世界因女科學(xué)家而美

陳冰

從宇宙空間的物理探索，到神經(jīng)細(xì)胞的基礎(chǔ)研究，從量子計(jì)算、利用流星余跡通信，到情緒解碼以及癌癥的攻克與治療……女科學(xué)家們再次用獨(dú)有的執(zhí)著、細(xì)膩與熱情詮釋了“世界因科學(xué)而美，科學(xué)因女性而美！”

2015年歲末，中華全國婦女聯(lián)合會、中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會、中國聯(lián)合國教科文組織全國委員會及歐萊雅中國共同舉辦的第十二屆“中國青年女科學(xué)家獎”頒獎典禮在京舉行。獲獎的9位女科學(xué)家中既有碩果累累的知名科學(xué)家，也有異軍突起的“80后”新銳，其中不少不僅是學(xué)霸、學(xué)神，還是校花級人物。

不靠顏值，靠實(shí)力，為女科學(xué)家們的執(zhí)著與信仰點(diǎn)贊。

量子計(jì)算的

世界紀(jì)錄保持者

《量子物理學(xué)》繪本是什么？Facebook創(chuàng)始人馬克·扎克伯格為什么要給他初降人世的小寶寶看這本書？“云計(jì)算”、“大數(shù)據(jù)”等新概念甚囂塵上，在芯片制造工藝不斷逼近物理極限的當(dāng)下，一旦摩爾定律失效，我們靠什么支撐“計(jì)算無處不在的未來”？

微軟、谷歌、英特爾，甚至阿里巴巴的看法竟都出奇地一致——“量子計(jì)算”。

要知道，在即將到來的量子時代，量子革命可以創(chuàng)造一切——電動客機(jī)、《星際迷航》中的醫(yī)學(xué)傳感器，甚至是隱形斗篷。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院教授彭新華。

對于量子計(jì)算，量子計(jì)算分解質(zhì)因數(shù)最大數(shù)的世界紀(jì)錄的保持者，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院教授彭新華用累累碩果向世界證明——量子計(jì)算指日可待。彭新華教授經(jīng)過刻苦鉆研，她所帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)取得了一系列世界矚目的成就——在國際上首次成功實(shí)現(xiàn)探測虛磁場中絕熱模擬量子方針的實(shí)驗(yàn)研究，直接觀察到了統(tǒng)計(jì)物理中至今被認(rèn)為理論的非物理的李-楊零點(diǎn);提出了新的確定性地、有效地解決無平方因子整數(shù)分解經(jīng)典難題的Gauss sum量子算法;完成了整數(shù)“21”和“143”的量子絕熱分解;通過演示一系列重要的量子算法，驗(yàn)證了量子計(jì)算的有效性和可行性。以上種種發(fā)現(xiàn)對理論物理意義重大，不僅意味著科學(xué)家將探測到以往不能探測的隱藏參數(shù)，更是為研究復(fù)雜體中的物理想象提供了全新的實(shí)驗(yàn)方法和可能。

盡管目前量子物理研究仍處于起步階段，但彭新華對于它的前景充滿信心。量子計(jì)算相比傳統(tǒng)計(jì)算有著十分顯著的優(yōu)勢，一旦量子計(jì)算機(jī)發(fā)明成功，它將給未來世界帶來顛覆性的改變。其中的奧妙就在于，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)只能用“開”和“關(guān)”兩種狀態(tài)來控制電流，而量子計(jì)算機(jī)則具備“開”和“關(guān)”同時存在的“疊加態(tài)”。經(jīng)典計(jì)算只能依次運(yùn)算，而量子計(jì)算則能同時嘗試所有可能的解。后者的計(jì)算能力相比前者不僅能有幾何倍數(shù)的增長，更可以完成一些經(jīng)典計(jì)算無法完成的任務(wù)。

全球各地的頂尖科研實(shí)驗(yàn)室正在以巨大的熱情追尋著這個夢想，然而迄今為止，世界上真正意義上的量子計(jì)算機(jī)（谷歌剛宣稱推出了一臺名為D-Wave的量子計(jì)算機(jī)，但它還“有待觀察”）。如何實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，方案并不少，但如何在實(shí)驗(yàn)中完成對微觀量子態(tài)的操縱簡直難于登天?！耙驯惶岢龅姆椒ㄖ饕泄庾拥钠瘛⒖涨涣孔与妱恿W(xué)、離子阱，以及核磁共振等。”彭新華充滿信心地說：“我們的研究主要是基于磁共振技術(shù)，這無疑是目前發(fā)展最快、成果最多的方案?！?/p>

當(dāng)下，大數(shù)質(zhì)因子分解已廣泛應(yīng)用于電子銀行、網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的RSA公鑰加密算法的安全性基礎(chǔ)，它基于一個十分簡單的數(shù)論事實(shí)：將兩個大素?cái)?shù)相乘十分容易，但是想要對其乘積進(jìn)行因式分解卻極其困難，因此可以將乘積公開作為加密密鑰。1994年，全世界范圍內(nèi)同時使用了1600個工作站、耗時8個月時間才完成了129位數(shù)的分解。如果要用同樣的計(jì)算能力來分解250位數(shù)則要耗時80萬年——簡直如同愚公移山。與之相較，量子計(jì)算機(jī)采用Shor算法則可以在1秒鐘之內(nèi)實(shí)現(xiàn)1000位數(shù)的因子分解，也就是說，在量子計(jì)算機(jī)面前，現(xiàn)有的RSA加密算法將無密可保！

“量子計(jì)算速度會有數(shù)十億倍的提高，這種計(jì)算能力的飛躍，將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越從算盤到當(dāng)代超級計(jì)算機(jī)的飛躍。試著想象一下，利用萬億次傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)分解300 位的整數(shù)需要150萬年，而量子計(jì)算機(jī)則只要1秒鐘即可解決，”彭新華激動地說，“毋庸置疑，量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，將對大數(shù)據(jù)產(chǎn)生革命性的影響?！睙ㄈ灰恍碌挠?jì)算概念，將真正為人類提供無限的計(jì)算能力。

“生命是沿著量子空間悠然前行”。彭新華的美麗人生是對這一量子世界經(jīng)典名言的最佳注釋。從16歲參加高考義無反顧地選擇物理到現(xiàn)在，彭新華非常慶幸自己的堅(jiān)持，她語氣堅(jiān)定地說，“量子物理是一門尖端科學(xué)，能在這個領(lǐng)域從事研究我感到自己很幸運(yùn)，因?yàn)槲沂冀K對它充滿了濃厚的興趣?！睂ξ粗囊磺斜３峙d趣，并不斷探索，不僅是驅(qū)使彭新華探究量子計(jì)算奧秘的原生動力，更是這位女科學(xué)家對于科學(xué)之美的獨(dú)到見解。

破解情緒奧秘

為什么人會有“七情六欲，喜怒哀愁”？為什么高興時心花怒放，如步云端，痛苦時又如五內(nèi)俱焚，墜入深淵？為什么一些特殊經(jīng)歷會讓人銘記終生？為什么生活條件越來越好，抑郁的人卻越來越多？長久以來，情緒背后的腦神經(jīng)奧秘一直是個未解的謎，而浙江大學(xué)神經(jīng)科學(xué)中心教授胡海嵐和她的團(tuán)隊(duì)正在慢慢地破解這個謎題。

“快樂、悲傷、憤怒、恐懼和厭惡，人主要的情緒活動都是由這5種基本情緒混合而成。就像畫家用紅、黃、藍(lán)這3種原色，調(diào)配出了畫布上豐富的色彩一樣?！焙估靡豁?xiàng)名為TAI-FISH的新技術(shù)解釋了各腦區(qū)對于喜好或者厭惡的情緒反應(yīng)編碼模式。找到大腦中和每種基本情緒相關(guān)的神經(jīng)環(huán)路，也就破解了情緒的密碼，乃至一些心理疾病的“命門”，比如抑郁癥。

抑郁癥正在成為嚴(yán)重影響人類健康的第二大疾病，全球至少有10%的人口受到過不同程度的困擾。然而，發(fā)病的成因卻沒有始終明確的定論。為探尋抑郁癥的深層發(fā)病機(jī)制，胡海嵐團(tuán)隊(duì)從分子與神經(jīng)環(huán)路機(jī)制出發(fā)，通過蛋白定量質(zhì)譜分析，電生理以及行為學(xué)等多種科學(xué)手段，首次證實(shí)了抑郁癥的發(fā)生和大腦內(nèi)“βCaMKII”的蛋白激酶分子密切相關(guān)，它是調(diào)節(jié)神經(jīng)活動的重要蛋白，當(dāng)它出現(xiàn)在大腦中負(fù)責(zé)傳遞獎賞信息的核心區(qū)域并且表達(dá)水平過高時，就會抑制快樂因子“多巴胺”的分泌，并且充當(dāng)失望使者將負(fù)面情緒傳遞給大腦，導(dǎo)致了快感缺失與行為絕望，這也是抑郁癥的核心癥狀。

浙江大學(xué)神經(jīng)科學(xué)中心教授胡海嵐。

當(dāng)下，白領(lǐng)人群的抑郁癥患病率扶搖直上，名人罹患抑郁癥的新聞不絕于耳。對于“患抑郁癥的人都是過于脆弱”、“生活條件優(yōu)渥就沒有資格抑郁”之類網(wǎng)絡(luò)上流行的說法，在胡海嵐看來都過于片面：“在一些猴群中發(fā)現(xiàn)，猴王的壓力應(yīng)激激素比排在第二第三的猴子要高。這和人類社會中的‘CEO綜合征相似，這也是為什么抑郁癥容易在一些業(yè)界精英、商界巨子身上發(fā)生。”在胡海嵐看來，幸福和憂郁的情緒是相對的，它們的關(guān)系甚至是微妙的。一味只追求幸福會容易導(dǎo)致失望，在目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的過程中幸福的閾值也會不斷升高。而悲傷的情緒也并不全是有害的，像最近迪斯尼的電影《Inside out （頭腦特工隊(duì)）》中展示的，它能引導(dǎo)我們趨利避害，去做出最有利的行動。但是，如果長期沉浸于負(fù)面情緒和種種壓力應(yīng)激，在一定時間內(nèi)得不到調(diào)節(jié)，本來只是短暫的情緒變化經(jīng)過長期積累，就有很可能導(dǎo)致腦功能持久性的變化，引起抑郁癥。

很久以來，人們相信快樂激素的多少對抑郁癥的發(fā)病起決定性作用。為此，很多藥物由此研發(fā)用于臨床治療，但是這些針對激素的抗抑郁藥物起效慢、靶點(diǎn)廣、副作用大。神經(jīng)科學(xué)研究者正在加緊探尋抑郁癥的深層發(fā)病機(jī)制，以期找到預(yù)防和治療抑郁癥的更好方法。胡海嵐和她的團(tuán)隊(duì)在大腦韁核中的發(fā)現(xiàn)為理解抑郁癥發(fā)機(jī)理以及治療抑郁癥的核心癥狀提供了全新的視角和分子靶點(diǎn)。

在閨蜜眼中，讀初中時胡海嵐就是公認(rèn)的“學(xué)霸”，“是全年級數(shù)學(xué)最好的女生，輕聲細(xì)語，從容淡定，漂亮聰穎”。在美國加州大學(xué)伯克利分校攻讀神經(jīng)生物學(xué)博士學(xué)位時，胡海嵐的科研目標(biāo)開始變得明確——揭開情緒的奧秘，掌控大腦神經(jīng)環(huán)路的“編程”。在胡海嵐看來，大腦是自然界最神秘最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)之一。21世紀(jì)是生物學(xué)的世紀(jì)，更是腦科學(xué)的世紀(jì)。這個領(lǐng)域不僅有太多的挑戰(zhàn)，更有太多的未知。

區(qū)別于嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)室，在胡海嵐清新明麗的辦公室里充斥著植物、鮮花、照片、零食……還掛滿了專業(yè)級的攝影作品，以及好友送給她的油畫，一幀風(fēng)景如畫的校園照片是她的最愛，那是美國冷泉港實(shí)驗(yàn)室，她博士后工作的地方。雖然尋找藥物靶點(diǎn)和研發(fā)新藥尚需時日，在胡海嵐眼中，科學(xué)的進(jìn)程，就像她喜歡和團(tuán)隊(duì)一起進(jìn)行的爬山活動一樣：有時候似乎很久都在原地踏步，有時候卻在一霎眼見間就翻越了山丘，豁然開朗，而在過程中感受到的自由、希望和美，是她們前行的動力。