引力波探测、基因编辑、用闪光灯解决阿兹海默症,揭秘 MIT 理学院的 X 项目

摘要

本文系 MIT 理学院院长 Michael Sipser(迈克尔·西普塞)在今日头条做的一次内部分享,谈及引力波探测、CRISPR(基因编辑技术)、RSA 加密和阿兹海默症等 MIT 非常重视的项目。极客公园整理插图,有删减。

编者注:本文系 MIT 理学院院长 Michael Sipser(迈克尔·西普塞)在今日头条 AI Lab 的一次内部分享。分享谈及引力波探测、CRISPR(基因编辑技术)、RSA 加密和阿兹海默症等 MIT 非常重视的项目。极客公园整理插图,有删减。


谢谢大家,很荣幸来到今日头条这家正在发展壮大的科技公司。

2015 年,对于科学界、对于 MIT,都是非常棒的一年。科学界发生了很多有趣的事情,我想向大家介绍一下它们。

100 多年以前,引力波由爱因斯坦在广义相对论当中首先预测。他的引力理论当中给出了引力波的方程,方程预测有可以探测到的引力波存在。爱因斯坦在世的时候,也不十分确定引力波是否真的存在,但是他很确定即使存在也只有极少的概率会被探测到。而科学家在 2015 年完成了这件事(注:2015 年 9 月 14 日,人类首次直接探测到引力波。相关探测结果由 LIGO、处女座干涉仪(VIRGO)研究团队于 2016 年 2 月 11 日共同宣布)。

那么今天我就先向大家介绍引力波是什么、我们如何探测到引力波、以及我们为什么会对引力波有如此大的关注。

如果大家对于爱因斯坦的理论有所了解,引力波可以认识为天体之间作用产生的。

这是两个黑洞,各自围绕对方做轨道运动。引力被刻画为对空间的扭曲,所以如果我们有两个质量非常大的天体以极快的速度相互围绕做轨道运动,它们将空间不断的扭曲和还原,并且辐射出引力波,这种波动以光速从源头开始向外传播。

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现在,我们试图观测这种波动。由于它们散布整个宇宙空间,并最终打到地球上,这时地球也会跟着空间的扭曲而有些微的变形,如图所示。

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当然变形的幅度不会像示意图这么夸张,不然我们就很容易探测到波动了。那样的话会有地震、潮汐变化等等诸如此类的现象发生。

空间扭曲是实实在在发生了,但是非常微小。对于地球尺度的空间,引力波所带来的形变量也不过质子的直径那样的量级。我们对引力波的探索,也就是要测到如此小的一个变化。

这个尝试已经进行了 50 年之久,其最初的想法「利用光的干涉这种非常精细的物理现象来制造探测仪」由 MIT 教授 Rainer Weiss 提出并且率先实验践行,后来发展成了一个专门的实验类型。他甚至造出了一个探测仪的原型,只不过是非常小的一个原型,只为了展示和说明他的探测原理是成立的。

要实现这样精度的测量,需要一个巨型的设备。不但体量大,而且消耗巨资。这个原理被证明了以后,MIT 同 CalTec 等一道,与世界其他研究机构合作建立了 LIGO(Laser Inferameter Gravitational-wave Observatory)。

这个美国国家科学基金委(National Scientific Foundation)斥资 10 亿美元赞助的项目(也是其赞助的唯一一个项目)最终招徕了千名科学家加入探测队伍。

几十年来,都没有任何重大结果出现,直到一年半以前,我刚才向大家展示的那个日子。我们看,这是今天的 Rainer Weiss 的照片——他依然健在,能够亲眼见证他 50 年前提出的设想是一件很美好的事——当年他三十多岁,现在已经是八九十岁的人,依然活跃的一位科学家。

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这就是 LIGO 探测器本尊了,坐落于华盛顿州:它非常巨大,如图,这一侧的臂有 4 km 长,另一只同样长度的臂与它垂直。

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事实上,这样的巨型设备有两座,其一在华盛顿,另一在几英里之外的路易斯安那州。建设两座的原因是,如果两者同时探测到了同一信号,就可以排除是本地的信号噪声带来的干扰。

探测器的原理是:如果我们有一个双黑洞的体系,轨道在坍缩:它们越转越近,越转越快,同时以引力波的形式向外辐射能量。我们将有可能在地球上观测到这一能量信号,它的特征是——因为轨道上黑洞的角速度越来越高,释放能量越来越快,相应的信号越来越强,同时频率越来越高,直到最后一刻,两个黑洞合并为一,信号消失。

我们探测到了黑洞相遇合二为一的事件,计算得出事件的发生在距我们 10 亿光年的宇宙另一端——事件后 10 亿年,这个信号在今天到达我们这里。

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这就是实际上观测到的信号时间曲线:我们看到时间特征的模式——从某一点开始,信号增大到我们可以观测到,然后迅速的增大,频率增高,到另一点戛然而止。

我们看到两条曲线,因为这是两台观测装置的结果:华盛顿和路易斯安那,同一时间观测到了相同模式的两个信号——排除了当地的地壳运动、火车经过等影响。实际上,两个信号不是绝对的同时:华盛顿在路易斯安那观测到之后 7 个毫秒才收到信号。为什么?

因为信号在从南向北传递,速度是光速,到达华盛顿的时候已经晚了几个毫秒。通过这个时间差我们理论上可以判断信号的来源:这一次,是从南面的太空传来的。

如果我们有至少三台仪器进行观测,那么就可以利用几何关系精确地定位黑洞融合事件发生在宇宙中的具体位置——那是以后的引力波观测要做的事,这一次我们只有两台。

这一次的结果表明,事件发生的两个黑洞,每一个都有相当于 30 个太阳的质量,超高速的相互围绕旋转着,最后时刻它们之间的间隔只有 200 英里左右,瞬间速度达到光速的一半。最后一瞬间的脉冲信号——它们合二为一的瞬间所迸发的能量超过了整个宇宙余下部分的能量之和。

事实上,这是我们用仪器观测的历史上,所见到的最大的一个天文现象——我们或许可以说,唯一的例外就是大爆炸(Big Bang)本身了,后者可以认为是通过观测宇宙背景辐射间接观察到的现象。

这是令物理学家,乃至所有科学家激动的事件:它是我们所掌握的,支持黑洞存在的第一个直接实验证据。在此之前,我们已经掌握了一些边缘的证据来支持爱因斯坦的预测,在他的理论当中,黑洞就是一颗恒星的全部质量坍缩到一个点。唯独这一次,我们观测到了证据直接支持黑洞的存在,它验证了广义相对论,在如此极端的大尺度物理现象当中依然成立——这是一个认识宇宙的全新的角度。

有人把它比作伽利略第一次将望远镜的镜筒指向天空:在那以前,没有人能够想象外太空是什么样子,想象其他行星也会有像月球一样的卫星做环绕运动,比如木星。我们则在真正观测到信号之前,没有人预先知道我们会看到些什么。所以我觉得引力波的发现,值得人们为之兴奋。

这是引力波探测的前景:大型的设备在全世界范围内兴建,这是我们的两台——华盛顿和路易斯安那;这是德国的项目,在 Main,已经兴建完成了不过还没有正式启动,所以这一次观测没有它的参与;这是在意大利的,已经开启;还有在印度、日本的设备。所以在接下来的数年间,全世界会有越来越多的观测点加入到探测行列中来。

以上只是在科学界诸多新进展中的一件,接下来我简要地向大家介绍 MIT 其他的前沿工作。各位对 CRISPR(基因编辑技术)有了解吗?这是科学上的一件大事,事实上中国在 CRISPR 领域是领先的。

它让我们能够深入到基因内部,对其进行精确的有方向的改编。这是一项数十亿年来每个细胞都在利用着的悠久古老的技术,我们重新为其赋予了目的:编辑基因。如果这个技术得以获准在人类身上使用(美国法律尚不允许),我们将有机会通过它来「修正」基因里的错误:深入到一条具体染色体当中的具体某一个基因,修改基因的某一个位点,诸如此类。

这不仅让基因治疗成为了可能,更让我们有机会深入理解具体基因如何起作用:我们可以改变它,观测基因的改变带来功能上的何许变化。它也帮我们治疗基因的疾病。例如,我们可以深入到蚊子的基因当中,使其不再携带疟疾。基因编辑带给我们太多生物和医药方面的预示,我敢说即便你现在没有了解,几年之内它也会成为社会热点,见诸报纸等新闻媒体。

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MIT 所做的另一件刺激的工作,是搜寻外太空的生命迹象。如大家所知,我们在太阳系里各个行星上寻找生命,至今没有发现;而我们知道在银河系中还有其他的恒星也有行星环绕——即所谓「系外行星」(extra-solar planets,exoplanets)。

自从冥王星被开除出去之后,太阳系还有八大行星;而银河系中,还有至少 2000 颗行星存在着。我们在建造人造卫星 TEST(Transiting Exoplanet Survey Satellite)去探测多达一千颗系外行星,只为找到所谓的类地行星。一旦找到了类地行星,我们会对其进行光谱分析,解析其化学组成,看看是否有生命存在的痕迹:例如,是否有氧气存在。

我最后向大家介绍的一项科研进展,是相对早些时候的 RSA 密码,很可能各位互联网专业人士有所耳闻。

RSA 是一套秘钥体系,现用来加密网络通讯。它是 1980 年代由这三位男士在 MIT 率先创制的。我尤其喜欢这个成果的原因,其一在于它是典型的多领域合作的结果:头一位 Adi Shamir 是工程学院的,另两位 Ron Rivest、Leonard Adleman 是理学院数学系的教员。这是典型的 MIT 模式的工程和科学研究相结合。另一个原因在于 RSA 产生于复杂性理论(complexity theory),正是我的专业所在。这是我的个人研究兴趣,而他们都是我的朋友。

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还有一个原因值得称道的是,在创制之初,没有人想到 RSA 会在应用领域大显身手:一切都发生在互联网普及之前。想出来 RSA 完全出于数学上的好奇,——我之所以知道这段历史,是因为最初发表这项工作的期刊,不是学术期刊,而是在《科学美国人》——一部大众科普(popular science)期刊,在数学游戏专栏——一个很流行的数学娱乐(recreational mathematics)专栏里面。这项工作本身就是被看作是娱乐性的,这是原文:《一项新的编码方法,破解它需要百万年》(A new kind of cipher that would take millions of years to break)。这就是最初发表的出处。

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后来,人们意识到这项技术可以带来电子商务和通讯领域的的革命。这于是构成了基础科学研究后来在原先完全没有预料的应用领域发挥价值的典范。基础研究往往就是这样,你无法预测,但是极为重要。类似的例子还有很多。

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MIT 最重要的一个核心目标是:治愈阿兹海默症(Alzheimer’s disease)。我不知各位有没有谁认识的人有 Alzheimer 症患者,他们,尤其是老年的患者,大脑开始衰退和萎缩,逐渐丧失记忆、思考和表达能力。这是一个很常见的疾病。

Alzheimer 症一大特点是难理解,难干预。相比其他严重威胁人类的疾病,像癌症、心脏病、中风、艾滋病,……它们的死亡率都在逐年下降,医疗和科技发展让人们有越来越多的办法去救治这些疾病,预后有了明显的改善:这是医学发展的证明;——而 Alzheimer 症正相反,死亡率较以往不降反升,因为我们至今没有对症的解决办法。

如果我们来看一下在 Alzheimer 症上的花销——这是我们得了这种疾病所要承受的——美国花费两千亿美元去照料该症患者。一旦一个人得了痴呆,他依然能够存活多年,但是你要照顾他,成本非常昂贵。随着越来越多的发病,这个照料成本正在攀升。

预测指出,到 2050 年,每年这笔成本将达到一万亿美元:这对于余下的整个社会将构成沉重负担,它可以让我们的医保系统破产。我们必须采取行动,而且是立刻采取行动:去理解、进而解决 Alzheimer 症的难题,节省掉这笔巨额花费。而实际上,我们对攻克阿尔兹海默症所投入的资源还远远不够:目前,美国年花费 50 亿美元用于癌症研究,而 Alzheimer 症的财政支持只有 5 亿元

我相信这个数字会上升,而且已经在迅速上升:政客们逐渐意识到问题的严重性。但是我们还需要做的更多,款项需要政府的财政投入,也需要爱心人士的捐款,像盖茨基金会这样。在 MIT 方面,Aging Initiative 已经在帮助组织研究项目。这个项目由 Li-Huei Tsai 教授领导,核心任务是理解 Alzheimer 症。

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实际上我们刚好取得了令人兴奋的进展:6 个星期前,Nature 上面发表的一份工作,请让我向大家介绍这份非常前沿的工作,它有望开启疾病研究的新篇章。

先来看一些背景知识:如果我们把一个健康的大脑,如左图所示,跟右图所示的痴呆症大脑对比,会看到,患病的大脑由于神经元凋亡,会收缩,从而颅腔就都空出来了。这是痴呆的典型症状。

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如果我们把它放到显微镜下观察,就像当年 Alzheimer 医生做的那样,你会看到一些斑块(plaques)——它们由特定的蛋白组成,在颅内特定位点聚集,是它们导致神经元萎缩凋亡。人们不确定地认为,是这些斑块导致了痴呆症的发生——至少这是一派主流的解释。

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所以,移除斑块也许意味着我们可以治愈这个疾病。Li-Huei Tsai 她们实验室正是发现了一种全新的方法,来攻克这些斑块。旧的办法是用药:向体内放入作用于特定(amyloid)蛋白的药剂,试图通过带走这些斑块来治疗痴呆,但是始终临床没有效果。

Li-Huei 的组给出了一个全新的干预方式:根本不用任何药剂。我觉得这有可能成为一个重大突破。她的方式有些难以置信:你用一只实验用的老鼠,对着它开闪关灯,斑块就消失了。就是用每秒 40 次的脉冲光信号(40 赫兹)去刺激老鼠,这会向老鼠的大脑引入一个特定的光波模式(pattern),推断就是这个特定的模式引发了大脑自带的某种机理(natural mechanism)名叫 microglia(小神经胶质),小神经胶质的作用通常认为就是清除大脑当中的有害物,例如这些斑块——像收集垃圾一样。

痴呆症的大脑当中小神经胶质细胞不起作用了,而闪光灯的作用就是激活这些细胞,让它们重新担负起清除垃圾的任务。理论上就是这么一回事,实际实验数据表明这个方法确实有用:她的实验组用 40 赫兹的频闪光照射笼中的小鼠,每天一小时,一周七天——结果斑块数量减少了 50%;对照组(control),每天一小时放在黑处,一周七天。图上绿色的就是斑块,这些小鼠被杀掉了,脑做了切片。这是发在 Nature 上面的数据表格,可以看到对照组没有闪光处理的小鼠,斑块数量没有变化,而有光照处理的实验组斑块少了一半。

这个结果很令人惊奇,甚至不仅仅是斑块被移除了,而且实验组的小鼠认知能力也有了提高。所以结论是,这些 Alzheimer 症小鼠,认知能力受损,丧失记忆力,经过闪光处理之后重获了记忆(通过一定的实验测试)。

我们不知道对人类是否适用,不过它至少为这种疾病的治疗指出了一个意想不到的全新方向。这又是一个基础科学研究,尝试不同的东西,有可能就会幸运的出现一些结果。这种情况在企业化的按部就班的研究当中是几乎不可能出现的,更有可能滋生于大学的土壤,在基础科学的领域。

以上就是关于 MIT 科学教育与前沿进展的一个概览。最后简要说一下我们要做的事情:让 MIT 保持强大,也是我个人要做的,募集资金。目前,我们同世界上的各个研究型大学一样,都需要为科研募集经费。同样地,经费也一方面来自联邦政府,另一方面来自富有的个人:从而让我们的科研延续下去。

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