几百个中小学生听了3小时都不愿走，科学家施了什么魔法？

young1987_tsg 2020-01-15

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黑洞到底长什么样？

原来科学家们已经非常清楚了，只是还没有告诉全世界。

研究如何让青蛙飞起来也能得诺贝尔奖？

可以，只不过，是搞笑诺贝尔奖。

戏剧化的是，这位搞笑诺贝尔奖获得者，后来真的因为石墨烯研究得到了真·诺贝尔奖。

当“嫦娥之父”欧阳自远宣布要去探月时...

收到的“关心”却是几百张外星人照片，以及不少“外星人就在月球背面”的“科普书”……

长期泡在实验室的科学家们，面对孩子们聊起科学话题，纷纷一改平日的沉着严肃，风趣幽默地讲述黑洞、探月工程、冷冻电镜、量子物理等科学突破背后的奥秘和故事。这些，都发生在第二届腾讯青少年科学小会上。

今年，科学小会邀请了八位全球顶尖科学家、科普学者与孩子们面对面，揭开了120万青少年最关注什么科学话题的谜底，解答了孩子们对科学难题的疑惑，共同开启了一场科学的精神之旅。

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120万青少年最关注什么科学话题

2019年，天文科学领域发生了一项历史大事件，首张黑洞照片曝光，创下了人类探索宇宙运行规律的里程碑。

关于这张黑洞照片的未解之谜也成了120万青少年最关注的科学话题。

昨天，Science新闻主编Tim Appenzeller揭开了与腾讯联合打造的第二份年度青少年科学看点榜单，榜单基于天文学、数学物理学、生命科学和化学四大科学理论基础，结合腾讯看点平台上120多万青少年科学兴趣的大调查，Science权威科学编辑联合顶尖科学家最终出炉十大科学看点。

可以看到，未知事物对人类有着天然的吸引力，越来越多的青少年正在参与到这场科普盛会的讨论中来，他们最关注天文科学，也关注人类自身的奥秘，以及人类生存空间演变的极限。

作为榜单的“把关人”，Tim在小会现场感慨，每年从各行各业的突破与发现中选出最具看点的科学发现，就像科学本身一样，看到非常多新工具、新科技给科学家以新的方式探索自然界，同时也看到不同领域、不同国家的科学家彼此合作，产生新的想法，进一步推动科学进步。

Science新闻主编Tim Appenzeller

“科技如此神奇，有这么多年轻人愿意为科技付出。我们知道，科技驱动经济，但科技回报不一定会来得非常快，现在AI让智能手机变得非常智能，但这并不来自于工程师，而是来自于基础科研，还有基因剪辑法CRISPR也是来自于多年前的基础研究。”Tim描述这个过程，“像2013年年度突破癌症免疫疗法，当时是一个非常前沿的领域，但现在已经进入了临床实验阶段。当然，科学也不仅是治病救人和现实应用，也是发现和探索。”

但Tim也提醒，同时存在的科技“崩坏”事件，因为人类发展已经主宰了整个地球，带来气候变化、水污染、空气污染、物种灭绝等难题，怎么样才能解决这些问题？那就是更好、更有力的科学。“下一个科学的时代就是青少年的时代了，青少年就是科学的未来！”

科学大咖演讲实录

拍摄全球首张黑洞照片的天体物理学家 Avery Broderick：

我们已经迎来了研究黑洞的黄金年代

过去一年我非常高兴，大概45亿人看到了黑洞图片。

最开始的时候我们就知道，在（黑洞）中间有一个奇点，很多东西会塌陷，最后达到无限高的密度。到这儿物理似乎就终结了，因为我们不知道这之后会怎样。这是让很多理论物理学家在过去几百年中为之痴迷的主题。

黑洞不仅仅在物理上非常神秘，对于天文学家而言，也是一个很棘手的问题。在黑洞周围有很多近气体以及近磁场，很多东西被吸到黑洞周围的时候，会释放能量，产生热能，如果这个黑洞在转的话，也会让空间以及磁场产生相应的旋转，产生一种流出的奔流，光速喷涌而出，挟裹着巨大的能量。这样的一种喷流并不是偶然发生，它们主宰着整个星系的命运。

有的时候晚上睡不着我就想，黑洞是怎么样掌握这样的魔法？重力在这个过程中发挥了什么作用？爱因斯坦所说的到底对不对？最直接的找答案的方式，其实就是去观测。但是观测很难，因为在我们银河系当中，有一个超大黑洞，大概是太阳重量的四百万倍，但是它的直径有24万公里，距离我们是240亿公里，这是要解决的难点。望远镜分辨率可以提到多高？就算是最先进的30米光学望远镜，看黑洞的世界也是不够的。这是设计“事件视界望远镜”（EHT）的初衷。

我们知道望远镜有一个叠面，形状是曲度的，就是要让所有到达它的光子、光线都聚焦到一点，这是它的核心工作原理。如果我们的望远镜分布在世界各地，我们就会有很好的数据记录，把不同望远镜搜集到的数据通过超级计算机进行整合，在电脑上生成一张黑洞的照片。EHT把这个技术做得更加登峰造极，不仅仅要观测，还要记录每一个望远镜所观测到的光波的变化。

同时我们的数据搜集数量非常惊人，每一个望远镜每一秒的数据生成是32GB，每一秒就生成一部高清电影，几天之后，我们的数据硬盘加在一起可以有半吨这么重。

EHT项目就有非常多遍布在全球的望远镜。2017年4月5日，八个天文台、所有的望远镜对准一个方向，室女星系M87黑洞，我们再放大，可以看到这样一个线，这是一股喷流，从这个星系黑洞发射出来，光学望远镜观测就到此结束了，如果你想提高分辨率就要用射电望远镜了。

其实分辨率好像也没有办法提高很多了，我们项目之前拍到分辨率最高的一张M87黑洞照片，已经被放大了七千万倍，还是很不清楚。这张是我们拍到的黑洞照片，有史以来第一次我们照到了黑洞的核心，看到了黑洞还有它旁边这些光圈，还有视界。你说它怎么这么糊？但是要知道这是我们拍到最清楚的一张，而这并不是故事的结尾。为了生成这张图非常难，基本上等于要弄清黑洞。

并不是关于黑洞的每一个特征我们都完全理解，有一些东西是未知的，有一些东西还是需要新的观测方法。我们制作了上千个模拟，调动了来自全球的超级计算机资源，生成黑洞模拟的数据库。我们也花了很多时间来理解重力引力到底是怎么样，这中间的阴影是不是就是史瓦西半径。这个黑洞的质量是太阳质量的65亿倍，非常庞大的一个数字。

EHT并不仅仅是唯一可帮助我们观察黑洞的工具，我们并不满足于只拍静止照片，还可以做视频，帮助我们更好地理解它的质量是怎么样的。当然我们需要一个更高的分辨率，进一步证明爱因斯坦广义相对论以及史瓦西的理论，所有这些会在未来实现。

这个照片是EHT团队最近一次开会的时候拍的照片，我们拍这个照片的时候没有公布那张黑洞的照片，我们其实非常清楚黑洞长什么样子，只不过还没有告诉世界。我想跟大家说的是，EHT这样一个项目一定是国际合作的，是全球项目，有非常多的科学家。在座的你们有非常多的机会，因为我们已经迎来了研究黑洞的黄金年代。在座各位你们是一支主力军，你们将见证科幻小说变为真实世界的那一刻。

中国科学院国家天文台副台长刘继峰：

我们的工作不仅是关于黑洞还是关于宇宙

黑洞一直是令人神迷的研究对象。从米歇尔开始，到史瓦西在一战战壕里第一个丈量黑洞，到奥本海默以及他的学生提出大质量恒星死亡必将产生黑洞，再到科尔解出“两个黑洞”，最后惠勒正式命名它为黑洞，后来才被广为人知。两百多年来，人类经受了很多苦难，两次世界大战让我们的世界支离破碎，但是人们对于黑洞的想象和探索从未停止。也正是在这些巨人的肩膀上，今天我们才能真正理解黑洞到底是什么。

惠勒说，物质告诉时空如何扭曲，而时空告诉物质如何运动，在这个意义上，黑洞就是这样一个极端的天体，它的空间曲率如此之大，连光都没办法逃脱。黑洞有一个奇点，有一个视界面，任何物质一旦通过了这个视界面就无法返回，只能一往无前奔向那个奇点。当然黑洞也是一个极端简单的东西，只需要三个物理量：质量、角动量、电荷，就可以完整描述黑洞。

黑洞不仅仅是物理的想象，宇宙中也可以观测到他们。天文学家对观测到的这些黑洞进行了分类。按照质量的大小，首先是那些恒星死亡形成几到几十个太阳质量的黑洞，这是黑洞家族中婴儿级别的；每一个大星系的中间，是几十个星系质量的黑洞家族的巨人。中间还有中等质量黑洞，但是目前还没有真正证实。

我们今天讨论的就是恒星级黑洞。恒星体型巨大，自身引力强，在大部分的恒星生命中是靠内部的核聚变产生巨大的热压力来平衡自身的巨大重力。你可以设想，有一天核聚变终会停止，热压力没有了，自身重力那么大，这个恒星会塌缩，如果大于自身20倍的质量，就必然形成黑洞。

有一个问题：恒星级黑洞是缺失的。宇宙中到处都有恒星，我们设想大质量恒星死亡的黑洞到处都是，根据理论预测黑洞会非常密集。现实是什么情况？研究了那么多年，我们在银河系仅仅找到近黑洞侯选体，真正确认的只有20多个，这是一个恒星级黑洞缺失的问题，要解决这个问题我们先看一下怎么样来发现这些黑洞。

归纳起来很简单，一听、二看、三找伙伴。

听。当有两个黑洞离得特别近的时候，他们会合并，释放出来巨大能量，把这样一种震颤以引力波的形式传播出去，我们的引力波实验可以聆听时空震颤的涟漪，告诉我们哪有双黑洞并合的事件，我们也可以知道这个黑洞质量是多少。

看。一个恒星当它离一个黑洞过近，黑洞巨大引力会把恒星的物质吸到它身上，形成一个吸积盘，这个温度非常高，可以发射非常明亮的射线，天文学家可以看它被黑洞吸引着运动的半径，从而测量黑洞的质量，确认这个黑洞的存在。

当然大多数情形不是前面两种情形，而是黑洞离伴星比较远，形不成吸积盘没有强的X射线辐射，怎样看到它呢？在这个情况下必须第三种方法，也就是找伙伴的方法。这个时候通过看伴星的运动来推知旁边有一个天体可以运动这个测量天体的质量。基本就是综上这三种方法。

从上个世纪60年代起，天文界就投入了巨大人力、物力用第三种方法来寻找黑洞，不过由于那个时候样本来源不统一，数据质量太低，最终无功而返。到了今天我们国家的重大科学装置LAMOST（大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜)，是世界上光谱获取率最高的望远镜，可以同时用4000根光纤，相当于4000个眼睛看4000个天体。利用它独特的能力，2016年对开普勒一个天区中的3000多颗恒星进行了为期两年的光谱监测，我们发现有300个天体的视像以及速度均有一个周期性的变化。我们发现B型星，表面温度18000度，但除了B型星吸收线在这个80天的运动周期之外，光谱中还有一条近乎静止且运转方向和B型星反相位的明线（Hα发射线），这说明它并不是来自于B型星。我们西班牙10.4米加纳利大望远镜（GTC）还有美国10米凯克望远镜（Keck），也证实了我们的发现。

在这个情况下你就会问，这个发射线到底来源于什么？它的普通逻辑来发现，这颗发射线只能是来源于围绕着黑洞的一个吸积盘。从B型星的运动和黑洞的相对运动其实可以得到它的质量比，这个质量是8.3倍，我们知道B型星是8倍，我们发现这个黑洞是70倍的质量。

这个黑洞我们命名为LB-1，我们可以把它放在以前已经发生的这些黑洞的质量图上，我们发现这个黑洞比其他已经发现的黑洞要重得多，其实它是迄今发现质量最大的恒星级黑洞。当然，它不仅仅是迄今最大，也引出了一个很大的问题，这个黑洞其实真的是太重了，我们可以设想一个大质量恒星要死亡会形成一个黑洞，这个黑洞的质量跟原来恒星有关，跟形成的过程中星风会造成质量的损失有关，同时还跟最后超行星爆炸抛射出来多少物质有关。我们发现星风损失跟金属丰度相关，金属丰度越高，损失物质越大，剩下的黑洞质量越小。对于像LB-1这样一个太阳金属丰度的系统，以前所有理论告诉你，形成的黑洞质量不会超过25个质量，现在发现70多个太阳质量说明我们已经步入了恒星演化、黑洞形成理论的一个禁区。这会推动天文学家去继续发展理论，推动天体研究的复兴。

这个工作之所以能实现完全依赖于LAMOST大科学装置，我们在发现这个黑洞的过程中，其实仅用了40个小时。但是如果你要使用一个普通的四米光谱望远镜来做这个工作，需要40年的时间。以前我们虽然有找小伙伴的方法，但一直没有成功，是LAMOST使得这种方法得以成功实践，并确立了这种方法，以后更多人就可以用这种方法去发现更多的黑洞。

这个工作告诉我们，除了少数释放X射线量的那些面目狰狞的黑洞，还有很多深藏不露的黑洞。我们下一步任务是找到更多藏不漏的黑洞，这就是我们的黑洞猎手计划。

我们希望将来可以翻上几番，我们构筑一个显著的黑洞质量分布，就可以做一系列的基本问题解答。我们的55个成员，来自于7个国家，28个院校院所，为了完成我们这个黑洞猎手计划，我们也组建了跨院校黑洞小分队，国家天文台、上海天文台、南京大学、武汉大学等等PL团队，让我们更快的来实现我们发现更多黑洞的目标。当然，我们会发现我们的工作不仅仅是关于黑洞，还是关于宇宙的。

我想我们每个人内心都有一个小宇宙。爱因斯坦曾经说过，宇宙最神奇的地方在于最不可理解的地方是可以理解的，当然，如何理解宇宙，是对我们人类的考验，也是对人类的馈赠。

我相信随着科技的发展，终有一天我们可以窥视宇宙的全貌。我们人类在整个宇宙中就像一粒沙尘，但是利用我们的观察和思考，终究可以让我们的想象力，特别是洞察力到宇宙的每一个角落，从这个角度而言，我们人类最终的命运其实是星辰大海。

清华大学生命科学学院院长王宏伟：

冷冻电镜是帮助我们开发抗癌药物的新工具

今天想跟大家讲的是，从另一个尺度去看我们的身体。人类在过去的几百万年一直用我们的肉眼来观察我们的周边世界，但实际上，我们也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些事情，《西游记》里面，孙悟空可以72变，钻到铁扇公主肚子里面，我们希望可以缩到原子层面看到更加精细的结构。大约三百多年前，列文虎克开始研究光学显微镜，首次让我们看到细胞的存在。显微镜放大主要是光通过透明介质的原理，用冰做成冰球对日光进行聚焦，甚至可以生火。

今天的光学显微镜，经过几百年的发展已经可以看到细胞里面的有趣现象。比如看雪花的话，每一片雪花都有不一样的晶体结构。用光学显微镜对果蝇复眼逐级放大，有非常多漂亮的细胞，它们以各种不同形状组合在一起，让果蝇的眼睛可以看到周边世界。

我的同事清华大学于毅教授发现，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。用光学显微镜观察一个细胞是如何分为两个细胞的，视频中，正在分裂的动物细胞纺锤丝把它的染色体逐渐拉到细胞两级去，最后一分为二。

上世纪30年代，德国科学家露丝卡发现电磁在磁场下可以发生这个聚焦效应，跟光学显微镜的原理非常相似，由此他提出电子显微镜的概念，并且发明了世界上第一台透射电子显微镜，获得1986年诺贝尔物理学奖。

今天的电子显微镜更加高级，石墨烯这样的二维材料里面的每一个碳原子逐一像蜂窝状一样排布起来。利用冷冻电子显微镜，我们就可以看得更精细，像细胞里面有很多不同膜的结构。冷冻电子显微镜简称冷冻电镜，是结构生物学的重要工具。三位研究冷冻电镜的科学家曾获得2017年诺贝尔化学奖。

什么是冷冻电镜？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，这样的冷冻样品放到投射电子显微镜中观察就叫冷冻电镜。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，可以看到很多孤立的蛋白质分子，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，从而获得更精细的内部结构。

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算法，细节足够丰富的时候就可解析到这个蛋白质模拟的三维结构，冷冻电镜三维重构解析，这个方法叫结构生物学。

用冷冻电镜可以揭示细胞生命过程的细节，像纺锤丝的精细结构缩短或者是变长的时候，它的末端发生变化，冷冻电镜可以瞬间固定这个状态，每一个瞬间都有电子显微镜观察细节，可以对正在伸长或缩短的纺锤丝微管的细胞骨架状态进行细微观察，在这个动态过程中，微观的末端在缩短的时候会形成环状结构，伸长的时候形成片状结构。

冷冻电镜可以帮我们了解很多有趣的生物学现象，大家知道辣椒可以很辣，是因为辣椒里面有一种小分子叫辣椒素，与神经末梢的蛋白质TRPV1结合在细胞膜上之后，让这个膜蛋白的通道打开，让细胞膜内离子向内部流动，这个流动会产生电流，通过神经纤维传递到大脑里，让我们感觉到辣。同样的蛋白对温度也很敏感，温度高的时候也会打开。

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，治疗我们的疾病。

过去十多年里，中国科学家建成了世界上最大冷冻电镜的设施，在冷冻电镜领域取得了很多举世瞩目的成就。清华大学施一公团队，对老年痴呆症重要蛋白质进行解析，对于我们理解它的发病机理甚至开发重要治疗方法有很重要的意义。2019年，中国科学家利用冷冻电镜解析到世界上目前最高分辨率、最大的病毒的结构。同年，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更好疫苗预防猪瘟病毒传染有重要的意义。

冷冻电镜技术可使我们对一个细胞内的活动有很多理解，这个视频是微观蛋白的装配及解聚过程，在细胞里面有这样的马达分子，像人一样可以沿着微观走动。这是在细胞核的表面，DRN从细胞核里分泌出来，形成与核糖体相互作用，和RA组成不同器官，发挥不同功能。这是细胞里已经产生的蛋白质分子通过囊泡分泌到细胞的表面，在细胞表面之后他们与细胞周边的机制相互作用发生结构变化，可以黏附到细胞的表面让其向前爬行。

希望有一天我们的小朋友们和各位大朋友们，有机会在这样一个地方，走进细胞，看到更多变化。这需要很多代科学家的持续努力，我们需要未来的生命科学家和大家一起参与进来，希望有一天我可以看到在座的各位小朋友们跟我一起来对生命科学的精细细节进行分析。

祝愿大家享受你们现在正在学习的知识和内容，做好充分的准备，未来加入我们的团队，一起对生命的奥秘进行深刻揭示。

“搞笑诺贝尔奖”创始人 Marc Adrahams：

如果你有一些令人发笑又思考的想法，也许会成为下一个获奖者

三十年前，我开创了一个叫做搞笑诺贝尔奖的奖项，还有一本杂志《不可思议研究》，去搜集那些让我们意外，以及让我们一开始为之发笑、后来又让我们思考的东西，也就是，乍看令人发笑，之后发人深省的研究。

对于搞笑诺贝尔奖，我们不在意它是好还是坏，是可能还是不可能，我们的评判标准是能够让人们发笑，感到有意思，一周后还会想起来并且思考这个事情。

如果你了解企鹅就知道，很多企鹅排泄的时候会喷射出一股白色的线，我们曾经把搞笑诺贝尔奖的物理奖颁给了一组研究企鹅排泄压力的实验专家，他们研究的就是这个压力到底有多大。如果你感兴趣的话也可以自己算一算。

还有一组科学家利用一些等式去计算以及解释这样的现象：当你的手伸直、拿着一满杯咖啡在路上走的时候，你知道后面会发生什么——咖啡会洒出来。为什么会洒出来，是因为你很笨，很不小心，不知道该怎样拿咖啡吗？他们发现并非如此，这与笨拙和灵巧都没有关系。基于物理原理，当你拿着一满杯茶水、果汁或咖啡往前走的时候，你的手会进入到某一种节奏当中，这个杯子及其中的水也进入到这种节奏当中，后面就会洒出来。我们也给做这项研究的团队颁了搞笑诺贝尔奖。

过了几年有一个韩国高中生读了这个新闻，就想知道举着手往后走，咖啡是否还会洒出来。他写下一些等式、做了一些实验，结果发现并非如此。这里的物理原理就很不一样了，因为当你往后走的时候，除非你是精巧的舞者，否则你就不会有节奏地走，除非跌倒或者撞到什么东西，杯子里的液体才会洒。

还有人设计出一种机器帮助女性分娩，它是一个很大的圆桌子，下面有一些帮助分娩的装置，孕妇躺上去束缚好后，高速旋转桌子，小孩一下子就被甩出来了。但是你可能会觉得这个不是最好的生孩子的方式。

这里还有一份科学报告是澳大利亚的科学家写的，标题是“分析把羊拖过不同地形表面所费的力气”，我们给他颁了搞笑诺贝尔奖。当我们颁发这些奖项的时候，我们会先悄悄地通知他们，他们可以拒绝领奖，但是大家基本都是同意的。我们颁奖的时候，那些人才意识到他们做的事情是很有趣的。有时人们接到诺奖组委会打电话也是同样的感觉。

我们的颁奖典礼在美国哈佛大学举行，每年会从一万个提名当中选出十个，有一些是新的设计，有一些是旧的设计以及发明。如果你赢了搞笑诺贝尔奖就会得到一个奖杯，每年奖杯都是不同的设计，它们共同点是都由非常便宜的东西打造而成，而当你在台上合照、握手、拿奖杯的时候，颁奖人可都是真正的诺奖得奖者。

还有一个小女孩也是非常重要的成员，当她觉得有人在台上讲得太久，就上去跟他说，请停下来，我感到很无聊，请不要再讲了。直到这个嘉宾闭上嘴，她才会停下来。还有，搞笑诺贝尔的奖金是将近十万亿津巴布韦元，颁奖时我们的观众还会朝台上扔纸。

一些科学家曾从流体力学的角度来研究猫是否可以拥有固体以及液体二象性。今年我们也给一组来自中国、美国、澳大利亚的科学家颁了物理学奖，他们测试了一个生物学原理：几乎所有的哺乳动作尿尿都是在20秒之内，正负相差之内不会超过13秒。他们说身体的大小不会影响排尿的时长。今年他们又得了另外一个奖项，他们去探讨了为什么袋熊的大便是方形的。

几年前我们还给英美科学家颁奖，他们计算出人的马尾为什么会摇摆，以及摇摆的平衡力点在哪里。当我们在跑步的时候，身体是上下动的，但是头发是左右晃的，为什么会这样呢？另一位获奖者安德烈·海姆曾用磁悬浮让一只青蛙飞起来，我们给他颁奖后十年，他因研究石墨烯得到了真正的诺奖。

几年前我们给一组驻扎在意大利的团队颁发了搞笑诺贝尔奖，他们通过仿真实验研究出人是否能在月球上实现水上飘。可以想像，我们可以有很多种的方式回答这样的问题，可能你自己也有两三种不同的解读。

同时我也想邀请大家来参加我们下一次的搞笑诺贝尔奖的大会。如果你觉得有一些想法让你发笑又思考，而且全球所有人都会因为这个发笑以及思考，把你的想法告诉我们，也许你会成为下一个搞笑诺贝尔奖的获奖者。

腾讯杰出科学家、量子实验室负责人张胜誉：

量子计算是一件需要有耐心长期投入的事

最近听到一个梗，遇事不决，量子力学。意思是说，只要我们搞不定的问题，往量子的概念上碰，很多问题会迎刃而解了。这当然是玩笑话。社会上还出现了“量子波动速读”这样的伪科学，他们可能会说这是物理学量子的事情，光的波粒二象性系的问题，你们家长不要问了，很专业。家长也不知道是怎么回事，但至少会想，量子力学到底是什么，孩子学这个东西到底靠不靠谱？最近听到的量子计算又是什么？

微观世界中，你会发现原子电子这些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，此刻就是站在这里，但在微观世界中，我又同时在另外一个地方，比如巴黎。在宏观中看不到，但微观里我们可以大量观察到同一个粒子可以处于两种截然不同的状态中。更有趣的是，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。

如果说叠加态还可以接受，第二个事情更加反直觉，就是观测。在微观世界中，对同一个东西，同一种状态，用同样的测量手段去测量，每次出来结果都会不一样。更麻烦的是，测完之后本来状态就改变了。举一个更严重的例子，我想量一下自己有多高，结果发现我处于叠加态，有时候我有两米高，有时候只有两厘米短。如果这个结果控制不了，测量结果告诉我有两米，一看自己真的长成两米高，要么测量结果说只有两厘米，我真的变成了这么小。这在宏观中是不可能，而且很麻烦的事情。

量子纠缠，是发生于两个及以上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多个物体每一个单独状态的乘积。大体而言就是他们两分不开，而且一个产生变化的时候另外一个也会产生变化。

说完量子力学的一些基本现象，再转过来看上世纪发展得很好的另一个学科，计算。计算有输入，也有指定输出，我们想做的就是把中间这个盒子做好，有一个数据进来，就有一个已经指定好的输出。给你一个很大的数，这个数是拿两个数乘起来的，那到底是哪两个数呢？好像确实有点难。在座的很多都是学生，一个100分的考试，你只拿了50分，是不是很可怕。比这更可怕的是，其他人都拿了100分。也有一点都不可怕的是，别人只拿了20分，你可以很骄傲地回家说，他们比我更差。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。

这件事在1994年发生了很大变化，当时AT&T贝尔实验室Peter Shor发现，如果我们有一个量子计算机，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，这个大随着数字越长体现越明显。这不是经典计算机多买一些机器、多等几个月就可以做，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。而量子计算机可能不到一分钟就算出来了。这是一个很大的问题，会不会对密码学造成很大影响？

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，比如测量本身的不确定性，对原来物体状态的破坏等。我们想办法怎样利用优势来克服困难，才能够实现量子算法。

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帮助不大。哪些计算问题量子计算机有帮助，有多大帮助及如何实现这些帮助，就是量子计算的根本性问题。

量子计算再往下发展，远不止密码学，还有其他应用，人工智能、物理、化学、制药、材料等等，腾讯量子实验室也在刚才所说的这些方面一直努力地持续探索。

不只是腾讯，很多国内外企业都在这个方面持续一起携手发展。大家可能会想，企业可以做基础科学吗？我们举AT&T贝尔实验室的例子，30年代发明的晶体管、纠错码、信息论、太阳能电池、激光、CCD、Unix操作系统，“C++”编程语言等等，有九项工作获得了诺贝尔奖，四项获得了图灵奖。

企业做基础科研有没有成功可能性？其实，有很大的优势：第一，从实际产业问题出发，具备重要且真实的推动力，有很多实际场景和数据；第二，更多专业背景的人在一起密切交流，撰写论文、申请基金等现实问题的压力较小，日常事务效率较高。

腾讯新的使命和愿景就是科技向善，腾讯做了很多跟AI相关的东西，包括发明的“绝艺”围棋AI为国家队提供陪练，AI人脸识别找回被拐卖儿童，也包括用AI辅助医疗，极大提高了诊断的准确率。

科学家精神到底是什么？我想真正科学家的精神不是求名求利，也不是求说话有一言九鼎的权威感，更不是说得到生活上的特殊待遇。持续推动科学家往前发展自己心中所伟大的科学事业的，其实是追求的一种真，一种美，一种对万世万物更深刻的理解，一种对人类生活更有意的改变。

我们希望世界各界一起在科学探索上能够有机的合作，发展出来更多的科学技术、社会工具，给人类带来更长期的福祉。也更希望在座的中小学生的朋友们，能够立志高远，保持童心的探索和好奇，在不久的将来，加入到科学探索的这个伟大而且非常有趣的事业当中。

北京化工大学特聘教授、科普学者戴伟（David G. Evans）：

短视频很公平，我希望利用最先进的平台传播化学

刚才同学们看到的“魔术”就是一个化学反应，很高兴跟大家讨论“化学反应发生在哪里？”与“化学跟我们有关系吗？”这些问题。我刚才做了一个化学实验，我估计很多同学看过，我加的这个黑色固体应该是什么？这是一个特殊的氧化还原反应，叫做气化还原反应，一部分被氧化了，一部分被还原了。

这个反应是在固体的表面发生的，我们可以利用催化剂，它在生活中非常重要，我们可以利用二氧化碳锰做催化剂。

开车要注意什么？不能超车，系安全带。做化学实验是安全第一，穿白大褂不是最重要的，最重要的是护目镜。如果你不戴护目镜，有一点盐酸进入你的眼睛就会发生非常不好的化学反应，所以希望同学们每次做化学试验都先戴护目镜。

但很多人跟我说，化学不是不好吗？化学会爆炸、会创造污染、有毒，化学这么不好吗？150年前，英国人出生时的预期寿命是50多岁，现在接近80岁，如果我们可以排除化学的不良作用也许可以活到100岁？为什么150年前这个寿命是50岁左右？原因是饮用水不干净、粮食不够、传染病没有办法治。这三个大问题怎么解决？

一，饮用水不干净由化学家解决，用漂白材料以及氯气等消毒过的水是干净的。二，营养不足谁解决呢？就是化学家。科学家把氮气想方设法变为氮肥，你们可以说，我不要你的化肥，我吃绿色食品就行，但是全球的人口七十亿人，如果都说我不要化肥就吃绿色食品，恐怕50%的人就饿死了，粮食根本不够。三，传染病谁解决？也是化学家来发明很多新型抗生素。我前年得了比较严重的肺炎，医生让我吃两种化学家发明的抗生素，如果化学家没有发明这个抗生素，我估计我今天不会在这儿。如果没有以前化学家的贡献，也许我们平均寿命也是50岁左右。

你们的兜里也有化学家的贡献，我们离不开手机，这不仅要感谢做软件的人，还要感谢化学家，因为元素周期表有118种元素，在地球上可以使用的有50种左右。手机中有40多个元素。含这些元素的先进材料都是化学家发明的，没有这个先进材料，就没有这个手机，卫星也发不了。

你们都吃过三明治，有各种味道，但宏观结构都一样，一层面包一层馅。北京化工大学国家重点实验室里，我们的材料也有三明治结构，但是我们可以改变组成成分从而改变它的性能和用途。我们实验室研发的材料由工厂生产，每年一万多吨新材料，它们有很多的用途：在寒冷的北方种菜的大棚膜里面有我们的材料，避免天黑的时候散热，提高大棚里面的温度，有另外一个三明治的材料——阻烟剂，避免电缆外面的塑料着火。

现在中国特别重视西部大开发，提过一个地区经济发展先要铺路的想法。但青藏高原海拔高，紫外线很强，皮肤很快被晒黑了。路面沥青也是一样，受到紫外线的影响就破坏了。我们有另外一种材料会保护这个路面的沥青，跟防晒油一样。开车需要轮胎，为了避免这个轮胎漏气，也可以加我们的另外一个三明治材料。所以我们三明治材料的研发，对农业、安全、脱贫等都有贡献。

恐怕很多人不了解化学，容易被欺骗。有很多人认为，买瓶碱性水很贵，但是对身体有好处，它会抗癌。真的是这样吗？你喝一瓶碱性水就可以调整你的血液以及体液吗？我这里有一杯水，加酸加碱，PH值会变。利用产生二氧化碳和水的反应转变为碳酸，吹了一会儿颜色变了，这个水变为酸性。另外一个液体，我吹了半天颜色还没有变，所以有的液体会耐酸耐碱。我们的血液就是一个非常好的缓冲液，所以，碱性水25块钱一瓶，普通水1块钱一瓶，对你人体的效果一样。

也有很多人说要买不含化学物质的化妆品，但是有这样的物质吗？你看洗发水里面，没有H2O吗？没有不含化学物质的成分，不用多花钱买很多所谓不含化学物质的化妆品。很多人说不含化学成分意思是天然的而不是人工的物质。但是恐怕不能说天然的物质都好，像吃绿色蘑菇可以去森林，没有农药，没有化肥，但你不是蘑菇专家的话敢吃吗？所以不能简单区分天然和人工的物质。

我们化学家宣传不够，但宣传化学对社会的贡献是避免谣言。我11岁开始做化学实验，之后上了牛津大学。1996年来在北京化工大学工作。2011年开始，我给小朋友们做实验，两年之前，我们开始用短视频平台传播化学在“戴博士实验室”发化学实验视频。

很多人问我为什么用短视频的平台？你白头发的老头，这不是年轻人的环境吗？不仅因为观众的数量多，短视频很公平：你有手机，有网络，不管你在哪儿，在大城市还是农村都可以享受。另外，小朋友们经常会为了娱乐打开短视频。通过这种平台我们可以接触难以接触到的人，让更多的小朋友人跟你们一样热爱化学。所以我希望利用最先进的平台，有效地传播化学，让大家认知到化学对社会的贡献，避免人们相信谣言。

我们的工作离不开化学家的贡献，我们需要更好的手机、更好的先进材料，谁会发明呢？就是化学家，但不是白头发的化学家，是黑头发的。你们在这里的头发都是黑的，所以希望你们要加油，在黑头发变白之前，努力发明更好的先进材料。

我的演讲任务完成了，但是在这里的同学你们任务刚刚开始，因为你们就是未来的科学家。

中国月球探测工程首任首席科学家欧阳自远：

中国要飞得更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，2018年要发射探测器，着陆到人类从来没有去过的月球的背面，2019年我们要着陆在月球上把样品采回来，2020年我们中国将进行首次火星探测。紧接着我们还要继续努力两个十五年，我们中国将要建设一个伟大的太空强国。

我首先介绍嫦娥四号，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。到月球的背面之后有一个最大的难题，就是看不见，不能通讯。200多年以前法国的数学家（研究出）月拉格朗日有五个引力平衡点，只有一个办法，发射一个中际星到拉格朗日第二点上，看能不能把这个月球的背面跟我们遥远的地球联系起来。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和月球联系起来，形成一条畅通的链路。

其次如何在月球上着陆也是嫦娥四号面临的另一大难题。月球表面是超高真空，重力加速度会使它越掉越快，最后会砸得稀烂。只有一个办法，在着陆器的下面安一个发动机，你往下掉我就往上推，减缓下降速度。

还有一个问题，月球表面这45亿年以来被砸的大大小小的坑有上亿个，着陆器一旦一个腿掉到某一个坑，就会倒下去，月球车也将前功尽弃。幸好我们有非常高级的人工智能计算机，允许着陆器慢慢降落后一边落一边拍照，通过人工智能分析是否适合落地。最后我们共拍了3764张照片，有一张照片可以落了，我们便按照人工智能的指示安安稳稳地着陆到月球的表面。

我们要着陆的月球背面有一个巨大的撞击盆地，我们认定了一个100多公里的撞击坑，叫做冯卡门撞击坑，要落到那里面。为什么要落到那个坑中？因为这个大盆地是40亿年以前砸下来的，砸完了之后把表面的东西全部撞击抛射出去，把里面的石头全部露出来，那一定是比40亿年更早的石头，我们想知道月球早期的历史。

我们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的科学信息，但是由于地球的电离层干扰，长波的电磁波或者是低频的电磁波我们地球收不到，即使在月球的正面也收不到。想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，我们中国跟欧洲很多的国家合作，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，现在逐步正在发表。

嫦娥四号已经整整工作一年，取得了大量的成果。按照计划，2020年我们要到月球上采样返回，离阿波罗载人登月的地方很远，一千多公里以外的。落下去后，我们会用电铲采样和打钻取样等方式把所有的样本装到锥形舱里头。但是我们回不来，在月亮上没有那么多的燃料把它送回来，月球空间跟飞船自动会对接，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落在内蒙古的四子王旗。这样中国就有这个能力，首先我们可以到月球，另外我们可以安全落下去，其次还可以安全返回地球，所以我们完全有能力把那个宇航员送上月球，而且还可以让宇航员安全返回月球。

另外，2020年我们计划把中国的火星探测器送上火星，大概路途要飞七个月左右，将近四亿公里到达火星。每26个月，我们才有一次前往火星的最佳时机，今年的六七月就是一个窗口，我们必须把握好这个窗口。我们到火星为了全面地探测火星，这是我们中国第一次探测。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我们做了大量的分析，最后证明火星曾经有过生命，这是很了不起的一件事情，我们最终在欧洲发表。但火星现在究竟有没有生命，到底以前有过生命是什么形态还无从得知。其次，全世界的科学家都有一个共同的认识：改造火星，让它变为第二个地球。人是经过了38亿年生命的逐步演化，到最后的200万年才进化成现在的模样。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7月1第一个一百年到来的时候，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：中国要探测整个的太阳系。难道我们这浩瀚太阳系只有地球有生命？哪怕发现了细菌也是了不起的事情。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，要为我们人类社会的最后持续发展作出贡献。

此外我们还要避免小天体撞击地球，受到突然袭击，以防发生千万年前恐龙灭绝的事情。地球外面密密麻麻的近地行星大概有两三万个，其中直径大于一公里的有800个，任何一个撞下来都是巨大的灾难。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。当然现在的航天器技术完全可以规避这一点。

其次，我们还要去木星。它有79个月亮，我们选了两个月球，其中一个是木卫四，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。

这些任务都非常艰巨，但我们中国要越飞越远。

太空资源主要是矿产资源和能源资源。月球土壤里面有大量的氦3，我们嫦娥一号计算的结果大概至少可以确保我们核聚变满足全人类一万年的能源需求，所以太空的资源能源是很丰富的。同时月球的环境太恶劣：没有空气，没有物，没有人，没有天体变化，日夜温差三百度，而且又没有磁场……我们反而可以利用其条件进行一些产品的生产和太空资源的开发利用。总之，月球包括小行星的资源能源环境的开发利用，对于支持人类社会的有序、健康幸福的发展将会发挥重大的作用。

我们能否改造火星？要精细地探测火星当前的环境，人类一定能够把火星逐步改造成为青山绿水，环境美化的火星，变为人类第二个栖息地，这样地球和火星将成为人类未来发展的姐妹共同体。这是科学家的梦想，但是所有这些寄托在我们孩子们的身上。孩子们，你们是未来国家的主人，是未来建设强国的担当，我坚信你们一定有能力有气概、有信心去完成我们中华民族的伟大任务，为全人类的发展作出贡献，成为杰出的未来建设祖国的主人翁。

我这个老头衷心地祝贺你们，谢谢。

一起“飞跃史瓦西半径”

1884年，11岁的德国物理学家卡尔·史瓦西认识了父亲的一位教授朋友，他第一次到了专业的天文台。在这位教授的鼓励下，史瓦西爱上了天体物理学。

1915年，在爱因斯坦创立“ 广义相对论”仅一个月后，在一战战壕里的史瓦西，迅速得出了爱因斯坦场方程的精确解，从而揭示了黑洞理论存在的可能。

2019年，世界各地的科学家一起合作，终于拍到第一张黑洞的照片。之后，中国科学家领衔的团队，又拍到了大到超过理论限制的恒星级黑洞。

两个世纪来，人类从认识到“暗物质”，到推测出“黑洞”的存在，再到拍摄到黑洞的照片，科学探索的成果可谓丰厚，科学精神的礼赞名副其实。

这就是今年小会主题“飞跃史瓦西半径”的来源。小会期待，每一个热爱科学的孩子，都能发现属于自己的“史瓦西半径”，都能坚持不懈地去尝试飞跃属于自己的“史瓦西半径”。

孩子们的飞跃，可以是这样的👇