本周——神秘的东西正在穿过你的身体，它把银河系连在一起……但我们不知道那是什么。我们与科学家交谈，试图找出答案。此外，这项已有100年历史的技术正在帮助我们对抗目前无法治疗的感染。有证据表明黄蜂可以判断事物的大小……
在这一集里
噬菌体治疗耐抗生素细菌
与匹兹堡大学的Graham Hatfull合作
大约一个世纪前，一项技术被首创，但随着抗生素的出现，这项技术基本上被抛弃了。由于现代技术的发展，这项技术给大奥蒙德街(Great Ormond Street)的一名病人打了一针，挽救了他的生命。这就是“噬菌体疗法”——利用杀死细菌的病毒来对抗感染。Chris Smith采访了匹兹堡大学的Graham Hatfull。
格拉汉姆:头条新闻是我们用噬菌体治疗了一个感染了一种非常讨厌的抗生素抗性生物的病人。我们在伦敦大奥蒙德街医院(Great Ormond Street Hospital)的同事，他们有一些患有囊性纤维化的病人，他们接受了双肺移植手术，但随后遭受了非常严重的细菌感染，基本上，无法治愈，因为他们对所有的抗生素都有抗药性。所以我们所做的就是找到噬菌体，这些噬菌体可以感染病人感染的特定的细菌菌株，我们给病人注射了噬菌体，我们看到了非常好的临床效果和病人的存活率。
克里斯:你最后使用的噬菌体是从哪里来的?你是怎么找到它的?
格雷厄姆:我们研究这些噬菌体已经有很长一段时间了，所以我们有一个大约15000个噬菌体的文库，根据我们对它们的了解，我们可以把它们缩减到一个候选名单，我们能够确定三种噬菌体，它们对这种特殊的细菌病原体很有效。
克里斯-那你花了多长时间?因为对于极度不适的人来说最重要的一点是你没有太多的时间如果你使用抗生素那就太好了因为通常你可以拿到现成的药物然后直接给病人服用。我假设你只是不能找到噬菌体，然后把它转过来，在与目前使用抗生素相同的时间内使用它?
格雷厄姆:是的。这花了几个月的时间，特别是因为我们不仅要筛选我们最喜欢的候选药物，而且我们还必须做一些基因工程，把一些很差的候选药物变成有效的抗菌药物。这种由分枝杆菌引起的感染往往进展相对缓慢，所以在这种情况下，我们有一段时间——大约六个月左右——病人基本上是在那里挣扎着，我们能够在足够的时间内获得噬菌体，以便能够使用它们取得良好的效果。
克里斯:那你是如何操纵噬菌体，让它们击中最佳位置，杀死正确的细菌的?
格雷厄姆:我们面临的一个问题是，并不是所有的噬菌体都是溶解性的，它们在感染细菌时并不总是杀死细菌。我们需要做的是利用基因工程去除一个引起这个问题的特定基因，从而将一个不是很有用的噬菌体转化为一个有效的治疗体。
Chris -一旦你找到了你想要的噬菌体，你知道你已经优化了它们，你是如何管理这些噬菌体的?
Graham:实际上有两种给药途径:静脉注射，然后将一些噬菌体溶液涂在纱布上，涂在移植的胸骨伤口上，以及皮肤结节上，这是这类疾病的常见表现。
克里斯:那你怎么知道你已经把细菌清除了呢?你怎么知道那里没有隐藏着一些现在对所有已知的抗生素和噬菌体都有抗药性的东西，并且可能会回来呢?
格雷厄姆:这又是一个很好的问题，显然也是我们非常担心的问题。我们没有使用单一噬菌体，而是专门制造了一种由三种噬菌体组成的鸡尾酒，以试图解决耐药性问题。细菌可能会对一种噬菌体产生抗药性，但它们仍然会对我们在鸡尾酒中给予的其他噬菌体敏感。
克里斯-我们正处于英国首席医疗官所说的“抗生素末日”的情况下，那么你认为噬菌体会卷土重来吗?
格雷厄姆:我认为这是一个很好的机会，可以尝试找到噬菌体可以真正有效治疗的感染类型。有一些特殊类型的疾病和感染可以使用它们。人们可以想象用一种聪明的方式来使用噬菌体，你可以把它们和抗生素结合起来，以增强抗生素的效用，并试图帮助减少对抗生素的耐药性。
格雷厄姆·哈特富尔(Graham Hatfull)讲述了英国研究人员弗雷德里克·特沃特(Frederick twwort)于1915年首次发现的噬菌体如何在一百年后帮助我们对抗抗生素耐药性感染。这些结果发表在《自然医学》杂志上。
修复损伤肺用于移植
与范德比尔特大学的马修·巴切塔合作
每年有成千上万的人在等待移植名单上死亡。而肺的供应尤其短缺。现在，科学家们可能已经找到了一种方法来增加适合移植的供体器官的数量。实验用猪肺非常类似于我们,马修Bacchetta Vanderbuilt大学发现,如果他受伤的肺,通常会不适合移植,并探索着潜在接受者的循环系统,一天左右,但保持肺外的身体在一个特殊的机关室——滋养的愈合影响血液供应,他们迅速恢复状态,这意味着他们可以在接收方。马修采访了克里斯·史密斯……
▽马修=肺对胃误吸造成的损伤非常敏感，肺挫伤，也就是肺部受伤，病人在呼吸机上受到感染，所以他们可能会患上像肺炎一样的细菌感染，这些都是器官被认为不适合移植的主要原因。我们在这里所做的主要目的是复制我们在人类身上看到的损伤。我们用的是胃抽吸术;这基本上意味着病人的胃内容物，非常酸性和腐蚀性，进入肺部，引起炎症，就像严重的肺炎，这样器官就不能使用了。我们的系统使器官能够随着时间的推移进行再生或自我修复。
克里斯:你是怎么做到的?
马修:我们首先尝试了很多不同类型的离体系统，这意味着器官被放置在体外，分离成一种机器灌注系统。在经历了非常沮丧和反复失败之后，我们终于有了“顿悟”的时刻，我们说我们不能复制整个系统，但我们能做的是将器官连接到一个自然宿主或受体上。换句话说，这个器官可以移植到需要肺移植的人身上，这个身体提供了伤口愈合所需的整个自然系统。我们所做的基本上就是把这个器官插入潜在的接受者体内他们的血液中提供了所有的关键因素，使器官能够愈合。
克里斯-那么肺放在哪里呢，放在浴缸里病人旁边吗?当你真正开始做这个的时候你最终会有一些管子从病人身上出来把血液从这些肺里输送出来这些管子会在他们的身体外面，在他们旁边?
马修:没错。这正是我们所做的。它们被放在一个专门的容器里——它看起来和我们为透析病人所做的非常相似，他们会让血液流出，血液会进入透析机器，然后血液会回流到病人体内。
克里斯-肺的呼吸也一样吗?你是在推动空气进出肺部吗?你这样做是为了保持它的自然，如果它在体内，是为了模仿真实的身体环境?
马修-是的。我们把它连接到一个机械呼吸机上，我们就可以实时测量这个器官的表现。
Chris -所以你在观察有多少氧气被你的肺推入血液中，所以这给了你一个标记，它们的表现有多好，有什么改善?
马修:完全正确。所以我们可以长期监测，这给了我们一个监测改善过程的基准，也让我们知道我们什么时候达到了正常水平。
Chris -为什么这比把肺放进个人的句号更好?因为你基本上是在做同样的事情，你给他们输送血液，你给他们输送空气，为什么在体外做比把它们放进体内更好呢?
马修-是的，这是个好问题。主要的区别是你必须让病人接受一个非常有侵入性的手术。我必须切除他们的肺，我必须植入新的肺，我们知道肺已经受损，它们不适合移植。然后我必须支持那个肺部受损的病人这导致了严重的炎症过程所以身体实际上并不能有效地治愈那些肺部病人变得不稳定因为他们现在依靠受伤的器官来维持生命。
克里斯:当接受移植的人有了额外的肺，而且不是普通的肺，而是别人的肺，其他动物的肺，还有患病的肺时，他们的情况如何?个人是否有明显的负担，或者他们是否处理得很好?
马修-他们实际上处理得非常好。他们的血流动力学稳定，这意味着他们的血压，心率，以及我们使用的所有其他生理指标都是正常和稳定的。
预测炎症性肠病
肯·史密斯，詹姆斯·李，剑桥大学
炎症性肠病可以引起严重的疼痛和严重的问题，那些每天处理它。但这对那些患有抑郁症的人意味着什么，我们又该如何改善他们的生活呢?亚当·墨菲采访了剑桥大学的肯·史密斯和詹姆斯·李，介绍了他们开发的一项新测试，该测试可以预测炎症性肠病患者未来的严重程度。但首先，我们听到了IBD患者凯特的声音，她已经与这种疾病抗争了很多年……
凯特:我14岁时被诊断出患有克罗恩病，当时没有迹象表明病情会变得如此严重。当时我的顾问告诉我，我需要切除一些肠道，但没有理由认为这不会在很长一段时间内结束。不幸的是，九个月后，我再次感到不适，在接下来的几年里，我服用了一系列药物，所有这些药物都有相当严重的副作用，但对阻止疾病的发展几乎没有作用。最终，我的大肠严重受损，无法挽救。在手术前，我用了几个月的喂食管来增加体重，医生告诉我，我需要一个永久性的结肠造口袋。
亚当-那是凯特。正如你所听到的，她患有克罗恩病，一种炎症性肠病或IBD。但是像她这样的人的身体里发生了什么?我采访了剑桥大学的胃肠病学家詹姆斯·李(James Lee)。
詹姆斯- IBD是一个总称。它代表炎症性肠病包括克罗恩病和溃疡性结肠炎这是两种不同的疾病。但在这两种疾病中发生的是你的免疫系统交叉了，免疫系统实际上攻击了肠道，结果是它会引起肠道内的溃疡和炎症，这会导致非常严重的症状，比如出血和腹痛。这些都是无法治愈的终身疾病，其中一个大问题是，一些患者会患上非常严重和侵袭性的疾病，而患有同样疾病的其他人实际上可能会有非常轻微的疾病病程。所以现在治疗溃疡性结肠炎和克罗恩病患者最大的挑战之一是确定哪些患者需要更积极的治疗方法因为他们的疾病会变得更加严重，哪些患者实际上会在相对较少的治疗下做得很好。
亚当-你是怎么做到的?剑桥大学医学部主任肯·史密斯带我看了一遍……
肯-我们大约12年前开始的。我们感兴趣的是找出是什么因素导致了炎症性肠病等疾病患者的不同长期结果。所以我们一开始招募了很多确诊的病人，测量他们当天血液中的基因表达，然后比较这些基因的表达模式，即所谓的特征，将其与他们的长期临床结果进行比较，所以这项研究花了很多年的时间。
我们发现了一个与人们长期表现密切相关的特征。然后我们利用这个特征，在一个复杂的过程中，开发了一种全血测试，重现了这个特征的效果，让我们把病人分成两组，两组的长期结果非常不同。
亚当-你找到的签名是什么?
这是一种被称为CD8 T细胞的特征，它是白细胞的一个子集，它本质上是一种被称为T细胞衰竭的测量。所以如果你有耗尽T细胞的倾向你就会有很好的长期结果，而如果你没有耗尽你就会有相反的情况，你就会有更具侵略性的疾病过程。所以我们确实理解了支撑这个实验观察结果的生物学途径。
亚当-这对病人来说意味着什么?回到詹姆斯身上……
詹姆斯-这可能真的会改变治疗IBD患者的游戏规则。目前，大多数患者接受的是表面上“一刀切”的治疗方法，这是因为我们根本没有很好的方法来识别哪些患者需要更积极的治疗，哪些患者不需要。因此，目前，英国和世界上许多其他地方的每个人都将开始接受初步治疗。如果他们的疾病继续频繁发作，他们就会变得更强，如果疾病继续发作，他们就会变得更强，治疗的增量会一直增加，直到我们最终得到他们需要的治疗。
对于那些患有最严重的疾病的患者可能要等到他们接受第四或第五线治疗的时候，与此同时，他们有时会暴露在持续多年的活动性疾病中伴随着并发症的所有风险。相反，我们知道，如果我们能够提前给这类患者最有效的治疗，这些患者就能从早期控制疾病中获益最多。
因此，长期以来，在炎症性肠病以及其他医学领域，人们一直在寻找方法，将正确的治疗方法与正确的病人相匹配，所以如果你有一些东西可以让你以这种方式个性化治疗，它将彻底改变我们未来治疗病人的方式。
亚当:最后，这对像凯特这样的人意味着什么?
凯特:对我来说，克罗恩病一直是一种不断蔓延的疾病。在我被确诊后的几年里，我一直在服用各种强度的药物，我失去了一些我可能永远不会放弃的东西，如果负责照顾我的人有一个工具，让他们更清楚地看到我需要什么来保持健康的话。难以置信的是，这样的一个测试可以拯救很多人。
黄蜂能像人类一样进行比较吗?
与密歇根大学的伊丽莎白·蒂贝茨合作
人类非常擅长使用一种被称为“传递推理”的认知技能——利用你所知道的事物的信息，对你所不知道的事物得出结论。例如，如果你知道A比B大，B比C大，你可以知道A比C大，而不必把它们放在一起看。我们知道人类可以做到这一点，但其他动物是否也能做到这一点，这是一个悬而未决的问题。密歇根大学的伊丽莎白·蒂贝茨教授一直在研究人类最邪恶的敌人之一黄蜂是否有能力使用这种先进的认知技术。她和本·麦卡利斯特谈过……
伊丽莎白:很久以前，人们认为传递推理是建立在逻辑推理的基础上的，我们认为只有人类才有传递推理的能力，不出意外，不久我们就发现人类并不是唯一有传递推理能力的。事实证明，很多脊椎动物都能进行传递推理，比如灵长类动物、鸟类，甚至鱼类。
本:哇。所以它生活在我们过去认为是人类经验特有的那一桶东西里，但我们很快就知道它正在变得越来越小?
伊丽莎白:我想这是一个很小的桶。有一个关于传递推理的非脊椎动物的研究是在蜜蜂身上做的，他们发现蜜蜂不能做传递推理。所以我认为黄蜂比蜜蜂聪明得多所以我想测试一下黄蜂是否能做到这一点。
对于那些不太喜欢黄蜂的人来说，你首先听到的是，黄蜂不仅比蜜蜂更可怕，而且确实比蜜蜂狡猾得多，所以把这一点加到你的考虑中。为了弄清楚黄蜂是否可以使用传递推理，你对这项研究做了什么?
伊丽莎白:我们所做的就是训练它们认识一堆颜色。例如，我们会训练它们蓝色比绿色好，然后我们会训练它们绿色比紫色好，然后我们会训练它们紫色比黄色好。他们有了这些信息，现在我们让他们做一个推断，问他们你更喜欢绿色还是黄色?
本:好的。他们从来没见过绿色和黄色在一起吗?
伊丽莎白:没错。他们从来没见过绿色和黄色在一起。有些时候绿色是好的，有些时候绿色是坏的所以刺激本身并没有什么不同。
本:你是如何训练一只黄蜂，让它知道绿色比其他任何颜色都好?
伊丽莎白:我们用这个小小的玉米来训练它们。它必须很小，因为黄蜂很小。有些底部带电，有些底部不带电。所以当我们训练它们蓝色比绿色好时，蓝色是迷宫中安全的区域，绿色会给它们一点电击。
本:你到底是怎么知道小电击对黄蜂来说是什么?
伊丽莎白:我想说这是反复试验的结果。但我保证在这个实验中没有黄蜂受到伤害。我们想让他们学习，所以我们不想让他们被吓坏或担心什么的。所以我们只是给它们足够的电击，让它们表现得有点不舒服，这样它们就会开始更快地四处走动，试图逃离它。
所以他们只是在这个迷宫里呆了一段时间直到他们最终到达不会让他们感到震惊的那部分并且那部分与你想训练他们的颜色相对应，好吗?
伊丽莎白:没错。他们在迷宫中移动，最终到达安全的地方，他们会说，哦，我的天哪，安全了，那里是绿色的，绿色很好。
本:好的。你训练他们之后做了什么?
伊丽莎白:在我们训练它们之后，我们要对它们进行测试，我们把它们放在一个盒子的中间，然后我们测试它们更喜欢哪种颜色。
本-你没有电刺激还是电刺激仍然存在?
伊丽莎白:两边都有颜色，也没有电来提示它们，但它们的想法是，它们知道绿色是好的，然后它们就会去绿色的那一边。所以我们用我们最初训练它们的颜色来测试它们，以确认它们已经学会了我们训练它们的颜色，然后我们也用新的传递物对来测试它们。
本:好的。你发现了什么?
伊丽莎白:我们发现黄蜂确实有传递推理。所以他们把这些训练过的组合在他们的脑海里线性地组织起来，然后用传递推理在之前从未出现过的刺激之间做出选择。
Ben:这很有趣，因为，正如你之前提到的，之前有人发现蜜蜂不能做到这一点。蜜蜂和黄蜂的大脑大小肯定很相似，对吧?
伊丽莎白:是的。蜜蜂和黄蜂的大脑大小相似，而且它们的大脑非常小，大约只有一粒米那么大。我认为蜜蜂和黄蜂的区别不在于黄蜂是天才而蜜蜂是笨蛋，而在于黄蜂和蜜蜂的社会生活是怎样的。一个蜂群中所有的工蜂都是一样的，它们花时间觅食，但在一个黄蜂群体中有各种有趣的统治关系。它们有线性的统治等级，统治黄蜂负责大部分的繁殖，从属黄蜂负责大部分的工作，所以弄清楚其他黄蜂在黄蜂领地的统治地位是非常重要的。例如，如果你之前在一场战斗中打败了简，你看到简打败了苏珊，那么你可以推断，嘿，我可能会打败苏珊。所以这类事情对黄蜂很重要，对蜜蜂却不重要。
我也会说可能对人类很重要，这取决于你问的是谁。
伊丽莎白:是的，对人类来说绝对很重要。
本-这很重要。你认为是否可以将这种推理扩展到处理其他动物或其他动物认知?
伊丽莎白:我敢打赌，许多其他昆虫都有传递推理的能力。我想我们只是还没有测试它们。我认为其中一个信息是，动物可以非常擅长对它们重要的事情。我们认为人类在所有事情上都是最好的，但许多动物在成功所需的特定事情上都表现得非常出色。
本:智力不仅与大脑的大小有关，还与需要完成的任务有关。
伊丽莎白:没错。做复杂的事情不需要很大的大脑。如果动物需要的话，即使是很小的大脑也能做复杂的事情。
在裸体金宝搏app最新下载科学家的邮箱里
克里斯·史密斯和凯蒂·海勒打开了裸体科学家的邮箱，看看听众们一直在问什么和告诉金宝搏app最新下载我们什么……
凯蒂-原来我们的邮递员，那天在办公室外面递邮件的时候，是这部剧的粉丝，所以非常感谢你。现在他想了解重力。重力到底是什么，它是由什么构成的?本，你能帮我们解决这个问题吗?
这是一个很好的问题。答案本质上是我们不知道。没有人真正知道，这就是为什么这是一个很好的问题。我们知道自然界有四种基本的力量，请继续收听本节目的后半部分，在那里你会听到更多关于它们的细节。
我会具体讲两个;我们在这里讨论的是引力。它存在于任何两个有质量的物体之间，把它们拉到一起。我们可以把它和另一种力比较我们知道它是由什么组成的那就是电磁力，这是磁铁相互吸引时感受到的力。这个力，如果你想说，是由某些东西组成的，它实际上是由这些叫做光子的粒子组成的光子就是光的小块。当磁铁相互吸引时，它们实际上是在互相发射小块的光，如果你愿意，这就是这种力的组成。
如果我们要引入类似于重力的东西，我们不知道重力是否有类似的东西。有些人认为可能有一种粒子叫做引力子，尽管它从未被探测到。另一些人会说没有什么东西，这实际上只是时空本身的物理弯曲，产生了像引力这样的效应。简短的回答是，我们不知道。很多人都想知道——好问题。
凯蒂-这是个大问题，不是吗?
本-是的。
凯蒂-但听起来这个节目的后半部分可能会帮助我们尝试理解一些科学。
本:当然。对暗物质的更好理解肯定会导致对引力的更好理解。
凯蒂-所以我们的邮差选了一个很好的时间来问重力的问题?
克里斯-这就对了。本，非常感谢你给我们邮差的一流答复
什么是暗物质?
剑桥大学马丁·里斯教授
我们将深入研究构成宇宙大部分的神秘物质。但我们看不见它，也不知道它是什么。那么，我们究竟要如何找到答案，我们又怎么知道它的存在呢?本·麦卡利斯特发现了…
本，我想给你讲个故事。这是一个关于星系、黑洞、恒星、行星、人类和宇宙中一切事物的故事。我们现在知道，宇宙中所有的大东西——人类、行星、恒星——都是由少数几种不同的粒子组成的。这些微小的东西，比如由质子、中子和电子组成的原子。对于这些小事，我们已经知道了很多;他们是如何在过去几百年里创造出更大的东西的。总的来说，天文学家把所有这些东西都称为重子物质，这就是所有的东西，对吧?
我是来告诉你事实并非如此。重子物质——人类、行星、恒星——只是整个故事中很小的一部分。在今天的节目中，我们来听听我们对它的其余部分的了解。我们将会听到暗物质。
先给大家介绍一下，暗物质是一种占据宇宙的神秘物质。它是巨大的，是普通物质的五倍，无处不在。现在，当你听的时候，它正穿过你的身体;我们看不见，摸不到，也感觉不到。但在我们了解它是什么之前，我们必须回顾一下。你是否曾经仰望星空，想知道外面是否还有更多的星星?如果你有，你真的不是一个人，只要有人类，人类就一直在这样做。
马丁·里斯教授，皇家天文学家……
马丁:实际上，其中一些是在20世纪30年代通过弗里茨·兹威基的工作出现的，他是一位瑞士裔美国天文学家;他当时正在研究星系的分布。每个星系当然都和我们的银河系一样大，所以他是在非常大的尺度上观察宇宙。他意识到星系并不是随机分布的，它们是星系团，而这些星系团显然是由引力聚集在一起的。但当他测量这些星系的速度时，他惊讶地发现它们并没有分开，因为与这些速度相对应的能量会压倒将星系团聚集在一起的引力，如果这种引力仅仅是由星系引起的。他推断一定有一些额外的物质将星团结合在一起，这是第一个真正重要的证据，证明在可见的气体和恒星之外的宇宙中存在一些黑暗物质。
本:几十年来我们一直在观察这样的事情。大型天体在太空中的奇怪运动如果我们只考虑我们能看到的物质是无法解释的。这一切都归结为重力。重力是支配物体在太空中运动的主要力量。它是一种存在于任何两个有质量的物体之间的力，它把它们拉到一起。质量越大，引力就越强，但重要的是，两者之间的距离越大，引力就越弱。
在太空中，当我们观察我们可以看到的东西，比如恒星，我们可以估计系统中有多少质量;然后，通过使用万有引力定律——我们称之为牛顿万有引力——我们可以模拟出我们期望的质量运动方式。当事物不按我们预期的方式运动时，比如它们运动得快得多，这意味着我们的想象中缺少了一些东西。有一些额外的力使物体运动得更快，这表明它们有一些额外的质量来提供额外的力。
马丁:比如说，如果你发现木星绕太阳公转的速度和地球一样快，你就得推断出有很多神秘的物质在地球的轨道之外，而在木星的轨道内。所以木星不仅能感受到太阳的质量，还能感受到地球无法感受到的额外质量。当然，在更大的范围内，类似的事情发生在人们研究星系外部的时候。他们发现这种材料会更快,偏远的恒星和气体的距离会更快,这暗示一个星系的恒星并不占主导地位的质量,一个整体,这种像我们这样的星系是嵌入在所谓被晕的一些材料没有发出任何光,但施加强大的引力,并主导星系的引力外地区。
本-我们已经到达了故事的这一点，由于对太空中物体运动的观察，我们非常确定我们被大量的暗物质包围着。再说一次，它现在正在你的身体里移动，它的重量远远超过了我们所知道的普通物质，我们只是不知道它是什么。从那以后，我们对它有了更多的了解，但并没有那么多。这是一个新的领域，一个新的探索领域。我们确实有一些理论来解释我们所看到的现象，其中一些理论实际上根本不包括任何暗物质……
马丁:当然，有一种观点认为我们对重力的认识是错误的。当然，所有从行星、恒星和星系的运动中推断质量的论证，在某种意义上都是假设牛顿引力的。所以有些人提出了其他的方法，我们根本不需要暗物质，我们只是有一个不同的引力理论。但我认为大多数人都反对这一点，因为首先，没有什么特别的理由让我们对暗物质感到惊讶。暗物质粒子存在的空间很大。其次，如果我们放弃了我们了解重力的想法，我们就会放弃很多好的数据。我仍然敢打赌，暗物质很可能存在于某种粒子中。
Ben:世界上有很多实验都在尝试探测这些穿过地球的粒子，稍后我们会听到更多。但我们为什么要关心这个呢?我们看不见、摸不着或感觉不到它，它只是漂浮在我们身边的神秘物质……
马丁:嗯，我们知道在整个人类历史上，每个人都仰望着星星，对它们感到好奇。宇宙学最伟大的成就之一就是理解了宇宙的结构——为什么会有恒星，为什么会有星系，为什么它们会聚集在一起，以及其中的细节。这只会给我们一个一致的故事，如果我们有暗物质的存在，在宇宙中平均来说，暗物质的密度是我们所看到的气体和恒星的五倍。我认为这一成功是现代科学的伟大成就之一。我想说，它与基因组中粒子物理的标准模型一样。当写科学史的时候，我认为我们理解了宇宙的演化，以及星系存在的原因，这确实是一个非常伟大的成就。
本，如果你觉得这样不行，考虑一下这个。想想人类在仅仅了解宇宙六分之一的物质的情况下所取得的成就吧。电脑。现代医学和太空飞行。所有的艺术文学。想象一下，如果我们能解开其余的，我们能做些什么。
如何建立暗物质模型?
与剑桥大学的Colin DeGraf合作
通常情况下，当科学家们想要了解事物是如何工作的，就像一个小孩拿着一把螺丝刀和一个玩具，我们试着把它拆开。但暗物质的问题在于，尽管我们可以看到它的影响，但我们无法真正探测到它或操纵它。那么我们如何理解它呢?一种方法是通过计算机模拟来计算出它一定在做什么。你告诉计算机暗物质以某种特定的方式做什么，然后让它预测如果这是真的，宇宙会是什么样子。然后你就可以想办法在真实的宇宙中检验这个理论。Colin DeGraf是一位在剑桥大学从事类似研究的理论家，他和Chris Smith谈过……
Colin:我的大部分工作都是所谓的宇宙模拟，所以我们不会试图在模拟中表示单个物体，相反，我们只是简单地建模一个巨大的空间，它代表了宇宙的很大一部分。我们讨论的是跨越数亿光年的盒子，其中包括数百万个星系我们从宇宙只有几百万年的时候开始进化，我们看到它是如何在整个宇宙年龄的过程中进化的。
Chris -你在你的模型中加入了什么成分来观察这种演变?
Colin:你想要包含的成分有完全不同的等级。正如你刚才听到的，宇宙中的大部分物质都是黑暗的，所以我们只需要包括暗物质就能很好地模拟宇宙的大规模演化。
Chris -你的理由是因为这构成了宇宙中大部分的质量，如果我们一开始就摆弄它，我们不会遗漏太多。
科林:没错。只要你只考虑大尺度，那就没问题，但是一旦你开始考虑星系的形成，所有这些物质的坍缩到与超星团相比相对较小的地方，你就开始达到一个点，你需要包括重子物质-气体，尘埃和恒星，一旦你包括这些，它也会影响暗物质的坍缩。
Chris -所以你的意思是你的模拟，虽然他们做得很好，但一旦你开始添加额外的东西并观察更多的细节，你就会开始看到不应该在那里的皱纹，所以你知道你错过了什么吗?
Colin -是的，虽然在某种程度上，它甚至是相反的，你只从暗物质开始，然后人们意识到“等一下，当你开始观察矮星系时，我们在真实的宇宙中遗漏了一些矮星系，这些星系中心的物质密度不匹配”，所以我们开始不得不在我们的模型中添加额外的物质。
Chris -这是否会限制人们对暗物质的行为及其性质的认识，因为当你建立这些模型时为了得到一些能代表我们所看到的东西当我们凝视宇宙深处的结构和结构时，我们唯一能解释的方法就是暗物质是否有我们目前无法解释的额外性质?
其中一个问题是你可以调整暗物质模型你可以开始更好地解释一些后期的小尺度，但如果你这样做，就很难解释非常早期的宇宙。如果你调整暗物质只是为了匹配早期的宇宙，那么你就无法解释我们现在看到的。
每次你调整这些模型，你最终都会改变你预测在宇宙中观察到的东西。因此，通过不断修改暗物质和重子或正常物质，我们可以开始预测我们期望的真实宇宙中的物质是什么样子。这些模型中的每一个都给了我们新的预测，然后随着我们有了新的望远镜和新的调查，对宇宙进行了更多的观察，我们实际上可以排除这些模型中的一些。
克里斯-那你能排除什么呢?现在有什么主要的预测能够被搁置或者被放到一边说不，暗物质绝对不会这样，它一定是上面的其中一个?
Colin:通过模拟来排除某些可能性是很棘手的，但我们能做的就是做很多预测，所以我们关注的一件事就是暗物质的行为。在最初的模拟中，我们只是假设暗物质在引力作用下相互作用，仅此而已。暗物质不会与自己碰撞，没有其他相互作用只有引力这在大尺度下表现得很好，在小尺度下则不然所以有些人会提出需要热暗物质而不是冷暗物质。
克里斯:这两者的区别是什么?
科林:本质上，这只是一个暗物质粒子有多大的问题。大质量的暗物质会很冷而小质量的暗物质会很热，这是物理学家的说法基本上是它在早期宇宙中运动的典型速度。冷暗物质在大尺度下做得很好，热暗物质做得不好，我们很清楚大尺度下添加常规的重子物质是没有用的。在小尺度上有很多密度很大的气体和恒星形成这就是我们需要更好地把暗物质和重子物理联系起来的地方。看起来很多小尺度的现象实际上可以用正常物质来解释，这意味着我们目前的模型强烈表明暗物质粒子相对较冷。
Chris -你提出了暗物质是一种粒子的观点，那么我们是否可以合理地总结说宇宙是由这种神秘的东西主导的，它是某种粒子，它有很大的质量因为它非常有效地行使引力并对事物产生引力影响，但除此之外，我们实际上对它一无所知?
科林-大多数情况下，是的。但是有很多不同的解释可以解释这个粒子是什么，其中一些你甚至可能不认为它是粒子。最初，人们提出它们可能是原始黑洞，或者是非常古老的恒星，我们已经能够排除这些可能性。
当我们越来越好地排除这些模型时，我们剩下的是看起来暗物质应该真的被我们认为是冷的，主要是无碰撞的暗物质粒子所解释。
有多少暗物质?
和本·麦卡利斯特
我们说暗物质的数量是普通物质的五倍，但这可能有点难以理解。本·麦卡利斯特(Ben McAllister)在所有这些硬科学中准备了一点喘息的机会，帮助我们理清思路……
本，你现在听到的声音，集中注意力。让声音的大小代表宇宙中常规物质的数量——这些物质构成了人类、行星、恒星等。现在，你听到那个低沉的声音慢慢消失了吗?这种声音代表了暗物质的数量。还没到，稍等。好了。听到它如何吞噬正常物质了吗?我们一直坐在这堆东西的海洋里。让我们听一分钟。
克里斯:听起来很放松!我们很确定暗物质是由不相互作用的未知粒子组成的，现在我们要了解这些粒子的两个最佳候选粒子，以及我们如何试图探测它们。
什么是wimp ?
与密歇根大学的凯瑟琳·弗里斯合作
从历史上看，暗物质的一个热门候选粒子是一种被称为“WIMP”的粒子，具有讽刺意味的是，这种粒子实际上应该是相当重的;但不要被误导:它实际上代表“弱相互作用的大质量粒子”。这些弱相互作用大质量粒子可能偶尔会撞击你体内的原子，这可能有助于我们探测到它们!凯蒂·海勒采访了来自密歇根大学的凯瑟琳·弗里斯，了解到什么是WIMP?
凯瑟琳-这个名字有很多含义。如果我们是对的，这些就是暗物质粒子，那么每秒钟就会有数十亿个暗物质粒子穿过你的身体。但是它们不会对你产生任何影响因为相互作用非常非常弱。我们知道有四种自然力;当然还有引力，电磁力，将原子核聚集在一起的强作用力，第四种是弱作用力。所以我们知道wimp能感受到重力我们知道它们和电磁力没有任何关系因为它们不发光，当它们撞到你的时候，强大的力它们不会把你撞翻所以相互作用很弱的粒子质量意味着它们除了重力之外还有弱的力它们的重量大约是质子的1到1万倍。
凯蒂-好的。那你为什么认为这些是暗物质粒子呢?
Katherine -我们认为wimp是很好的候选者的原因之一是因为它们在与暗物质无关的粒子理论中自动存在。超对称是粒子物理标准模型的延伸如果你假设超对称你会自动得到两倍的粒子数量。对于我们今天拥有的每一个粒子，你都有一个比我们已知的粒子更重的伙伴。这些超对称候选者中最轻的一个，就是完美的WIMP候选者。我们并没有把它放在那里来解释暗物质问题，它自动地从与暗物质无关的理论中产生。一箭双雕是件好事。
凯蒂:如果这些粒子很难被发现，我们该如何开始探测它们呢?
凯瑟琳:寻找弱相互作用大质量粒子的方法是寻找它们在探测器上的散射。你必须把这些探测器放在地下深处，以远离相互竞争的信号，所以你必须在地下一英里左右。其中一些探测器是由巨大的氙液体容器制成的。其他一些探测器是由非常特殊的材料晶体制成的，比如碘化钠晶体。在山的深处，你有这些探测器坐在那里等待wimp撞击它们，然后偶尔你会收到一个信号，这就是想法。
凯蒂-这些东西有多大?
凯瑟琳:氙探测器有一吨重，你需要一吨重的材料。即便如此，预期的计数率每天也会有一个大质量粒子撞击一个氙原子核。当wimp击中探测器时，它最终会产生光信号，并且有专门的管来测量光何时击中它们。另一件需要寻找的事情是，当WIMP撞击探测器时，它们会产生声子;这有点像热通过探测器，你寻找热沉积。
凯蒂:有什么有希望的结果吗?
有一个实验是有结果的。这是DAMA/LIBRA实验，由碘化钠晶体组成，位于罗马郊外的亚平宁山下。DAMA/LIBRA实验看到的是我和我的合作者早在20世纪80年代就预测到的效果。因为地球绕着太阳转，探测器的计数率应该随着一年中的时间而上下波动，这正是DAMA/LIBRA从数据中提取出来的信号，他们看到了它。他们现在有超过10年的数据，毫无疑问，他们看到了一些调制的东西，但问题当然是，这是暗物质还是别的什么。
凯蒂:为什么你认为暗物质信号在一年中的不同时间会发生变化?
凯瑟琳:这些探测器的计数率取决于我们相对于大质量弱相互作用粒子的速度。这个速度是由两件事决定的:首先，当太阳绕着星系中心运动时，我们正在进入你可能认为是大质量弱相互作用粒子的风;就像当你开车的时候，雨滴看起来像在你的挡风玻璃上，因为你实际上是在行驶，所以同样的事情也适用于我们。然而，最重要的是，地球绕着太阳转，这意味着我们进入大质量弱相互作用大质量粒子的速度随着一年中的时间而变化。所以当你把这两个加在一起时，我们在6月进入WIMP风最快，在12月最慢，所以我们预计6月的计数会比12月多得多。
凯蒂-这就是你从数据中得到的吗?
凯瑟琳:嗯，他们测量的是WIMP撞击碘化钠晶体，然后引起闪光，你可以数一数你得到了多少闪光。现在它们中的大多数都是由于背景，是你必须清除的垃圾，但你希望的是，每隔一段时间，其中一个真的是由于WIMP。所以他们计算一年中不同时间收到的光信号的数量——你可以看到它随着一年的时间而上下波动。它完全符合我们的预测，这是非常惊人的。
凯蒂:这有什么潜在的问题吗?因为我可以想象，随着一年中的不同时间，有很多事情会发生变化，对吧?你知道是wimp吗?
凯瑟琳:这就是问题所在，我们不知道它是否存在。当然，一开始，人们提出了许多可以解释季节变化的wimp的替代方案。他们想，好吧，可能是温度的问题;可能是大气;可能是介子;它可能是各种不同的东西，但事实证明，所有这些替代解释都是完全错误的。所以没有人对wimp有任何其他的解释，但我们没有高兴得跳上跳下的原因是，当你得到这种信号时，你必须在另一个实验中重复它，但是氙的大桶就在隔壁的同一个实验室里，他们没有看到信号。那么到底是怎么回事呢?我们必须在地球上的其他地方有更多的碘化钠晶体来检查DAMA的情况。
凯蒂-那是真的吗?
凯瑟琳-是的。有三个实验在寻找它这三个实验是基于韩国的余弦100实验。还有一个叫Sabre的是普林斯顿和澳大利亚合作的，第三个是在西班牙的Eise。所以在未来的3到5年内，我们会有答案;还是DAMA真的看到了wimp，或者是一些我们永远无法解释的嘈杂信号?
凯蒂:我是密歇根大学的凯瑟琳·弗里斯。
什么是轴子?
Gray Rybka，华盛顿大学/ADMX
本周我们将深入研究暗物质，到目前为止，我们已经听说了一种名为wimp的粒子，它可能是暗物质的组成成分。但也有其他的可能性。一种是被称为轴子的粒子，现在科学家们正在开发实验来试图探测它们。Gray Rybka来自华盛顿州西雅图的轴子暗物质实验(ADMX)，他声称自己是地球上最敏感的轴子暗物质探测器，他和Chris Smith进行了交谈。
Chris - Gray，首先，WIMP到底有什么问题?
格雷:wimp有什么问题?我更愿意谈谈轴子对的地方。它是核物理学家预测的一种粒子，用来解决一个非常微妙的问题，然而，当我们观察早期宇宙中应该产生多少轴子时，你几乎得到了正确数量的暗物质。我觉得这太巧了，你得找找看。
克里斯-如果我能看到一个轴子它会是什么样子?如果它来打我的脸，我怎么能认出来呢?
灰色-轴子非常轻，与任何物体的相互作用都非常弱。如果你想象像中微子这样的东西，它要轻一千倍，相互作用也要弱得多。它的行为更像无线电波，而不是粒子。
Chris -考虑到暗物质都与引力有关，如果这些东西非常轻，那是否意味着一定有很多很多的暗物质来产生足够的效应?
格雷:完全正确。他们的数量非常非常多。
克里斯-如果它们有点像无线电波，你是如何探测到它们的因为我们听凯瑟琳说过她是如何通过WIMP和碘化钠之间偶然的碰撞来寻找WIMP的，你是如何找到轴子的呢?
嗯，轴子与电磁的相互作用应该非常弱，这意味着如果你有一个大而强的磁铁，你可以把轴子暗物质转化为微波，然后你只需要探测到微波。
克里斯-但我认为这个问题的重点是我们认为暗物质并不与任何东西相互作用?
格雷:它的相互作用非常非常弱。你需要一个非常强的磁铁来观察信号，它的单位是八瓦，“八瓦”是国际单位制的底部，你需要一个非常灵敏的探测器，你需要非常低的噪音水平。这东西必须冷却到100毫开尔文才能防止黑体辐射导致无法看到信号。
克里斯-跟我们谈谈你的探测器是如何工作的，它是在哪里建造的，它是如何工作的，当它注册到命中时它会做什么?你怎么知道什么时候发现了一个或两个轴子?
Gray -它在华盛顿大学，外面是一个8特斯拉的超导磁体，直径约50厘米，活跃区域约1米深。在里面我们有一个大锡罐，它是一个铜罐，我们可以调整它共振的频率，我们可以调整它接收到的微波光子，当我们调整它扫过的频率时，如果我们达到了和轴子质量相对应的频率它就会开始响。所以我们会看到额外的能量从暗物质中发出，我们用一个非常非常漂亮的调幅收音机接收到它。
克里斯-这是否意味着当它们在这个强磁场中以正确的频率共振时，实际上是粒子或波本身轴子在前后移动产生你所探测到的信号?
格雷-是的，完全正确。你可以把它看成是轴子变成了微波光子或者你可以把它看成是轴子波和无线电波之间的相互作用。
克里斯-实际上你离探测到你认为的真正的轴子还有多远，因为很明显，所有这些实验都有灵敏度?我在一开始就提到过你声称用最敏感的方法来做这件事，那么敏感到底有多敏感呢?
格雷:嗯，这是最激动人心的部分。经过几十年的努力，我们终于有了一个对理论上预测的轴子相互作用敏感的实验，这意味着现在我们每天都在操作，我们慢慢地调整这个像无线电一样的实验，我们可以有所发现。
克里斯-这个实验是否会重复因为其他人是否也在建造类似的探测器因为很明显重复实验很重要，不是吗?
格雷:有很多人在研究探测器，他们主要是在研究使探测器更敏感的方法。轴子有一件有趣的事情，一旦你知道了要观察的确切频率，就更容易建立一个实验。所以一旦我们有了发现，我想很快，全世界就会有人能够建立实验，重复这个信号，看到，是的，我们在世界各地都看到了，并开始用它做一些轴子天文学。
克里斯:这和科林说的他做模特的事有什么关系呢?如果你把轴子输入到科林的模型中它们真的符合要求吗?
格雷:是的。这是一件有趣的事情，有些人非常努力地说，轴子和wimp之间有什么区别，我们在天体物理学上看到了什么?“到目前为止，答案是否定的，但人们总是希望更精细的模型能够找出其中的区别。”
克里斯:有没有理由认为它们实际上可能不止一个粒子，因为你在轴子阵营，我们从WIMP阵营的凯瑟琳那里听到，有可能同时发生不止一个事情吗?
格雷:当然有可能。大自然可以非常非常丰富。就像奥卡姆剃刀一样，我们希望它只是一个东西。如果有很多东西是很棒的，那我们物理学家就能在这行干上好一阵子了。
多久以前，我的呼吸是我的晚餐?
弗雷德-当我们吃喝时，食物中的常量营养素(碳水化合物、蛋白质和脂肪)在胃和小肠中被消化，产生葡萄糖、氨基酸和脂肪酸，这些物质通过肠壁进入血液。任何没有被消化的东西都会进入我们的结肠，在那里被生活在那里的细菌发酵，产生短链脂肪酸，这些脂肪酸也被我们的血液吸收。
鲁比——所以我们的食物被分解成它的组成部分，然后被输送到我们身体的各个部位，用于各种不同的用途。
进入血液后，一些营养物质以脂肪或糖原的形式储存起来
糖原是我们身体用来储存葡萄糖的一种大糖。
一部分是用来建立和维持我们的身体，其余的是用来呼吸能量。在呼吸过程中，我们的细胞将营养物质转化为水和二氧化碳，释放出我们生存所需的能量。然后，二氧化碳在我们的呼吸中被排出，所以我们食物中的一部分碳最终会成为我们呼吸中的二氧化碳。
正如哈尔C在我们的论坛上指出的那样，以脂肪形式储存的营养物质可能在我们的身体里储存很长很长一段时间才被使用，所以让我们把注意力集中在直接转化为能量生产的食物上。我们如何测量它需要多长时间?我怎么知道我呼出的碳原子是来自今天的午餐还是昨天的早餐?
Fred -对于植物性食品，可以使用无害的、自然产生的、非放射性的碳同位素来标记大量营养素中的碳;碳13。我们和格拉斯哥大学的同事们一起在温室里种植这些植物，温室里有二氧化碳气体的标签。
鲁比——植物可以做与我们相反的事情——它们吸收二氧化碳，并将其转化为碳水化合物。如果它们被标记的二氧化碳包围，那么它们制造的所有东西也会被标记。如果你把这些植物制成食物，喂给人们，你就有了一种追踪特定食物中碳含量的方法。
弗雷德:然后我们可以采集呼吸样本，使用一种非常灵敏的仪器，叫做同位素比质谱仪，来测量我们呼吸中标记的碳13的含量。
鲁比-谢谢那些以科学的名义吃东西的好人。格雷格问题的答案是什么?这个有标签的碳需要多长时间才能呼出?
弗雷德:我们可以识别出吃完食物后呼出的碳的两个峰值。第一个高峰大约在进食后2-4小时，来自于上消化道消化的食物被呼吸。第二个高峰，从4-8小时，是由结肠细菌产生的短链脂肪酸。
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