的电流,正比于加在导体两端的电压,反比于材料的电阻。材料电阻越大,越绝缘;额定电压下,电流越小。
欧姆定律,讲的是沿着电流流动方向关于电压、电阻、电流基本关系的科学规律。
我们很好奇,就想问在垂直于电流流动的方向上,是不是也会有类似欧姆定律关于电流、电压、电阻关系的东西?答案:是。
这是欧姆定律提出50多年后,1879年,由美国物理学家埃德温霍尔发现的霍尔效应。
霍尔效应实验,是非常精妙的实验,他把这个导线变成一个平板,当时用的材料是金。在垂直于金的平板方向上,再加一个磁场,沿着电流流动的方向,仍然有欧姆定律存在。由于这个磁场下,流动的电子受到洛伦兹力作用,它会在垂直于电流的方向也发生偏转。
类似这个动画里显示的这样,在这样一个磁场下,电流除了欧姆定律方向的电流在流动,电子还在横向发生偏转,形成电荷积累,形成电压。这个电压叫霍尔电压,这个现象是霍尔效应。加一个磁场就可以产生霍尔效应,我们想问,是不是不需磁场,也能实现这样一个非常伟大的霍尔效应,答案也是这样。
他发现霍尔效应1年后,做了这样一个试验,把材料金换成铁,靠铁本身磁性产生的磁场,发现类似的霍尔效应。科学机理完全不一样,命名为反常霍尔效应。
不管怎么样,霍尔效应、反常霍尔效应,是非常经典的电磁现象之一。
为什么?它用非常简单的科学实验、科学装置,把电与磁两个非常不一样的现象,在一个装置上完成。
霍尔效应非常有用。
今天我给大家列举一些大家非常熟悉的例子。
比如测量电流的电流钳,我们读取信用卡的磁卡阅读器,汽车速度计,都是霍尔效应的应用。它已经遍布在我们生活每一个方面,是极其伟大的科学发现,对我们社会技术进步带来极大便利。
这不是这个故事的结束,100年后,德国物理学家冯·克利青,把研究的材料从金属变成半导体硅,结果发现量子霍尔效应,或者说霍尔效应的量子版本。
他用一个具体材料,是我们熟知的每一个计算机、每一个芯片都有的场效应晶体管。这个场效应晶体管中有硅与二氧化硅的分界面,在这个界面上有二维电子气。是在这样一个体系中,在半导体材料中,他发现量子霍尔效应。
强磁场下,冯·克利青发现霍尔电阻,=h/ne2,h是以普朗克科学家命名的常数,是自然界的物理学常数;n是自然数,1、2、3、4、5;e是一个电子带的电量,这是非常伟大的发现。
为什么呢?我一说就明白,测到的霍尔电阻与研究的材料没有任何的关系。
硅,可能任何材料都会有这个,它只与物理学常数,与自然界的一些基本性能相关,与具体材料没有任何关系。它打开了我们认识微观世界、认识自然界的大门。
量子霍尔效应,给我们材料中运动的电子建造了高速公路,电子的高速公路上,它的欧姆电阻,平行于电流方向的电阻变成0,像超导一样。用量子霍尔效应这样的材料做一个器件,它的能耗非常低。
今天看到的是两条道的情况,是n=2。
如果n=3,这个高速公路的一边有3条道;如果n=4,电子的高速公路变成4条道,这样一种理解就把自然数n,1、2、3、4、5、6、7、8,与微观世界的电子高速公路密切结合起来。我们对自然界的理解,对量子世界的理解,又大大前进一步。
冯·克利青在1980年发现量子霍尔效应后,由于这个巨大科学发现,5年后他被授予诺贝尔物理学奖。
硅有量子霍尔效应,是不是其他半导体材料也会有量子霍尔效应?
有三位物理学家在第2年,1982年,把研究材料从硅变成可以发光的砷化镓,结果,他们发现分数化的,不是一二三四了,1/3、1/5,分数化的量子霍尔效应,1998年,这三位物理学家获得诺贝尔物理学奖。
在我们这个世纪21世纪,有两位物理学家利用石墨烯这个量子材料,继续做100年前霍尔效应实验,发现半整数的量子霍尔效应。
随着量子霍尔效应不断发现,我们对自然界、对材料、对量子材料、对未来材料的理解,在电子层次上、在量子层次上逐渐加深,推动科学,特别是物理学巨大进步。
量子霍尔效应有很多应用,今天我讲一个大家比较熟悉的应用,重量的测量。
我们每天都希望测体重,重量的测量无处不存在。
1889年,国际度量衡大会定义公斤千克的标准,是9:1的铂铱合金做成的圆柱体,后的100多年,全世界都用这个做为标准称重量。
在118年后的2007年,我们发现这个标准变化了:减轻了50微克。一个标准减少50微克,是一个巨大变化,全世界的标准不再标准,随着时间推移,也会进一步变化。我们需更精确,可以用得更久的重量标准。
2018年时,国际度量衡大会重新定义公斤的标准,那是基于量子霍尔效应,与另一个诺奖工作、约瑟夫森效应提出了一个全新的称,叫量子称或者基布尔称,它对重量的测量精度可以达到10的负8次方克,是由物理学的自然界常数所定义,1万年、10万年、1亿年也不会发生变化,这是我举的一个大家能理解的例子。
刚才我提到三个不同版本的量子霍尔效应。
它们需一个磁场,类似霍尔效应一样,一般情况下需要的磁场都特别强,一般是10个特斯拉,1万个高斯,这是非常强大的磁场,我们庞大地球产生的磁场只有0.5高斯,我们要用的磁场是地球磁场强度的20万倍。
能不能把它去掉磁场,也能观察到量子霍尔效应?我带领团队与合作者一起,在2013年时完成这个实验,在世界上首次发现不需任何磁场、只需材料本身的磁性而导致的量子霍尔效应,或者叫量子反常霍尔效应。
这样一个发现,是不是也是材料驱动的?是的。
我在这里给大家复习一下我们所熟悉的材料,在我们一般人概念中,我们自然界的材料只有3类,导电的金属,不导电的绝缘体,还有一个是半导体,介于两者之间。
第一代半导体有硅、锗,第二代半导体有砷化镓、锑化汞,第三代、第四代还有氮化镓、碳化硅、金刚石等。
研究材料与材料的相变基础上,包括量子霍尔效应上,有两个物理学家,一个是华人物理学家张首晟,与宾夕法尼亚大学Charles Kane,在这基础上,他们提出全新的材料:拓扑绝缘体。
什么是拓扑绝缘体?上面最左边是陶瓷碗,绝缘、不导电的。再朝右是金做成的碗,导电的,叫导体。
拓扑绝缘体,是一个陶瓷碗,镀了一层导电的膜。
如果把这个镀了膜的碗,进一步进行磁性掺杂,使它有磁性,就会变成一个只有边上镀金的碗,这个边上镀金碗,叫磁性拓扑绝缘体材料。
按照张首晟等的理论,它就可以让我们能观察到量子反常霍尔效应。,这个材料是一个三不像的矛盾体:它有磁性,它要拓扑,它还要绝缘,我们还要把它做成薄膜,这就要求一个运动员篮球打得像姚明好,跑步像博尔特快,跳水要全红蝉伶俐,这样的材料非常难以制备。为什么呢?大部分磁性材料都是导电的,铁、钴、镍都是导电的;磁性与拓扑在物理上是很难共存的;还有一点,在两维薄膜的情况下,很难实现铁磁性,使这个才有真正的磁性。真正观测到量子反常霍尔效应,在实验室看到它,这是一个极其具有挑战性的实验。
我带领团队与三个团队紧密合作,我们动员20多位研究生,奋斗4年,尝试一千多个样品,最后在2012年10月,全部完成量子反常霍尔效应发现,完成实验。我们证明了在边上镀金的碗磁性拓扑绝缘体中,存在量子反常霍尔效应这样新的规律。
今天,我特别把当时发现量子反常霍尔效应的样品带到现场。看到很多电级,电级之间有方块,每个方块上是首先观察到的量子反常霍尔效应的样品。
这里我放了我们四个团队负责人,坐着的,与我们团队核心骨干的照片,最左边是马旭村老师,再朝那边是吕力老师,最右边是王亚愚老师。我们一起攻关奋斗,最后分享了这个科学发现的快乐。
这里我再给大家讲一下制备这个材料,对原子磁场的控制,对科学发现非常重要。
这是一个例子,我们学生制备的,采集的一些照片。中间大家会看到,拓扑绝缘体碲化铋薄膜的扫描隧道显微镜照片,上头每一个亮点代表一个原子,更重要的是,在这个范围内找不到一个缺陷。说明我们材料的纯度非常高,我们在其他材料中也能做到这个水平。
这是另一个拓扑绝缘体材料:硒化铋。这么大范围内,你只看到你想要的原子,没有任何缺陷,薄膜是原子级平整,这为我们最后发现量子反常霍尔效应奠定非常好的基础。
通过这样一个科学发现,在我们实验中,我们发现追求极致、永无止境极其重要。我要求我学生对实验仪器的把握要了如指掌,我要求他们把握好每一个实验的每一个细节,把每一个实验都做到你能力的最好。要做到这一点,需要我们十分的勤奋,要勤奋努力,要持之以恒。
我们这种做法,先人的智慧早就告诉我们。我在这里,把大家熟悉的荀子《劝学》的一部分内容放在这里。不积跬步,无以至千里;不积小流,无以成江海。积土成山,才能风雨兴焉;积水成渊,才能蛟龙生焉。只有我们把一个个的土积成山,你才能成气候、成风雨,才能实现科学突破,道理是完全一样的。
最近,我们继续在朝这个方向努力,我们正在攻克的一个问题,是高温超导机理这个重大科学问题。
我再次放了博士后制备的研究高温超导机理异质结样品的电镜照片,从图片上可以看到有5个样品,不同颜色代表这个异质结的结合部。
每个亮点,几乎是接近一个原子,我们制备的异质结,两个材料的结合部,几乎达到原子尺度的完美,只有这样,我们才能在这样一个非常难以攻克的高温超导机理上有所作为,我们会沿着这个方向继续努力下去。
报告结束之前,我想与在座的各位观众、听众分享两点。
通过我这个报告,基础研究,会造就科学上发现,这些发现会不断加深我们人类对我们所处大自然与世界的认识。
科学发现常常会导致颠覆性技术发展,这些技术积累,有时会导致一次革命的到来。
作为老一辈,老一点的科学家,我在这里衷心呼唤,希望年轻人要保持小时对自然的好奇心、对科学好奇心,热爱科学,崇尚科学,敢于从事科学。
2024年6月全国三会上,全国科学大会、国家科学奖励大会、两院院士大会上指出,现在我们距离建成科技强国,只有11年时间,我们要以10年磨一剑的坚定决心与顽强意志,只争朝夕,埋头苦干,一步一个脚印把这一战略目标变为现实。
希望更多年轻人,加入到科技强国建设中,我们如果能建成科技强国,发展高科技,不但能强大我们国家,我们也会为人类科学进步,作出我们中国人的贡献。
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来源:六合商业研选