中科院格致论道讲坛

出品：中国科普博览 SELF格致论道讲坛

导语：在SELF讲坛上，来自国家体育总局体育科学研究所洪平这样阐述他的工作：“我们体育科技工作者是配合教练员让运动员充分发挥自己的潜力，自我完善、自我挑战，代表整个人类去挑战人类的期限”。一枚奥运金牌的背后，除了运动健儿的汗水，还有针对每位运动员体质的科学训练计划。“运动员在不断发育，在肌肉敏感期、心脏敏感期，我们要寻找他发育的时间点，看他的生物发育年龄，而不是社会年龄。还要看他的健康状况、体能、力量、速度、耐力、灵敏等，看这些体能是否匹配，战术是不是最好的组合，心理是不是足够坚强，个体是不是服从指挥等……这是整个训练学过程中所要强调的多个学科。”

---专家介绍---

国家体育总局体育科学研究所研究员 2008年北京奥运会、2010年温哥华冬奥会、2012年伦敦奥运会、2014年索契冬奥会、2016年里约奥运会科技专家组成员

---力量，洪荒之力的物质基础---

里约奥运会让洪荒之力成了热词，那么什么是洪荒之力呢？

我们都知道奥林匹克精神是更快、更高、更强。那么有没有最快，最高，最强？答案是没有，为什么呢？因为人类的身体是有一个极限的，这个极限究竟在什么地方是一个重大的科学问题。医生可以告诉你血糖高了怎么控制、血压高了怎么治疗，但是谁可以告诉我们，我们的心脏能承受的最高跳动次数，我们的血压最高的承载负荷以及我们奔跑的速度、跳跃的高度，这样的极限是什么？如果说有一类人可以代表整个人类去挑战人类的极限，那一定是运动员所能发挥出来的洪荒之力。那么在这个过程中我们能做什么呢？

要有合理的营养

我们首先看博尔特，他为什么能跑这么快？有一个物理学原理牛顿第二定律，人从静止到跑起来从低速到高速是一个加速的过程，物理学定律告诉我们，没有力量就没有加速度，所以力量是驱动博尔特速度越来越快的核心动力。所以要想跑的快首先要有力量，洪荒之力就是来源于此。而决定力量多少的是什么？是我们的肌纤维，我们普通人的肌肉或许不是很强壮，大概算是一个两缸的发动机；但是博尔特的肌肉体积和质量就比我们普通人要大很多，他大概是一个八缸的发动机，所以他的动力就比我要强很多。另一个非常重要的因素是神经，神经要控制我们的肌肉，也就是大脑对神经冲动的支配和肌肉肌纤维的物力，不如我有两缸的力量，但是我的神经只能控制一个缸去运动，而博尔特有八个缸，因为他的神经训练地到位，他八个缸全部能动起来，那他能不比我跑的快得多吗？这是力量的来源和它的控制。

要研究博尔特为什么跑得那么快，就需要去了解博尔特的力量是多少？我们举例来看看力量的衡量标准，比如说马龙卧推230公斤，乔丹卧推200公斤，奥尼尔卧推198公斤，而我们中国最著名的中锋卧推150公斤，我们整个篮球界的平均水平大概是120公斤左右，有很多运动员都推不到100公斤。试想我们去打乔丹，200公斤对100公斤，一对抗，你倒地他站着，这就是为什么力量是决定我们比赛胜负的物质基础之一。

---如何增加力量---

既然力量在这个过程中这么重要，那么什么对力量又起着重要的作用呢？通过比较我们发现，我们和NBA的身高相差5厘米，但体重要少9公斤，而代表人体身体密度的克托莱指数要相差36，这是什么概念？就是说我们的身体密度没有别人大，而这个身体密度就是由我们身体里面的肌肉密度和脂肪决定的。也就是说，身体密度对力量起着非常关键的作用，换句话说，肌肉密度和脂肪密度对身体力量有着非常重要的作用。NBA球员浑身都是腱子肉，而我们很多运动员身体的脂肪含量相当高，试想一下，一个100公斤的运动员如果身体脂肪含量是25%，那他就有25公斤的脂肪，如果力量不变，我减少5公斤脂肪，质量下降是不是加速度就会提高？还有一个如果把他5公斤脂肪像衣服一样脱下，我往上一跳，落地，我的膝关节的受力是不要小很多？我的运动损伤是不是就会小很多？所以身体的质量、肌肉的质量和力量之间的关系和损伤的关系就不言自明。

这样我们就会知道，我们希望一个运动员吃更多的优质蛋白质，因为蛋白质是肌肉的物质基础。这也是为什么NBA球员有很多禁忌——不能吃热狗、不能吃汉堡、不能吃全蛋、不能吃糖果、不能吃黄油、不能吃熏肉、不能吃煎制食品、不能吃冰激凌，为什么？含脂肪太多，所以，我们要成为一个优秀的运动员或者我们要成为一个科学的健身爱好者首先要管好我们的嘴，提高我们摄入食品的有效质量。这是第一部分合理的营养。

---制定科学的训练方案---

每一个运动员他的身体状态和训练水平，比如说抽血、比如测他的速度、测他的力量、测他的心肺功能、测他运动完以后的血乳酸、测他的纵跳的高度等等，了解他的身体机能和训练水平为他设计科学的训练方案。

一个比赛周期的训练方案，首先要打好物质基础，然后提高肌肉的体积，肌肉体积提高了，肌纤维的数量和质量提高了，有了这样的物质基础我们再去练标准的动作使他技术定型，然后再提高它的爆发力使他的力量更有质量，提高爆发力晚了以后再提高力量耐力使他可以多次的奔跑和对抗，然后维持在一个较高的水平去比赛。这只是一个力量的过程。还有技术的过程、战术的过程和速度的过程，所以整个训练计划的设计是一个多维度的复杂的过程。

基于这样的一个设计我们会去了解每一个训练手段怎么开展，比如说我要练投篮，投篮这个动作引体向上可不可以？还是卧推可以？引体向上是不可以的，因为引体向上是远固定，卧推是静固定，而投篮是静固定的过程，这是一个简单的现象，所以我们首先要做分析需求。然后选择要练习什么肌肉再去选择练习的方法、练习的频率、练习的顺序、练习的数量及间歇时间，这才是一个完整的科学的训练计划。

比如说第一组蹬腿、卧推等等然后15个，然后之间休息2分钟，再做第二组，第二组强度更大，每做完一个15次一分钟跳绳，做完一次15一分钟跳绳，这样强度就很大了，把这些元素都贯彻其中这就是完整的训练计划。

然后还要控制运动的速度、运动的稳定程度以及呼吸的方式，提高我们的训练质量。然后强化训练质量包括教练员指导严格的计划、正确的动作、全神贯注、热身、不要我行我素，要做牵拉练完以后，最后把所有力量转化为我们的专项力量、专项技术有这么一套流程。还有我们要依据他奔跑的能力为他选择不同的鞋，鞋改变不了我们可以为他制作鞋垫来提高他这个轮子的抓地能力，对吧，这样才能保证我们整个训练的科学开展。

---好车加好油，人也一样---

在这个过程中F=MA有肌肉了，肌肉的能源从哪儿来？能源从糖、脂肪和蛋白质来，那么对于运动员来说这辆好车要加好油，什么是好油？糖、碳水化合物、碳水化合物充分燃烧生成二氧化碳、水和能量，没有尾气，而脂肪和蛋白质的燃烧可能就会产生一些废气，我们有时候称它为比如说血乳酸，那么氧气进入身体要有肺活量，对吧，肺活量，那么肺活量越大氧气进入了身体和血红蛋白结合，血红蛋白结合在红细胞里面，红细胞运行在血管里面，血管把氧气运到身体的各个组织细胞。什么意思？有很好的肺活量、有很多的氧气瓶、有很快的运输车、有很畅通的公路到一个非常好的发电厂，能源物质+氧气充分燃烧生成能量，这是我们运动员产生能量驱动力量的这么一个过程。所以我们要评价运动员的肺活量、运动员的血红蛋白、红细胞、血管、心脏的功能及他线粒体酶的活性才能保证它整个的代谢是稳定的、顺畅的、高功率的。

我们怎么做？我们跑步的时候戴氧气面罩、游泳的时候戴氧气面罩，自行车戴氧气面罩，通过速度越来越快来评价氧气和二氧化碳的比值，氧气排放越来越多、二氧化碳越来越多，最后达到一个最高值，我们叫最大适氧量，这个过程中所对应的心率就是最高心率，心跳最快的速度，我们就可以通过这个心率来评价运动员承受的负荷的强度，这个强度决定着运动员训练的能力、水平和他自身提高的幅度。而这些氧气的供给、有氧和无氧能够代表的不同能源物质供能的功率、持续时间和稳定性。

有了强度以后，我们就可以用心率、呼吸频率、血乳酸、肌酸激酶、主观疲劳量表这样的一些生理生化物理学指标来评价我们的训练强度，而强度是所有训练的核心。在这样的指导下是不是就完善了？不是，我们运动员要做好充分的热身活动，我们篮球比赛经常会看到运动员第一节打比赛，汗流如注，气喘吁吁，为什么，因为人体的肌肉是这种运动机对氧气的需求是瞬间的，而人的呼吸肌是平滑肌，对氧气的供给有惰性，氧气需求特别高而呼吸肌没有兴奋起来，氧气供给不足所以人气喘吁吁。当你跑1500米，跑第一圈的时候没事，跑第一圈半的时候喘不过气来想放弃，那个点叫极点，又叫第二次呼吸，当你顶过来以后氧气供给和需求平衡了，气顺了，跑起来就舒服了，运动训练也是如此，首先要做热身让运动员的心肺功能充分动员再去进行训练和比赛。

那么训练完、比赛完以后产生了很多废气比如说血乳酸这种物质，我们要在训练以后通过休息当中恢复呢还是让他慢慢的跑，还是让他持续性的跑？研究表明训练完或者运动完以后慢跑20分钟血乳酸消耗的最快，所以我们做完健身以后也要去做放松活动，不是跑完了就完了而是不能放弃放松这么一个重要的步骤。

---运动员PK老百姓，如何进行科学健身---

这是一个伟大的球员——张伯伦身高2.16米，100米10秒9，相当快，400米47秒，跳高2.02米，能跑能跳，持续时间还长，这是一个伟大的球员，在这样科学的系统的训练下能够成为一代传奇，他对我们老百姓有什么作用？我们看一个38岁的女子，她要两个多月挑战120公里的戈壁，她喜欢，怎么办，她来我们这儿做测试，首先做运动风险筛查证明她的心脏、她的各个器官是符合健康的要求的，然后去了解她的身体机能、评价她的身体结构、确定她的强度、了解她的负荷、然后去诊断她的伤病，去对她的跑步姿势进行科学的分析，帮她纠正跑步的姿势，然后进行力量训练、进行田径场的匀速训练、进行现场的训练包括她的鞋、她的装备、她的饮料如何选择。然后通过两个多月的训练她体重降了0.5公斤，可是肌肉长了2公斤。多好的现象，肌肉长了有力量了，体重降了损伤小，然后她的跑步姿势得到改善，然后她的强度达到了比赛的这种强度，最后她挑战120公里成功！大家有兴趣可以看中央十套走进科学征战戈壁，三集，收视率很高，里面有很多知识点，跌宕起伏。

对于一个爱好者是如此，那么对于老百姓运动是什么？运动是良药，可以带来健康、可以消除一些慢性疾病，可以控制我们的糖尿病、可以控制我们的血压甚至对心理学也有很好的改善，但是我想强调一句，运动是良药，是药三分毒，现在很多马拉松比赛80%以上的人群有受伤，有一次比赛有两万人其中有九千人肌肉拉伤，什么原因？赛前没有做好充分的热身和牵拉，如果提前做这些准备，这些运动伤害就可以避免，所以我希望大家记住“运动是良药，是药三分毒”！

现在国际上有一个概念，把每个病人都当成运动员来看，什么意思？病人要回归健康叫康复，病人回到家庭走向社会他要成为一个正常人，病人还要回归岗位去工作，成为一个对社会有贡献的人，怎么样树立目标，像运动员一样对待他们？训练他们康复，健康，能够胜任社会的责任，所以这是目前我们在大力推广的活动。

那么运动对一个人的一生来说，孩子们从小爱运动肥胖率可以减少30%，请假的天数可以减少2天，受教育程度越来越高，工资收入会增加，然后他的医疗保健的损耗会降低等等。如果他不爱运动他可能就会肥胖、他可能会因为请假多学习不太好所以工作以后的工资下降，他的医疗保险会增加，他最后导致他这个寿命可能会减少5岁，以及他会遗传下一代。父亲不爱运动、母亲不爱运动，他的孩子可能也不爱运动，这是影响到一生的一种生活方式，所以我们提倡每个人都坚持锻炼，终身锻炼。这是我们所倡导的。

那么，这种锻炼的科学的指导需要什么？需要像我们今天这样的知识的传播、需要通过知识形成理念，通过理念指导来我们的行为，通过行为来形成我们的习惯，运动可以成瘾，看看那些痴迷马拉松的人，运动是可以成瘾的，成瘾其实就是成为了一种习惯，在这种习惯上我们幸福一生、健康一生是多么完美的一件事情！没有全民健康就没有全面小康，中国有14亿人，我们如果体质不够强壮，我们还会是东亚病夫吗？中国有很多老年人，如果老年人身体不好，家庭的负担以及家庭的幸福就会受到影响，我们的劳动者如果身体体质不够强壮，我们的生产力就会下降，我们的青少年如果成为军人，他们体质不好就没有办法保家卫国，所以体质增强，促进健康是关乎中华民族可持续发展的重大问题，所以我们要做的是推动全民健身和全民健康深度融合，真正去挖掘中华民族伟大复兴的洪荒之力。

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导语：餐桌上的美味番茄，它真的是一个没有故事的女同学吗？当然不是！“跑题”女王王欢欢，在SELF讲坛上从《加勒比海盗》讲起，讲述这颗“恶魔果实”如何见证阿兹特克纷争、大航海时代、南北战争，又是如何被人类慢慢接受成为佳肴的300年历史。在你看来一点儿也不起眼的小事，却让王欢欢深深着迷，她说“看似无关的知识点，却有着千丝万缕的联系，并呈现出一个个不可思议的世界截面。”

---嘉宾介绍---

王欢欢

科普畅销书作者 代表作品《美好百科：这个知识点超纲了》 《美好百科2：糟糕！我的脑子在跑》

我在写百科文章的时候，非常喜欢从一个知识点走着走着跳到另一个知识点，有时候不是故意的，就是好像你在写作的过程中你脑子在旅行，然后你先写一件事情写写写，然后前面有一个岔路口，你就忍不住转向，然后走走走又走到了一个岔路口，又发现了一个新的很有意思的事情，这个事情又让你联想到别的事情。很有意思的是当你写完一篇文章的时候，你会发现联结了很多个在之前好像看似八竿子打不着的一些事，连在一起的时候你会发现，有时候它会呈现出来一个完全不同世界的截面，然后这个截面至少当时让我很新鲜，或者给我的读者一个新的看世界的视角，这就是美好百科在我这几年一直在做的事情。

跑题这个事情很有意思，所以今天虽然说是从番茄开始讲的，但是我打算从我最喜欢的加勒比海盗开始讲。我相信《加勒比海盗》这部电影没有人不知道的，尤其是第一部电影的评分是最高的，现在拍了有到现在，我们就不说了，反正强尼德普叔刚离婚，他也需要赡养费嘛，《加勒比海盗1》是一部杰作，它的分级的第一部的名字叫作“黑珍珠的诅咒”，不知道大家还记不记得，因为已经是很多年前的电影了。

这部电影里面有一块金币，就是这块，奈特莉戴的这块金币，故事可能是说很多的海盗拿到了这个金币之后受到了诅咒，然后他们要想办法把所有花出去受到诅咒的金币收回来，还回一个山洞，这样他们的诅咒就能解除了，然后中间就打来打去的这么一个故事，大家可以看到就是这个金币和我旁边找到的玛雅文化的图腾，你就会发现这个金币除了旁边骷髅头以外，旁边的这一圈还有其他的花纹，其实都跟玛雅图腾一样的，为什么呢？这个是跟加勒比海附近，包括地理大发现那个时期的很多历史有关，受诅咒的金币名字叫作阿兹特克金币，如果你稍微了解一下会知道金币有个传说，当年在它发现的初期，西班牙的海军带了两千人登上中美洲大陆，当时印第安的阿兹特克土著帝国，他们当时上去花了两年的时间就把阿兹特克帝国全灭了，人杀了大半，当时是非常悲惨的一个状态，有钱的阿兹特克的贵族呢当时凑了一大箱金币给西班牙来的征服者，求他绕过他们的性命，金币送给他，但是西班牙人收到金币以后并没有饶过阿兹特克，他们把阿兹特克基本都拆光了，他们当时有一个很大的白色的都城，基本上拆光了还建了新西班牙是殖民者的建的城市，死去的阿兹特克人满怀怨恨，他们就给他们送出去的金币施了魔咒，所以每个在几百年后这些倒霉的海盗拿到金币之后依然会被金币诅咒。

传说我们是找不到出处的，关于各种玛雅神秘的传说非常的多，有很多也不知道来源在哪里，但是关于阿兹特克和西班牙人的这段历史，其实是非常惨痛，甚至是让人耸动的程度。所以说，当你了解到历史的时候，阿兹特克真的是有玛雅文化带给他的神力的话，下诅咒是一个理所当然的事情。

我们可以看到征服者的照片，这位看起来脾气很不好的老先生名叫埃尔南克尔图斯，就是他带领着两千西班牙人上了阿兹特克，打败了当时最勇敢善战的民族，这个地方当时是跟印加古帝国同样大小并驾齐驱的一个帝国，他们是非常英勇善战的，所以在两年之内就被埃尔南克尔图斯的人打跑了，基本上就是被灭族的原因是因为，埃尔南非常不地道的送了他们一些含有天花病菌的毯子，当地人实际上是没有这种免疫力的，所以就是他们就很快病倒一大片，就像割苞米一样的倒下了。这个时候包括很多欧洲人都说埃尔南真实人间禽兽啊，人家极品啊杀了这么多人。埃尔南要找一个借口说我为什么要搞屠杀，他找到了一个理由，因为阿兹特克人是活人祭祀的。然而阿兹特克人其实在平时他们是不太吃人，别说不太吃人，就连肉都不怎么吃，不养猪不养羊不养牛，他们的家里可能会有鸡野兔，大部分吃的菜园子里的东西，因为当时美洲有辣椒、玉米、甘薯、巧克力，有很多各种美味的事物可以供他们食用，其实他们是一个吃素的名族，他们为什么要搞活人祭祀，是因为他们觉得这辈子我如果让神很高兴的话，下辈子神就会把我变成小蝴蝶，这样我就会成为一个以吃花露这样维生的小生灵，这是他们的终极诉求，这个想法很古怪啊。

那我们可以看看大航海时代，像埃尔南这帮人到了阿兹特克或者印加帝国他们是为了什么和拿走什么.无意中少说了一个很重要的东西，首先我今天讲的菜园子里的番茄，除了巧克力、玉米，最重要的还有番茄，这些东西在埃尔南的这个时代都被带到欧洲，也就是很多美洲的作物，但是当时想要金子，跟后来的海盗一样，都想要金银财宝，所以菜园子里的东西都被当成了一种很不起眼的标本带回去的，但是很多年后他们才发现他们从美洲得到了什么.

如果你追溯到大航海为什么会发现新大陆，最初的最初都是大家想吃好的穿好的。那个时候欧洲的贵族最好的衣服都是亚麻布，没有什么好食物，都吃豆子，牛羊肉，所以我们看到了欧洲在经历大航海之前，所有人每天都在吃豆子，吃各种各样的豆子，大航海之后在美洲，在印度得到了牛轧糖里头的花生，得到了土豆、菠萝，在阿兹特克得到了番茄、香草冰激凌里面的香草、巧克力、玉米、墨西哥辣椒，你现在所看到的西餐里面的东西，都是在那之后才有的。

大家能认出这是什么花么，其实是土豆的花，在土豆运到欧洲之后大家一直不知道底下的土疙瘩可以吃，都以为只是观赏性植物，欧洲的皇后就会把这个花戴在头上，皇冠旁边，当时就变成蔚为风尚，就变成以后总很时髦很时尚的东西，花很快就谢，只有最有钱的绅士美女才有佩戴这种花的资格。举土豆的例子是，除了土豆还有很多的植物，虽然他们已经被航海家从美洲搬到了欧洲，但是他们还是经过了好几百年的时间才慢慢的为人之道，原来这个可以吃，很好，比如辣椒，辣椒在阿兹特克的时候是皇帝可以吃的精力汤，普通人把可可作为货币在使用，当时的国王吃完巧克力的时候就是辣椒巧克力糖，没有牛奶巧克力的这种作料，所以传到欧洲之后这个东西也并不被人喜欢。

但是除了土豆和巧克力之外，我们今天番茄受到的委屈比土豆巧克力都长，首先在西班牙，番茄在西班牙，在阿兹特克生长的时候并不是我们看到的这么大个番茄，那个时候的番茄有点像我们现在的小西红柿，圣女果，黄色的。纯种番茄是这样的，每一株生长环境不一样光照不一样，每一颗的味道都不同，它很难让人有一个安全感说，我每天吃到的番茄都同样美味，经常会吃到很涩的番茄，所以在西班牙一直都没有流行起来。

1521年的时候埃尔南把这些东西带回来西班牙，1523年的时候皇族种过一些小番茄观赏，就是当成一种兴趣，到了16世纪的时候，从西班牙传到了意大利，你现在可以看到意大利的餐桌上有各种番茄酱，披萨饼的饼皮，怎么也离不开番茄酱，包括番茄肉酱面等等，都跟番茄有关，但是那时候意大利没有人见过番茄，起初植物学家见到这么大的圣女果的番茄，他们以为是曼德拉草。

什么是曼德拉草？就是哈利波特中同学们要上植物课，拔出来的根就是小人型会哭的那种，那就是曼德拉草，在欧洲其实大家认为那是一种魔法草。他们认为你收到了诅咒或者被狼人咬过，你服用曼德拉草你可以回复你的知觉，是一种魔法草。我们看一下右边当时的手绘的一个曼德拉草的样子，下面扭曲的有点像人参的一个东西，像人形，看果实是黄色的果实，当时的番茄其实差不多，意大利的植物学家给它起名字叫金苹果。

在魔法的汤番茄在里面混了很长时间之后，大家终于发现可以用了，但是回到厨房也发现并不好吃，意大利在很长的一段时间内也不知道怎么使用番茄，于是在1590年的时候，16世纪末到了英国，英国跟番茄很不搭，当时流传的魔草啊什么的传到了英国，更可怕的是，有一个二把刀的植物学家，把别人的研究成果全都断章取义的整到自己的文章中国，并且出了本书叫《植物志》，《植物志》里面说番茄在南方吃就没事，在北方吃会有毒，就像我们在英国这么湿冷的地方吃番茄会致死的，当时好死不死的是好多不信邪的人吃了番茄，有些贵族死了几个，吃番茄致死的事情那时候人不知道为什么？大家就认为番茄有毒。

往下传了几百年，其实往回倒的时候发现当时的英国贵族喜欢用银质盘子吃饭，电视上会看到很讲究的银蜡盘，但是如果把酸性的番茄往上放，当时英国人吃豆子就不会有这种问题，但是酸汁蘸在质量不好的盘子上会把里面的铅吸出来，所以导致中毒，番茄被冤枉了两百年的时间，没有人敢吃番茄。直到十八世纪意大利人已经发明了披萨饼，然后意大利人就制作了番茄意面之类的，意大利人跟其他人说番茄没有毒，尝尝没有毒，后来英国有一部分人也知道这个东西没有毒，但是这种可怕的恐怖的印象已经无法改变了，番茄特别看阳光，在英国的很多年，雾蒙蒙的天气番茄确实长不好，回到他的故乡美洲，就是好的阳光、干燥的空气，才能长出大的，甜美的番茄，所以不被英国好好对待的番茄，被英国的移民带到北美，扩荒者把番茄当做思乡的一种植物种在花园里当观赏植物的时候，番茄又开始慢慢的长大了。

直到1822年已经到了美国的时代了，那个时候有本杂志《美国农民》，在不断普及各种科学的植物的理念，要大量种植番茄，番茄是非常好的经济作物，但没有人理他们，所有人都说我爷爷说，我奶奶说，我爷爷的爷爷说，番茄有毒，它没人待见番茄。直到19世纪三十年代，发生了一场天蛾灾，太可怕了，我怕你们看到后当场晕倒，所以我换了宠物小精灵里面的绿毛虫，长得差不多，眼睛没有这么大，天蛾灾就是长在所有的番茄上面前都有，当时谣言四起，说沾上都会死，后来人们发现并没有事的时候，种植的热潮也没有，当时《美国农民》的杂志还在不停的推。在南美战争的时候大家都需要有营养可以储存的食物，当时已经开始流行马口铁罐头，所以当时人们把番茄整成番茄酱放在里面变成军用粮，后来大家才发现番茄真是有各种各样的好处，尤其补充维生素，在经济匮乏的时候存放了很长时间可以吃很久，所以在南北战争时期包括结束之后，番茄才在美国变了一个非常普遍的经济作物，有种子公司育苗专家不断培育它，番茄变成了一个非常普遍的食物。

最重要的是，在19世纪末的时候，育苗专家研究出了皮很厚可以存放的杂交番茄，很有安全感的番茄，杂交番茄使番茄变成了一个全球化的食物，之前我说的小的、酸的番茄那些品种特别多的番茄也并没有消失，他们在那些番茄发烧友的菜园里。我只是拿出了大概十二种，但是真正的纯种没有杂交过的番茄在世界上有六千多种，他们都是有一百年两百年的历史，可能通过自花授粉，一直保持着自己原来的形态，这些番茄在很多西餐馆可以吃到，大大小小名字是“传家宝”一样。

最后给大家推荐一个电影，《杀人番茄》是1978年的一个电影在，这是个大烂片，你就当搞笑去看一下，人们生活中最普遍的番茄有一天他不想被人吃了，有一天他想抵抗反过来去吃人类的故事，拍的很烂。大家可以看到右边的剧照，剧照就是番茄怎么吃人的，导演让大家躺下，在美国十年认为烂的就翻拍了《杀人番茄再临》，我查了一下再烂番茄网上它就是这个分数，基本没有分数，因为特别烂，又是在烂番茄网查到的，很像烂番茄的一个标志，还发现一个很有意思的事情是1988年拍的很烂很烂的这部片子里，其中有一个很帅的配角男演员，是27岁的乔治克鲁尼，这部片子基本上在他的履历里面找不到，在最前面完全不出名的形象，我就是在跑题的过程中，推到现在这个地方，我们在了解番茄的结果看到了乔治克鲁尼，这也是个很好的结果吧(｡･∀･)ﾉﾞ

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导语：重力，是太空区别于地球环境的一个重要区别，人类要走向深空必须要了解太空中微重力对生命的影响。在SELF讲坛上王育人却不谈太空，从一颗豆芽菜讲起，“植物的根是如何感知重力的？力是怎么施加的，施加在了谁身上，谁用了力学信号给了化学信号传导刺激生长素分布不一样，又是怎么样让它改变的？” 一花一世界，一颗不起眼的“豆芽”却蕴藏着重大的科学问题，王育人说一个科学研究的过程是辛苦的，它需要一步步地追踪，而不是简单地回答一个问题。

---专家介绍---

王育人 中国科学院力学研究所研究员 中国科学院微重力重点实验室主任 实践十号卫星科学应用系统主任设计师

重力大家都不陌生，地球上的任何物体都受到重力的作用，它的存在甚至比空气还要普遍，苹果在重力作用下会落地，钢笔可以用来写字，不需要担心稍一用力就变成宇宙中的一粒尘埃……这都是重力作用下事物存在的比如法则。但是，你是否想过假如重力消失会怎么样呢？大家脑子里首先出现的场景应该就是所有东西都漂浮在空中，电影《星际旅行》中就有这样的场景，在没有重力的作用下，宇航员多漂浮在空中。那么除了漂浮在空中，在没有重力的情况下还会有哪些事情发生呢？今天我们就一起走进微重力的世界，一起来看看微重力下的生存法则。

---一个常识引发的猜想---

这是一棵古树，古树下面有个根，盘根错节、深入大地，一个常识性的现象就是它的根长在地底下，而且会越长越深，那么，这个根为什么长在地底下而且还要越长越深呢？或者说是什么让它向地下长的呢？

这个问题并不难，因为根扎得越深就越能够吸收营养，长得也就越茂盛。

这个答案无可厚非，都是为了生存嘛，但是，如果深入思考，又会发现另一个问题。有时候，树根往下的时候会遇到贫瘠层，但是它还是能够穿过去，然后找到底下最有营养的一个部分。我们举例来说，这是小苗，这是树根，那么通过科学家的研究，树的根部，它好像知道重力在哪，就像我们一样，它好像也能感知到重力在哪，它知道这个作用对它来说是很关键的。因为只有这样猜想，才能解释它不断扎入到地下的行为。实际上，关于这个问题在科学界是一个很大的科学问题。

一个著名的美籍华裔科学家他叫冯媛甄，是生物力学的创始人之一，他基本上可以算是生物力学之父，关于这个问题他给出了一个叫做“淀粉体平衡体假说”，之所以称为假说，是因为很多的问题还没有被证实。我们来看看他是怎么认识这个问题的。根尖部为什么会知道重力的方向呢？他是从细胞里面看这个问题的，如果我们把根尖细胞单独一个事例搞出来它就会这样子，那么除了细胞质、细胞核外，还有一些细胞器，这个细胞器里面这几个白色的球就代表它的淀粉粒，代表它的淀粉体，它实际上是什么样的东西呢？就跟我们吃的土豆差不多，形状差不多，但大小差了很多。这个淀粉体只有十几个微米的整合大小，整个细胞根据不同的植物会有几十个微米和上百个微米左右。那么这个东西也会随着细胞的转动而转动，因为它重，所以它总是会在底部沉积的，那么沉积这个过程就给它产生一个重力的信号，这个假说实际上是认为它的沉积和运动过程让细胞感觉到了重力的方向，然后传递给整个植物，然后发生了后面的生化反应，使得这个植物的根尖不断向地心的方向去发展，这样的解释比较合理，但只能称之为假说，如果写科幻小说足矣，但科研不行。

---从假说到实验验证---

前面的“淀粉体平衡体假说”可以称为猜想，作为科学研究必须要有验证的过程。在这个假说里，其实中间的过程非常复杂，从力学刺激信号到施加信号，然后到了整个化学传导、生物传导，它是一个很复杂的过程。首先我们要回答一个问题，这力学刺激信号怎么变成生化信号，我们知道根本身是弯曲的，但如果它始终能确定重力方向，怎么会弯曲呢？所以我们说应该是先有一个信号刺激，最后这边和那边有一个生长素的东西，它的浓度分布不是一样的，浓度越浓的地方，那么它就要抑制它的成长，浓度越小的地方，生长就快。你想，这边生长的快那个东西不就弯过来了嘛。事实确实是这样子的，但是从力学信号的刺激一直到它的生长过程，这中间到底发生了什么呢？关于这个问题是怎么解决的呢？我们可以设计一个实验。

我们用了一个模式性的植物拟南芥，长得和豆芽菜差不多，这是它的根部，花是透明的，我们把它的根尖部用显微镜放大就这样一级一级往下放，里头这是它的根尖部分，里头红色的部分是他的一个细胞，那么一个细胞里的淀粉粒我们也能看到。我们用活体的拟南芥的植物来做实验，怎么来做这个实验呢？

大家普通就可以想到，我们怎么研究重力对它的影响呢？根突然倒过来，显微镜在它的底下，突然倒过来的时候，这个重力还是在这个方向，但是根生长的方向还是改变了，这个淀粉粒也会在里面运动，那么我们也会知道这个运动过程对它的生长过程的一个影响。实际上是这样子，垂直的时候它是这样子，它的小柱细胞大家是可以看到的，这就是我们刚才讲到的一个过程；那么当我们把它水平放过来的时候，那么可以看到细胞体里头淀粉粒的运动。这是我们研究的过程中照下来的一系列的照片，这是分成四个(kaole),这几个字代表什么意思呢？这种我们拿了四种东西去做，一个是拟南芥，本身是野生型；还有一个是给它做了个let be处理，就是加了一种化学物质，让植物细胞里头有所谓的微丝，就跟人的头发一样，它就把微丝起到一种解拒的作用，就像人的头发似的，它能把它三开；还有一种（狄思万）处理，就是能把它弄成一粟一粟的，不是散开，是它的反作用；还有一种(let li)加微丝处理，用四种对比组来看它里头淀粉粒的运动过程。

从这个里头0秒、50秒、150秒、250秒、350秒、450秒可以看到整个淀粉粒的运动规律，通过对比可以直接看到它们之间的运动过程是不一样的。

我们实际上通过照片把它的运动轨迹照上，录制分析出来，这个时候可以看出有个显著的特征，我们每一种颜色实际上代表了淀粉粒的一个颗粒，这五种颜色代表了五个颗粒，这五个颗粒从整体的效果可以看到，野生是这个样子的，这个呢，是把里头的微丝给它聚合了以后，这种是把它的混合散开以后，这种是这样子的，混合状态是这样的，也就是说它每一个降落的轨迹都是一样的，至少从这个里面看，这个每一个淀粉粒在局部的地方运动，就像有一个牢笼一样，把它给圈住一样，这个自由一点，这个就更自由了，这是不同的过程。我们把它进一步分析，那么我们不光会看到每一个不一样，他们之间还有协同作用，所谓协同作用，就说每个颗粒以这个之间的运动、这个之间的运动互相感知、互相协调，互相协同这样一个机制，这就是“集体协同运动”，这样我们对比这几种不同类型的，野生型、狄思万、let be，野生型不受牢笼控制，也就是说没有一个笼子来控制里头颗粒的运动；狄思万受笼子的控制很强，让它的颗粒不运动；对let be处理的呢？是很弱的作用。

下面科学研究的是加了很多东西后会出现所谓的“牢笼效应”？回到原来的问题上，力是怎么施加的，施加在哪？施加在谁的身上，谁又把这个力学信号变成化学信号，导致生长素分布的不一样，又是怎样让它改变的这样一个问题。

好，我们来看这几张图片，大家可以看到这是一个野生型的细胞，细胞里有绿色的云彩一样的东西，实际上这就是我刚才所说的微丝的结构，这是经过染色的细胞，那么这个是在显微镜下直接看到的细胞，这个里头是有淀粉粒的，同样一个细胞能是看到淀粉粒的，那你把这两个东西的找点合成到一起，可以看到淀粉粒是围绕到微丝的周围的，证明刚才运动不一样，是受到了微丝的阻碍产生的，突变以后就会有明显的差别，像这样子都聚集在一起，再去看合成的照片你会发现这个东西是强束缚住了。两个过程中我们可以看到你去改变微丝分布的情况，然后淀粉体颗粒运动的情况是不一样的，这个不一样往下面走是怎么样刺激生长素不一样的呢？所以说，我们还做了另外一个实验，我们把野生型，经过处理以后同样的拟南芥的根，你就看到明显的红色是生长素的分布，随着时间的变化，没有处理和处理的是有偏距的，这就从另外一个层面证明了刚才的过程。到这我们研究的故事还没有完，在这里想表达的一个意思是，科学研究的过程还是蛮辛苦的，要一步一步去追踪的，而不是简单回答一个问题。向我们看科幻小说和网上很多的东西，我现在也会浏览一下科幻小说，我就会和我的孩子交流一下，发现完全没有办法交流，我说你这种思维的方式就没法去弄了，完全是发散式的思维，科学研究还是需要一步一步来的。刚才研究了细胞里头的东西，也就是拟南芥豆芽菜，研究半天似懂非懂的东西，那到底有影响吗？有，大家可以看到这是野生型的豆芽菜还是四列，从0小时到24小时，如果大家刚才注意到了，我们的一个蜘蛛从这颠到这，观察时间都几秒，几十秒之内，这个就论小时了，论小时是看根的弯曲的程度，我们可以看到这四列弯曲程度是不一样的。对于这个事情，我们又做了一个统计学分析，分析弯曲角度随时间的变化和淀粉粒在细胞里的沉降随时间的变化，我们发现两者是有很强的依赖关系，也就是说淀粉粒控制了整个根的弯曲过程。最后一个简单地结论，实际上就是说，重力的刺激的感受位点是细胞的底部附近，而不是细胞内的平均效应，也就是说淀粉粒在沉降，微丝在阻碍它运动，但是并不是它和微丝的作用产生力学信号，而是它沉降到底部，和底部相互作用产生了信号。第二个，重力的感知程度与力学刺激的强度是相关的，重力信号的感受器很可能是内置信号的感知网啊，而不是微丝，时间上的一个强关联性，那么刚才的工作是运用到微流电技术这个技术室首次应用到细胞里头运动的定量学的一个研究，实际上它是一种光学观察，通过数学分析，这样一个办法来给大家做的，也就是说，现在的生物学从原来的非定量化的观察类的东西逐渐走到定量化的时代，也就是像数学一样严谨了，现在物理、化学都朝数学方向发展，生物学也在发展，这也是生物学的发展之一。

---微重力有何神奇？---

说完了非常枯燥的科研过程，我们来说点有趣的事，就是四月份发射的“实践十号”科学实验卫星，这里面一共有十九项载荷的任务，也包括了生物的研究任务、基础物理的研究任务，也包括了燃烧的和材料科学的研究任务。目标是研究在太空微重力的一个环境下各种物理化学在这个过程中怎么变化，人类始终要完成升空的探测，就像美国人一样，我们国家也会买入登月计划这样，向火星去探测，向更远的深空去探测，如果里头的科学规律如果不了解的话，实际上你是无法实现这个过程的，也就是微重力研究的大概的领域，这是蜡烛、火焰、液滴的，一个蜡烛的火苗在地上是椭圆形，空间是这样的，有人知道为什么？实际上，是对流的问题，在地上温度越高的东西，也就是越轻或者密度越小，它就会往上升，温度低的空气又往下降，就有一些对流产生，火焰的燃烧形状到了空间没有轻和重，没有轻重各个方向就是一致的了，多么圆润，它就会成为这样一个情况，这是空间实验需要包涵的，那么我们国家在以前就进入空间实验了，比如我们已经搭载过和平号空间站，这是神舟四号飞船，这里头我们有很多的科研任务，未来我们国家也会有我们自己的空间站，美国的NASA有国际空间站，我们国家空间站将在2022年上天，我们也会有自己的空间实验基地，未来空间探索的活动会越拉越多，随着我们国家的强大，那么最后一句话，随着微重力的发展，科学家们有办法让人类的步伐迈入太空！

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出品：中国科普博览SELF格致论道讲坛 主讲：中科院理化所研究员沈俊

制冷，先从人体冷冻讲起

在很多科幻电影里我们都看到过这样的场景，一个非常漂亮的棺，里面的人躺进去之后，瞬间飞越了几百年，然后画面切换，再出来还是一样的年轻漂亮。那么，大家有没有想过有那么一天，把自己也冷冻起来，然后几百年后再出来呢？接下来我们就来讲述这个关于温度的故事。

真的可以把人冻起来吗？

前一阵子，网上有个传得很火的视频，就是把这个金鱼放到液氮里面，然后拿出来以后它马上又复活了。那么，这个视频是可信的吗？很显然，这是假的，可是我们又真的看到这个动物冻起来以后又复活了，那该怎么解释呢实际上，视频里只是把金鱼放在液氮里几秒的时间，几秒的时间只是把金鱼的表层给冻了，而它里面的内脏是没有冻的，如果里面全部冻了的话它是绝对复活不了的。也就是说到目前为止，这种生命体的复活对于人类来说还是一个难题。

那我们可以把什么冻起来然后复活呢？首先是细胞，比如说精子、卵子，这个大家都听说过，也就是说这种细胞层面冷冻它是可以的。另外就是组织的冷冻，那么到多大尺度的组织呢？比如说我们的皮肤、角膜、身体里面各个比较小的器官都是可以的。事实上，现在有很多医疗机构、美容院就有这样的服务，比如你要保存自己的这个细胞那个细胞什么的，就可以给你冻起来然后以后再用，这也是可以达到的技术。

到目前为止，人体的器官还有整个人冻起来之后，是不可能复活的。现在也有做冷冻器官或者冷冻人体的公司，比如说美国的Alcor公司，之前有个非常知名的作家把他的头送到了这家公司，就是你任何人如果想冻自己都可以把自己送到这个公司去冻，只要付一定的金额就可以。但是呢，甭管是Alcor还是别的什么公司，它都只是一个遗体的保存，就是你想把比如说我冻上20年就是活人啊，我冻上20年我想再复活，那现在我们的技术是达不到的，为什么？就是因为这个尺度大了，我们知道人身体里面大概70%都是水，包括我们的骨头里面大概都有25%-30%的水，水冻成冰就会产生这种结晶体或者结晶态，这种结晶态就会刺破你的细胞、你的肌体组织和各个机构，也就是说，这种结晶态会导致你的整个这个器官或者功能的丧失或破坏。

我的工作：定制你想要的温度

从室温到零下-273.15，也就是说我们的绝对零度，你想要一个什么样的温度我们就来做这样一个温度提供给你——定制你想要的温度，那么这个就是我的工作。

冰箱空调大概就是到-40度这样一个温区。空调呢，你现在的生活可能已经离不开它了，但空调有个问题，它有氟利昂，会破坏臭氧，然后还会产生温室效应、ODP的这样一个排放等等。《京都议定书》《蒙特利尔协议》宣布到2025年这个所有的世界上的氟利昂不能够使用了，那么到时候我们怎么办？我们就有各种各样的替代的物质来进行这种新的制冷的方式。

我们现在的制冷方式是采用蒸汽压缩式制冷，它有这样液体在里面循环，它从液体变成气体再回来这样循环，只有一个这样的循环才能达到我们的目的。然而我们目前在研究一种新型的磁制冷技术，这样的技术它是用固体来制冷，也就是像氟利昂这样的液体我们不用了，而是把一个固体放在一个磁场里面，在加上和去掉这个磁场的时候它就会产生这种温度的变化，那么把这种变化循环起来那么它就制冷了，从而达到这个绿色环保这样一个目的。

现在你在市场上还不能购买到这样一个磁制冷机，就是由于我们现在还有一些比如说材料的问题、回热器换热效率低、系统制冷能力等等一些问题，但是目前在逐步解决这样一些问题，可能过一段时间就有可能几年之内吧，我相信应该能够在市场上看到了。

制冷技术应用广

其实做温度、做制冷的也可以为其他的很多学科来服务，比如

中科院在丽江的这样一个天文观测站，我能为他们解决什么问题？丽江云南属于偏远地区想要液氮，昆明云南总台不给，就没有办法做实验了。我就直接做个液氮机从空气中采集氮气再做成液氮就可以做实验了。现在能够做每天10升到1000升的液氮机可以做一些科学的实验。

还有天然气，天然气是绿色清洁能源，它的贸易也是分散在世界范围内，中国也像各个国家一样在收集各种资源。大约在十年前我去新疆，看到很多冲天的火炬，去的时候是夏天，那里又是沙漠，上面在烧，烧的就是天然气，因为要采底下的油、煤，气田没有那么大，比如只能够采5-10年，这种气体都烧掉了，大概我们国家每年烧两百亿左右，这都是钱。十年前我们去了，去了之后呢现在我们开始做天然气液化。通常的做法是建厂站，但工厂造价非常高，但这个气田采5-10年没有了怎么办？工厂就浪费了。还有一种办法是铺管线，铺管线造价也是非常。于是我们做了一个小型的液化天然气设备，就是一个集装箱的大小，非常紧凑。有些同学打游戏像红警、星际，像主基地一样在这里采气然后液化成液体，采完再到另外一个地方去采，气体变成液体压缩600倍，压缩600倍之后相当于卖给天然气的加气站就可以直接变成钱了，因此天然气液化的装置是做的非常好的。

为此我们成立了一家公司，现在在内蒙、山西、陕西已经投产十几套了，它的市场占有率能够超过40%，也能够为二氧化碳等等做一些贡献。

制冷技术还可以用在大科学装置。比如超导射频和它的低温系统，还有这些红外军事上面用的红外遥感遥测，以及北京的正负电子对撞机，就这种所有的这些设备都离不开低温。还有上海做超导磁悬浮列车，这也是需要低温制冷存在的。最低温度是-273.15度，到太空里面就需要这样的低温，美国做的磁制冷可以达到50mK的温度，是用在空间望远镜上。

制冷和散热不分家

其实散热也是制冷的另外一种表述。

比如空客A380的蒙皮，我们做飞机都看到，那个飞机翅膀上有无数个这样的铆钉，我们想用激光焊接替代铆钉使机身减重成本下降，机身减重之后呢可能我们这一堆人就能坐在同一个飞机里了。但是现在遇到一个问题，半导体所的这个来找我，他们是做激光器的，他们说1000瓦的焊不了蒙皮必须要3000瓦、5000瓦的，它在非常小的激光芯片上发出来的，大概一平方毫米像指甲盖的1/100，在这样小的面积上要有超高的热流密度才能产生强的激光，才能做激光焊接，这样才能做焊汽车、焊飞机这种事情。热流密度要达到什么程度呢？达到太阳表面的力度，10的7次方W/平方米，这是非常难的。

对于我们来说，要在一个非常小的面积非常快速地把这个温度给它散掉，这是我们设计的一个新型的激光器，做出来了新一代的半导体激光器，用于将来的先进制造2025。

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SELF人物专访 任玲：愿做栽树人

出品：中国科普博览 SELF格致论道讲坛

听到铜，我们会想到什么？

铜线，是我们电路中常用到的材料；青铜器，是夏商周时期贵族使用的祭祀器皿；或者是一种化学元素，一种金属元素。

对于任玲来说铜是一种美丽的元素，为我们生活带来美好与希望。

爱笑的材料科学家

任玲，中科院金属所副研究员，2012年获得中国科学院金属研究所博士学位，随后赴英国伦敦大学、女王玛丽大学、赫特福德大学访问，研究领域为医用金属材料的生物功能化探索。

对于本科和研究生阶段学习应用化学的任玲来说，考取材料学的博士是具有挑战性的事情，因为喜欢科学研究，并且希望能够继续深造，就这样她选择了中国科学院金属研究所。由于博士期间的辛勤与努力，任玲三年获得了博士学位，并且得到了中国科学院院长奖学金、中国科学院金属研究所师昌绪奖学金、贝卡尔特奖学金等殊荣，并在国际上首次提出医用金属材料的生物功能化的创新思想，并开展了有意义的研究探索，首次发展出具有抗细菌感染、抗支架内再狭窄等生物医学功能的医用金属新材料。博士毕业后，她希望继续从事这项有意义的研究，继续留在课题组开展了深入的研究。

任玲在生活中是一个活泼开朗的人，脸上总是挂着笑容，东北人独特的口音显得更加可爱风趣，仿佛宋丹丹附体，是个非常容易相处的人。去年8月份，她刚生下了宝宝，对于一位新妈妈，除了收获满满的幸福，面对的也是人生中从没有过的艰辛。如何做到兼顾家庭与工作，是对新手妈妈最严格的考验。但任玲积极地面对人生中这一幸福的转变，在工作中更加高效，在家更专心地哺育孩子。任玲是幸福的，她的家人温暖而坚实的支持，让她勇敢的面对一切困难，因此我们总是能从她脸上看到那种感恩的、幸福的微笑。

许多人都认为科学研究的工作很枯燥，每天围着实验台，记录数据、不断验算、推导结论，反复检查，然而这对于他们来说就是最大的乐趣，任玲也不例外，“我觉得自己的工作非常有吸引力，它最大的吸引力就在于永远面临着挑战与创新，永远不知道明天会发生什么，我喜欢这种感觉。”

任玲擅长用简单的例子，将很深奥的科学道理讲得十分清楚、明白。“我真的不觉得材料学的研究是枯燥的，举个例子，我们一般在实验室中会养细胞、细菌，观察细胞的变化，看细胞长得好不好，也会对细胞进行染色，并且染色的细胞在显微镜下十分地漂亮，那是另一个神奇的五颜六色的世界。”任玲说这些时，显得格外兴奋，就像是启发学生，让他们对生物世界产生更大的兴趣。

美丽铜话

对任玲来说，影响她最深的人就是恩师，老师将她带入这个研究领域，对任玲有知遇之恩。而且，老一辈的科学家具有严谨的科研态度和兢兢业业的忘我精神，他们真心希望自己能为国家做贡献，发挥自己的作用，这些都对任玲产生了深刻的影响，让她能够一直坚定地走材料学研究这条道路，即使有困难，有阻力她也想方设法去克服。

现在任玲所在的团队的研究已经有了一些成果，创新性地提出并实现了医用金属材料（包括不锈钢、钛合金、钴基合金、镁合金）的生物医学功能化思想，使原本表现生物惰性的医用金属材料不仅保持原有的力学性能优势，同时兼具多种生物医学功能（抗菌、促进成骨、促进血管生成、降低支架内再狭窄、抗肿瘤等），具有极为诱人的临床应用前景。这一创新学术思想改变了现有医用金属材料自身生物惰性的传统观念，将会逐步地推进医用金属材料的变革，促进其发展为具有一定生物功能的第二代生物材料。

路漫漫其修远兮，我愿做前人，让后人乘凉

任玲坦言，目前面临的困难还有很多，其中之一就是医学转化，因为植入类的生物医用金属材料，属于第三类医疗器械，所以审批十分严格。所有最后呈现出的产品，并不是在科学领域研发后就能够立即应用的，首先必须进行动物实验，再获得临床许可证后，申请产品许可证，其中的时间可能需要十几年的时间， “可以说前方的道路我们可以预见非常坎坷，非常荆棘，但是我们还会坚定不移的走下去。我们希望通过自己的努力，向全世界证明中国人不仅有很强的模仿能力，我们还有更强的创新和创造能力。”

当被问及“既然需要耗费这么大的精力，这么长的时间， 又有很多困难，可能有生之年都看不到使用，那为什么还要坚持做这个呢？还可以做别的呀？”任玲说“不能因为有困难就不去做，那社会是没有办法前进的，所谓前人栽树，后人乘凉，我们愿意做栽树的人，让我们下一代的人可以享受现在的研究成果，在我们的基础上继续前行。”

这，就是科研工作者的坚强、执着、不言放弃的精神。

北京时间16日1时40分,我国成功发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”！量子科学再度成为全球焦点。除了保障通信安全的量子卫星外，以潘建伟为首的顶尖科研团队，他们在量子计算领域即将也有新的突破——未来10年可达到全球计算能力总和的100万倍！量子计算，会开启一个怎样的新世界？本期SELF讲坛，我们邀请潘建伟团队核心成员陈宇翱教授，讲述量子更“冷”“酷”的一面——冷原子与量子计算！

专家介绍：陈宇翱，中国科学技术大学教授，资深量子物理学家，致力于量子通信、量子计算、量子模拟和精密测量等多个量子信息研究，他的研究成果一次入选《自然》杂志年度十大科技亮点，两次入选欧洲物理学会“年度物理学亮点”，两次入选美国物理学会“年度物理学重大事件”，五次入选两院院士评选的“中国十大科技进展新闻”……

冷原子和玻色·爱因斯坦凝聚

要介绍冷原子，我们要先聊一聊“热”。谈到最热，大家很容易联想到太阳，它表面温度大概是6000K（开尔文）左右，这个温度能够汽化地球上所有的物质，这比我们日常所接触到的温度高了近两个数量级。而自然界最冷的物质又是什么呢？是液氦，温度大概4K，与太阳表面温度差了三个数量级。但还有一种物质，它叫冷原子，它比液氦还要冷一万倍。再冷下去，就不能把它看成一个简单的粒子了——它开始展现波动性质，如果继续冷下去，它就会达到原子界中的里程碑——玻色·爱因斯坦凝聚。

玻色·爱因斯坦凝聚是什么？打个比方来说，在一个空间中的某两个原子，一个是A，一个是B，它们很小很小，所以它们之间间距很大。现在开始降温，它们之间的运动速度减慢，它们会越来越冷，开始慢慢展现出它们波动的性质（原子变得越来越胖）；温度继续下降，AB越来越“胖”，胖到互相碰到彼此；温度再降，AB膨胀充满了整个空间，就形成了你中有我，我中有你的状态，整个空间中的原子就变成了同一个量子态，以至于在外界看来，分不清哪个是A，哪个是B，这就是玻色爱因斯坦凝聚。（贴心的小编觉得你可能看不懂了，说点实在的吧，玻色·爱因斯坦凝聚最实际的应用是高温超导，陈教授表示希望利用冷原子来理解高温超导机制，未来能够实现室温超导，那从北京到上海或许只需要半小时的行程）。

控制电子的运动 超级计算

但是在凝聚态系统里，科学家还在烦恼一件事儿——如何理解电子的运动。

Hubbard模型是关于电子运动最经典的解释，这个美妙的方程式描述出了电子简单的运动。但遗憾的是，这个方程式没有解析解，要想解数值解，所需要的计算资源是呈指数增长的。就连当今我们的超算王者——神威太湖之光，也只能处理45个电子的运动。如果想要模拟300个电子的运动，它所需的储存空间就是2 300（这个数字很大，大到已经超越了目前我们所知的宇宙原子数总和）。所以想要真正研究电子运动，相当困难。

有了玻色爱因斯坦凝聚，科学家就可以对原子进行单独的操控。因为原子比电子大了100倍，所以可以把原子放到跟电子一样的环境下，看它到底怎么运动。

费曼曾经提出把计算机量子化，也是他首次提出量子计算和量子模拟的概念。其实就是利用一个可控的量子体系，用原子体系来模拟电子的体系。因为自然界不是经典的，模拟相当困难，而模拟就需要用到冷原子给电子制造一个风洞。当原子进入到玻色·爱因斯坦凝聚之后，在每个原子都一样的状态下使得原子它在格点上的行为和电子一模一样，这样就实现了一个最简单的可控模型，使得计算能力得到重大突破。这将是玻色爱因斯坦凝聚一个实际有效的应用。

原子冷却怎么实现

这是一个里程碑式的构想，但冷却原子却并不容易。科学家想到利用激光来冷却原子——通过发射光，来阻挡原子前进的路线，比如原子要向右走，左侧发出一束光像如来神掌一样把原子打回去。因为光最大的加速度是重力加速度的负一万倍，可以在相当短的时间内使原子温度降到10μK。通过在各个方向上打光调节原子运动的方向，从而使得原子被冷却。但这个温度离玻色·爱因斯坦凝聚还差了几个数量级，想要进一步冷却，如何操作？

在1989年，实验上发现了蒸发冷却的方法。原理和我们吹冷一杯热水相似，在一个杯子里，热原子处在边缘处，比较容易逃逸，冷原子则位于底层，当热原子跑出去之后，剩下的冷原子的温度重新分布，从而降温。在1995年先后有三位科学家实现了铷原子、钠原子的玻色·爱因斯坦凝聚，这是我们了解电子运动的一个新起点。

十年内实现操控100个粒子的量子计算机

陈宇翱教授展示了实验室里进行冷原子操作的实验步骤，首先把原子放在真空的环境里，用激光冷却的方法使原子温度降到10μK左右，进一步通过磁场把原子转移，进行蒸发冷却，冷却到玻色·爱因斯坦凝聚。这种方法一旦实现，能耗将比天河二号小得多，而运算能力则强得多。当能操纵25个粒子，就相当于一部智能手机和商用CPU的能力；当操纵45个粒子就相当于操纵了太湖之光这样的量子计算机；当操纵100个粒子的时候，能力堪比全世界计算能力之和的100万倍！

陈宇翱教授感叹，科技不是为了创新而创新，眼下的有用与否不是判断的绝对尺度。在各行各业里，每时每刻都在创新突破，所以他希望大家能多多关注到基础物理，给科研工作者多一些支持，让这些冷、酷的物理名词走进大众的视野。陈教授展望在五年内我国将实现50个粒子的量子计算，在10年内实现操纵100个粒子的量子计算机，到那时，计算能力会是当下全世界计算能力总和的100万倍！

出品：中国科普博览 SELF格致论道讲坛 实习记者：李珂

他是SELF讲坛第八期的特殊嘉宾，站在台上，却看不见观众。

也许你会问他是谁？

他就是蔡聪，一加一残障人公益集团合伙人、有人文化的CEO。

他是视障群体里 “另类”，一个盲人领着一群盲人拍照。

他执着于媒体公众倡导，创立中国残障里的独立媒体，相信通过媒体的力量可以影响公众改变公众。

从盲人到CEO，蔡聪的“盲路”越走越宽，但一路上的挫折，常人无法体会。

残障的童年

蔡聪是一个短小精悍的南方人，口齿流利，思维清晰，性格乐观。

10岁，蔡聪因为药物性青光眼，导致视神经萎缩，视力在短时间内迅速下降到不足0.1。家人带着他四处求医问药，得到的都是“这辈子没有希望”的断言，让他和家人慢慢绝望直至放弃。

蔡聪回忆，家人最大的一次行动是“当时父母准备生二胎，理由当然是将来能够有个人代替他们照顾我。但是据我奶奶回忆，那时的我十分激烈地表示了不同意，生怕他们有了另外一个‘正常’的孩子，就会将我这个‘不正常’的孩子冷落或者抛弃，并以‘如果他们敢生，我就将之掐死’为威胁，他们只好作罢。”

可能是后来意识到了自己的行为对父母造成了巨大的心理伤害，愧疚的蔡聪在潜意识里选择把这件事忘掉。然而，对于一个年幼的孩子来说，这才是最深切的痛苦，他恐怕深深地认为自己已经是废物了，孤苦无依的度过下半生。

身残志坚的“典范”

对于“盲”这件事，蔡聪小时候也只是从媒体报道或口口相传中得知，心里不愿接受，也不愿多想，他央求父母将他送进正常的学校学习，或许可以用仅存的视力做点不同的事情。

就这样他进入了初中，没想到第一个月考试，蔡聪取得了全年级第一，让他大放异彩，成为焦点和“身残志坚”的典范，形影不离。

“我当时听的最多的就是‘人家蔡聪眼睛都这样了，学习还能这么好，你们有什么理由不好好学习’，刚开始还会沾沾自喜，但是现实还是把我打回了原形。”

越来越多的赞美让蔡聪感到麻木与惶惑，甚至是抗拒与无助。“那时我很想和同学们一起上体育课，跑步、踢球，做卫生的时候和大家嬉笑打闹，接受女同学们的欢呼与鼓舞，而不是站在走廊里无所事事，听着女生来向我抱怨他们的男朋友……”

蔡聪的脑子里充满了“你看不见，你看不见……”仿佛地狱中的一双手，锁住他的喉咙，将他拖入深渊。但是就像人对生存有着不可抵抗的欲望，蔡聪的选择是打开世界的另一扇窗。

“其实我那个时候脾气很暴躁，可能影响了成绩吧，班主任把我叫到了办公室，她问我成绩为什么下降了那么多，那一刻，她绝对没有想到我看不见，理所当然地应该考不好。我低着头，瞬间热泪盈眶。”

老师的质问无疑是对蔡聪的肯定，证明他可以做的很好，不管他有没有视力障碍。

蔡聪醒悟了，他想尽一切办法像普通少年那样生活，他掏钱买球，只为了和同学一起踢球，哪怕当个肉盾也好；他让小伙伴来自己家里学习，他和朋友们溜冰、打台球、玩扑克，打电玩.....他想获得跟别人一样的青春，享受花样少年。

视障人也可以活得精彩，活得有意义，或许在这个时候，这颗种子就已经埋在了蔡聪的心里。

精彩的“盲路”

因为不断下降的视力和缺少为视障人专门设置的高考，蔡聪没办法参加普通高考，也没办法进入普通大学。于是他只能考取长春大学特殊教育学院，接触到了更多来自全国各地的盲胞，与他们的杰出，让他有了很多意外的发现。

“在那里我头一回接触到了盲人，发现他们多才多艺，都是音乐天才，他们有的弹钢琴，有的吹笛子，有的拉二胡，有的人英语非常好，去考了雅思还到英国留学。”

盲人不是生活在黑暗的世界里，对世界一无所知。只不过与用视觉去感受这个世界的人不同，盲人依靠的是听觉、触觉、嗅觉，还有感觉。

蔡聪的大学生活过得异常精彩，“大学跟盲校最大的不同，恐怕就是做啥都没人管了吧。”

蔡聪最喜欢做的事情就是和几个同学一起踏上一场场说走就走的旅行。虽然蔡聪的父母还是时常担心，但是每次见蔡聪能够自己坐火车回家，甚至能和朋友出去玩，便渐渐放松了心态。

蔡聪毕业旅行时就跟同学一起去上海看世博会。

在这里，蔡聪知道，从前不敢想，不敢做的事情也许在未来都有可能实现，他坚定地往前走着，即使在盲校毕业的学生只能从事按摩这种工作。

大学成为了他工作的第一个起点。

他收过垃圾，开过小卖部，尝试了很多正常人没有做过的事情。大学毕业蔡聪回到家中，在网上看到一加一残障人文化发展中心在招聘广播节目制作人。他记得这个公益机构——2010年，南昌百盛商场曾张贴“禁止轮椅乘坐着入内”的歧视性标识，当时“一加一”做了场行为艺术，以示抗议。

“一加一”是在2006年由7位视力障碍人士、1位肢体残障人士创办的关注残障人士的公益机构，最初他们想基于中国残障人的学习和就业现状做点事情。

蔡聪觉得挺有意思，便发了封简历过去，成功进入一加一工作。“当时我们聚在一起，尝试做广播节目，认识了英国的盲人主持，邀请他到中国来为我们做培训，自此之后遇到了很多机会，去上海报道特奥会等等。”

取得成果后的蔡聪并不满足于此，他坚信自己的路会更宽广。

2008年，“一加一”成为中国奥运会首家来自民间的残障人媒体，开通了自己的网络电台，奥组委还授权他们做了100集残障人广播宣传片。这一年，中国签署了联合国《残疾人权利公约》，这个公约让他们意识到，“残障是我们的一个特点，不是缺点”。

如今的蔡聪是一加一残障人公益集团合伙人，有人文化CEO，哈佛大学法学院残障事业发展项目培训师，联合国残障平等意识培训引导师社区成员，国际残障联盟认证联合国《残疾人权利公约》培训师，联合国可持续发展战略与目标培训师，非视觉摄影培训师。

非视觉摄影？这是个新鲜词汇，但你一定会说，“盲人能拍照？真厉害！”但盲人端相机曾被人笑话。

“12岁的时候，家里有一台老式的胶片相机，我很喜欢，但家人和朋友总担心我浪费交卷，他们说‘你又看不见，拍什么拍’。”

十五年之后，蔡聪又一次证明了自己。2012年9月，蔡聪获得了“寻找成长之星”公益“寻找成长之星”公益摄影大赛“自叙”主题金奖。他拍过红白相间的导盲杖和黄色的盲道，放大镜中模糊的世界与周边清晰世界的对比。

一个盲人领着一群盲人拍照，“我们主要是让盲人能够拿起相机，通过视觉的方式来表达他们内心的所思、所想、所感。”

即使没法用双眼捕捉世界，一样可以描绘世界的美好。

纵然坎坎坷坷，但蔡聪的“盲路”精彩纷呈。

梦想可以照进现实吗？现在，蔡聪的答案是“YES!”

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出品：中国科普博览 SELF格致论道讲坛 墨子沙龙

在人类文明、科学技术高度发达的当今社会，人类依旧面临着生老病死的困扰。日常生活中，一件物品能通过返厂维修而不断延长使用期限，那人类是否能借助某种技术而抵挡疾病的侵袭？科学家发现，一类全能型的干细胞，通过增殖分化、更新复制而产生新的，健康的器官和组织，从而解决延长人类的生命年限。它到底是怎样实现的？又将有怎样的发展？为此，中科院SELF讲坛 X 墨子沙龙创新大会邀请了裴钢院士进行深度解读。

---专家介绍---

裴钢

同济大学校长 教授

中国科学院院士

发展中国家科学院（TWAS）院士

干细胞研究国家重大科学研究计划专家组召集人

《Cell Research》主编

长期从事分子细胞生物学及信号转导研究

---干细胞 真的可以长生不老？ ---

我们现在所知道的地球上的生命，人类、各种动物、植物，还有肉眼看不见的微观世界，这些林林总总的生命体都是由细胞所组成的。所以生命体如何繁衍、变化、进化，组成纷繁复杂的大千世界，全都是依靠这些许许多多的细胞在工作着。细胞也有各式各样不同的分类，其中有一类细胞它很特殊，而且拥有其他细胞不具有的一项重要功能——不断繁衍、自我复制、自我更新。这类细胞就是干细胞。

哪些细胞算得上是干细胞呢？打比方来说，人和动物都是由受精卵进化来的，受精卵再不断分裂分化，逐渐形成了我们所说的“胚胎”。我们人体各个器官和它们的功能，都是从受精卵中得到的。所以受精卵是一类非常原始的细胞，它具有向成体身上各种组织和器官发育的潜能。像这样具有变成其他多种细胞潜能的这一类细胞，就是干细胞。干细胞最容易获得的方式也是从胚胎中获得，所以也叫胚胎干细胞。

---会“穿越”的干细胞---

对一个人来说，生命只有一次，在时间这个轴线上，从出生到成长到成熟到衰老再到死亡，这是无法逆转的一条单行道，所以对我们人类来说，生命弥足珍贵。我们的生命从干细胞开始，由受精卵形成发育成个体，随着时间的流逝，它无法回转。但科学家一直在思考这样一个问题：细胞到底能不能回转？能不能穿越到最初的状态？从一个具体的细胞，例如鼻子上的细胞、眼睛的细胞、头的细胞、能不能穿越回来变成一个具有变成其他细胞潜能的细胞？

在十年前，日本科学家Yamanaka做了一个实验，他用一组蛋白使一个已经分化了的细胞又回到具有干细胞潜能的状态，这样的一个逆转打开了人类了解细胞生物学的一扇大门。人类延年益寿、健康长生的美好愿景将看到新的希望，因为这与干细胞息息相关。

这个方法将大大扩充干细胞的应用领域，胃病、心脏病、高血糖、高血压等疾病，都能通过提升干细胞的功能而得到预防甚至是治疗。

--- 人造器官 人类健康的功臣---

一台车随着时间的推移总会出现某些零部件的老化、破损，这时我们习惯于把它送到修理厂去维修，是轮胎换了换轮胎，是水泵坏了换水泵。如果人类的健康也能通过维修，那我们的生命将会大大延期，生命品质将有质的飞跃。早在一百多年前，外科医生就提出了“器官移植”的概念，但目前面临的最大问题是器官的来源。汽车能通过更换零部件而延长使用，这些零部件是由零件生产厂来提供的；那人类是不是也能通过“器官生产厂”来更换我们老化、不健康的某些“零部件”。这就是我们现在常常谈论起的器官工程、组织工程。

而干细胞就成了一个比较理想的材料，因为它是一种全能型的细胞，在某种条件下它能从一个特定细胞变成干细胞、肾细胞、肺细胞、心脏细胞……再通过一些必要条件，它就能变成器官。一旦这个功能器官形成之后，那向我们器官的供应就不成问题，人类的健康长寿也将得到更好的保证。

---正确看待干细胞的发展，不能因噎废食---

任何事物都是具有两面性的，像其他任何一门新生科学一样，干细胞虽然能造福人类，但也存在一些相应的问题，特别是伦理道德问题。我们对此不能掉以轻心，也不能谈虎色变。现如今科学界比较关注的基因编辑，饱受世人非议。一方面，人类某些天生的遗传病，能通过此项技术在基因里进行治疗、纠正，从而改写某个个体的人生。但另一方面，这种基因编辑是在胚胎或是精子、卵子上进行操作的，不单单改变的是一个人的人生轨迹，而是他全部后代，甚至整个人类的发展。科学是人类文明进步的一个重要武器、方法和手段，我们不能害怕它，要以理性的态度在社会能接受的道德伦理范围内去操作。一件事物有好的方面，同时也有不好的方面，不能因为一些不好的方面就放弃了整个好的方面，希望大家不要因噎废食。

干细胞的研究在我们国家发展非常迅速，目前已成跃居世界第二，在十几年间取得了许多瞩目的成果。我们应当看到美好的希望，因为它对社会、整个经济的发展、人民的健康都将带来巨大的影响。

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请注意，此张专辑有大咖出没。

我们是SELF讲坛，中国科学院的SELF讲坛，致力于把可爱的他们介绍给大家。

他们是国之重器的缔造者，也是烟火世界的普通人。他们是院士、是极客，是老板，也是父母、儿女、师友。他们是科学家、是企业家、是艺术家、是“别人家的孩子”，也是亲切、真诚的思想分享者。

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