新年伊始，在清华大学，一项别开生面的科普活动受到了社会的广泛关注。中国探月工程首任首席科学家欧阳自远院士、清华大学生命科学学院院长王宏伟、腾讯量子实验室负责人于等科学家盘点了2019年天文、生命科学、化学、数学物理等科学领域的成就，并讲解了探月工程、冷冻电镜、量子物理等前沿科学突破背后的故事。这一期将与读者分享。
中国探月工程首任首席科学家欧阳自远；
探索太阳系的恒星和海洋。
对于我们的工作，国家批准了三项任务。在第一个百年到来之前，我们将发射探测器，在人类从未到过的月球背面着陆，并在月球上着陆采集样本。我们将进行首次火星探测。到21世纪中叶，中国将建成一个强大的泰空国。如此艰巨而繁重的任务，我们对月球和行星只做了一点点探索。
首先介绍嫦娥四号，它是在嫦娥一号、二号、三号的基础上发展而来的。国家已经批准我们在人类从未到过的月球背面着陆。人类历史上曾20次登月，其中美国11次，苏联8次。我们的嫦娥三号也着陆过，但是这20次都集中在月球正面，所以嫦娥四号是人类第一次在月球背面着陆。
到达月球背面后，有一个最大的问题，就是隐形，无法交流。200多年前，法国数学家研究发现月球拉格朗日中有五个引力平衡点。两个引力平衡点在一个小物体的侧面。只有一个办法，发射一颗中间星到拉格朗日第二点，看看能不能把月球背面和地球连起来。我们发射了中继星，到了拉格朗日就打开网状天线，这样我们就可以直接连接地球和月球，我们就可以指挥如何在月球上着陆和工作，把探测到的数据报告给地球，这样地球就可以及时给他们下达指令，这样就完全变成了一个畅通的环节。
第二个问题是如何落地。嫦娥四号发射后，将从地球到达月球，然后被月球引力捕获。之后它会调整轨道，飞向降落区空，然后向降落区降落。但是不能用降落伞登陆月球，因为月球表面超高空。大家都知道，东西掉下来的时候，重力加速度下降越来越快，最后被砸了。只有一个办法。在着陆器下面安装一个引擎。如果你倒下了，我会把它推起来，慢慢倒下。但是还有一个问题。月球表面在过去的45亿年里砸出了数量不明的坑，到处都是坑坑洼洼。着陆器四条腿在月球着陆，一条腿掉进某个坑里，就会掉下来。如果月球车爬不上去，所有的努力都白费了。我们有一台非常先进的人工智能计算机，它降落的速度很慢，一边降落一边拍照，马上分析判断我们可以降落在哪里。最后拍了3764张照片，直到其中一张能掉下来，它按照人工智能的指令安全降落在月球表面。
为什么我们要去月球背面？有三个目的。
第一，人类从宇宙、银河系、太阳系获得了大量的科学信息，但由于地球的电离层干扰，我们无法接收到长波电磁波或低频电磁波。这些信息在月球正面是收不到的。知道这些科学信息的方法只有一个，就是去月球背面。
第二，月球最古老的历史是40亿年，早于40亿年的更古老的历史未知。我们必须去月球背面，落在最古老的石头上，才能完整地描述月球的历史。
第三，人类没去过月球背面。中国与许多欧洲国家合作开发了几种仪器。我们必须测量月球背面的表面环境和最近几个月的环境空，这些都是人类未知的。我们现在已经开发了许多成果，并正在逐步发布。
嫦娥四号已经工作了整整一年，取得了很多成果。按照计划，我们将在2020年底采样并返回月球。我们挑了一个地方，离阿波罗载人登月的地方很远，一千多公里。我们掉下来后，用电铲取样，自己钻孔，把样品全部装进锥形舱里。但是我们回不来了。在月球上，没有那么多燃料把它送回去。我们只需要它飞起来，月球空和飞船之间的站就会自动对接。最后这艘飞船会把它带回地球，此时它可以带着降落伞安全降落在内蒙古四子王旗。
2020年，我们将向火星发射一个中国火星探测器。这个旅程大约需要7个月，将近4亿公里。我们去火星全面探索火星。这是中国第一次去那里。中国科学家曾经做过一项工作，用火星上掉下来的岩石在北京的实验室里做了大量的分析，最终证明火星曾经有过生命。这是一件伟大的事情，我们在欧洲发表了这一成果。2014年12月2日，美国好奇号向世界公布了他们的探测结果，证明火星曾经有过生命。他们的发布会是在2014年12月16日，比中国晚了半个月。人们仍然承认是中国先做的。但是现在火星上有没有生命，以前有什么生命形式，还不清楚。全世界其他科学家都有共识，要把火星改造成第二个地球。经过38亿年的生命逐渐进化，直到最近200万年才出现了人类，他们很聪明，建立了高度文明的社会。因此，我们必须保护人类，让人类的未来更美好、更幸福。
这样，我们就完成了这三项任务，到2021年，以优异的成绩祝贺我们伟大的第一个百年。同时，我们制定了一个十年计划，中国将探索整个太阳系。检测什么？在浩瀚的太阳系中，只有地球有生命，其他都没有？即使细菌是很神奇的东西，如果能被发现，它毕竟是生命。此外，我们应该研究太阳系的起源和演化。其次，我们应该利用太阳系中天体的特殊资源和能量，为人类社会的可持续发展做出贡献。
还要防止地球遭遇突然袭击，比如小天体撞击地球，然后恐龙灭绝之类的事情。地球附近有2万到3万颗近地行星，其中800颗直径大于一公里。一旦它们来袭，将是一场巨大的灾难。很多小行星是不遵守规则的，所以我们必须选择几颗小行星，和它们一起飞行进行采样，想办法避免近地小行星撞击地球。
我们要去木星。木星是八大行星中最大的，体积相当于13146个地球堆起来的大小。它有79个“月亮”，所以我们选了两个。第一个是木卫四。它的表面有冰，里面有海洋，海洋里有火山爆发。按照这个条件，有液态水，有能量，有组成生命的一些元素，生命当然可以诞生，所以科学家预计木卫二底部可能存在生命。
这些任务非常艰巨，但我们中国还要飞得越来越远。
目前全世界都在掀起一股浪潮，那就是对Tai 空资源的开发利用。Tai 空资源主要是矿产资源和能源资源。比如月球土壤中有大量的氦3。嫦娥一号的计算结果大概至少可以保证全人类一万年的能源需求可以得到满足。对包括小行星在内的月球资源、能源和环境的开发利用，将对支撑人类社会有序、健康、幸福发展发挥重要作用。所有这些，包括改造火星，都是科学家的梦想，但都寄托在年轻人身上，希望年轻人承担责任，履行使命，成为未来建设泰空强国的承担者。
清华大学生命科学学院院长王宏伟:
冷冻电子显微镜:探索人类生命的奥秘
人类在过去的几百万年里一直在用肉眼观察周围的世界，但事实上，我们一直对生命现象如何在更小的尺度上展示感兴趣。我们希望能越看越仔细，对生命的奥秘有更细致的了解。
数百年来，人类一直试图这样做。西游记里孙武空可以变72次，钻进铁扇公主肚子里。我们希望能缩小到更小的尺寸，达到原子级别，看到更精细的结构。300多年前，以荷兰显微镜学家列文虎克为代表的科学家开始研究光学显微镜，光学显微镜第一次让我们看到了细胞的存在，这主要是利用了光穿过透明介质的原理。
今天的光学显微镜经过几百年的发展，功能越来越强大。它可以看到细胞越来越精细的结构和许多有趣的现象。看雪花，你可以看到晶体结构，你会发现世界上每一片雪花都不一样。如果你观察一种昆虫，比如果蝇，把它的复眼一步步放大，你会发现有很多漂亮的细胞组合成各种形状，这样果蝇的眼睛就能看到周围的世界。我的同事，清华大学的李煜教授发现，细胞不仅会爬行，而且在爬行的过程中会留下一些非常漂亮的尾足结构。一个细胞如何分裂成两个细胞，可以用光学显微镜观察。
但是如果我们想看到更精细的结构，我们需要一个透射电子显微镜。20世纪30年代，德国科学家鲁斯卡发现在磁场下可以发生电磁的聚焦效应，这与光学显微镜的原理非常相似。于是，他提出了电子显微镜的概念，发明了世界上第一台透射电子显微镜。他也因此发现获得了1986年的诺贝尔物理学奖。
如今的电子显微镜更加先进和复杂，能够展现给我们的微观世界也更加精彩。通过使用冷冻电子显微镜，我们可以看到更精细的东西，比如细胞中的膜。三位研究冷冻电镜的科学家获得了2017年诺贝尔化学奖，这也使其成为过去几年结构生物学的重要工具。
什么是冷冻显微镜？指的是生物大分子或蛋白质分子最初处于溶液状态，每个分子在溶液中运动。把这么小的一滴蛋白质溶液放在电镜载体网上，轻轻夹住两者，这样薄薄的夹层水膜很快遇到液氮就形成了玻璃状的冰。刚才，蛋白质分子被固定在薄冰中。这样的样品称为冷冻样品，将这样的样品放入投影电子显微镜中进行观察称为冷冻电子显微镜。投影电子显微镜的高能电子数穿透每一个分子，就像x光穿过每个人的身体一样，可以拍摄到这个分子的形貌及其内部结构信息。在这样一张冰冻的电子显微镜照片中，我们可以看到许多分离的蛋白质分子。我们可以借助计算机提取其中的每一个分子，对相似的分子进行汇总、叠加、平均，从而获得更精细图像的内部结构。
在获得了若干个这样的分成四个不同方向的二维结构后，最后，通过计算机中三维重建的算法，奇迹发生了——我们可以在计算机中看到分子的三维模型，当模型的细节足够丰富时，我们可以解析到蛋白质模拟的三维结构。这种方法被称为结构生物学。
冷冻电子显微镜可以揭示许多细胞中生命过程的细节，例如当纺锤体的精细结构缩短或延长时，其末端发生了什么变化。我们可以用冷冻电子显微镜立即修复这种状态。我们可以很快冻结，我们可以捕捉不同的瞬间。每个瞬间都被电子显微镜仔细观察，最终帮助我们理解。
冷冻电子显微镜可以帮助我们理解许多有趣的生物现象。大家都知道辣椒很辣，因为辣椒里有一种叫辣椒素的小分子。这些辣椒素类物质与细胞膜上神经末梢的蛋白质TRPV1结合后，这种膜蛋白的通道被打开，细胞膜内部的离子向内流动。这种流动会产生电流，电流会通过神经纤维传到大脑，让我们产生麻辣感。科学家们利用冷冻技术分析了这种非常精细的结构以及与辣椒素结合的结构，从而知道辣椒素使通道打开，可以让我们感到辛辣。今天，冷冻显微镜对许多细节的分析已经具有重要的应用意义，特别是在帮助新药的研究和开发方面，帮助科学家开发许多其他新药如抗癌药、止痛药、麻醉剂等。，并治疗疾病。
在过去的十年里，中国建成了世界上最大的冷冻电镜设施，中国科学家在冷冻电镜领域取得了许多举世瞩目的成就。清华大学团队分析了阿尔茨海默病的重要蛋白质，对于了解其发病机制，甚至开发重要的治疗方法具有重要意义。2019年，中国科学家利用冷冻电镜技术分析出世界上分辨率最高、体积最大的病毒结构。同年，猪瘟病毒爆发，他们用冷冻电镜分析了猪瘟病毒的结构，这对了解猪瘟病毒的致病机理和开发预防其感染的疫苗具有重要意义。
今天，冷冻电子显微镜和其他技术使我们对细胞中的活动有了很多了解。但是走进细胞，看到更多的变化，需要很多代科学家的不断努力。希望更多的人一起分析生命科学的细微之处，一起深入揭示生命的奥秘。
腾讯量子实验室负责人张晟昱:
量子计算到底是什么？
最近听到一个梗，“量子力学”。很有意思。这意味着，只要是我们解决不了的问题，只要触及量子概念，很多问题都会迎刃而解。这当然是个笑话。此外，社会上还出现了“量子波速阅读”等一些伪科学理论。
与主导环境的整个经典力学不同，在微观世界里，你会发现微观粒子的一些有趣现象。第一个现象是叠加态。在宏观世界中，一个物体只能在某个固定的瞬间处于同一状态。我站在这里，此时此刻我站在这里，但在微观世界里，我同时在另一个地方。比如我可以同时出现在巴黎。更有趣的是，如果粒子被操纵，它会同时对其两种状态产生影响。比如我同时在这里和巴黎，我要举手。我在这里，同时也在巴黎。这在宏观世界很难想象，但在微观世界我们可以一次又一次地看到。
如果叠加态还是可以接受的，那么第二件事就比较违反直觉了，那就是观察和测量。它不同于宏观世界中的观察和测量。在微观世界里，同样的事物，同样的状态，会用同样的测量手段去测量，每次的结果都会不一样。举个严重的例子，我想测量我的身高，在发现我处于叠加状态之间。有时我身高两米，有时我只矮两厘米。这在宏观上是不可能的，是一件很麻烦的事情。
量子纠缠，一种发生在两个或两个以上物体上的非常特殊的状态，不能分成这两个或两个以上物体的每个单独状态的乘积。一般来说，它们是不可分割的，当一个发生变化时，另一个也会发生变化。这听起来很奇怪吗？在这样一个小尺度的微观世界中的物质呈现，与我们日常生活中所熟悉的直觉有着天壤之别。
说完量子力学的一些基本现象，我们再来看看20世纪发展得特别好的另一门学科，那就是计算。计算是什么意思？本质上，计算有一个输入，然后有一个指定的输出。如果是简单的两位数或者三位数的计算，用一张纸一支笔就可以算出来。但如果变成500位数之多甚至更多，计算起来就非常困难了。很多密码学都是基于这一点:为了找到一些计算上的难题，全世界都在研究很久了，却不知道该怎么做。即使他们怀疑这个计算问题在本质上是困难的，他们也把这样的问题作为密码学的基础，构建了很多和电子商务相关的，和当今社会的互联网一样的东西。这件事在1994年发生了很大变化，当时美国电话电报公司·贝尔实验室发现，如果有一台量子计算机，它可以快速分解大量数据。这个速度和我们现在知道的最好的经典计算机场运行算法有很大的不同。这个数字越大，就越明显。这不是一台经典计算机可以通过购买更多的机器并等待几个月来完成的事情，而是你把世界上所有的计算资源加起来并已经
总的来说，量子算法是利用叠加态产生的自然定性能力，然后克服一些困难的算法，比如测量本身的不确定性对原有物体状态的破坏。但重点是。量子计算机并不能解决所有的问题。很多我们理论上知道的问题，量子计算机没有帮助或者帮助不大，不是特别大。所以整个量子计算需要研究一些根本性的问题，就是哪些计算问题对量子计算机有帮助，帮助有多大，我们如何实现这些帮助。这是量子计算的根本问题。
