引力波探測、基因編輯、RSA 加密、阿茲海默症，揭秘 MIT 理學院的 X 項目

編者註：本文系 MIT 理學院院長 Michael Sipser（邁克爾·西普塞）在今日頭條 AI Lab的一次內部分享。分享談及引力波探測、CRISPR（基因編輯技術）、RSA 加密和阿茲海默症等 MIT 非常重視的項目。極客公園整理插圖，有刪減。

謝謝大家，很榮幸來到今日頭條這家正在發展壯大的新銳科技公司。

2015 年，對於科學界、對於 MIT，都是非常棒的一年。科學界發生了很多有趣的事情，我想向大家介紹一下它們。

100 多年以前，引力波由愛因斯坦在廣義相對論當中首先預測。他的引力理論當中給出了引力波的方程，方程預測有可以探測到的引力波存在。愛因斯坦在世的時候，也不十分確定引力波是否真的存在，但是他很確定即使存在也只有極少的概率會被探測到。而科學家在 2015 年完成了這件事（註：2015 年 9 月 14 日，人類首次直接探測到引力波。相關探測結果由 LIGO、處女座干涉儀（VIRGO）研究團隊於 2016 年 2 月 11 日共同宣布）。

那麼今天我就先向大家介紹引力波是什麼、我們如何探測到引力波、以及我們為什麼會對引力波有如此大的關注。

如果大家對於愛因斯坦的理論有所了解，引力波可以認識為天體之間作用產生的。

這是兩個黑洞，各自圍繞對方做軌道運動。引力被刻畫為對空間的扭曲，所以如果我們有兩個質量非常大的天體以極快的速度相互圍繞做軌道運動，它們將空間不斷的扭曲和還原，並且輻射出引力波，這種波動以光速從源頭開始向外傳播。

現在，我們試圖觀測這種波動。由於它們散布整個宇宙空間，並最終打到地球上，這時地球也會跟著空間的扭曲而有些微的變形，如圖所示。

當然變形的幅度不會像示意圖這麼誇張，不然我們就很容易探測到波動了。那樣的話會有地震、潮汐變化等等諸如此類的現象發生。

空間扭曲是實實在在發生了，但是非常微小。對於地球尺度的空間，引力波所帶來的形變數也不過質子的直徑那樣的量級。我們對引力波的探索，也就是要測到如此小的一個變化。

這個嘗試已經進行了 50 年之久，其最初的想法「利用光的干涉這種非常精細的物理現象來製造探測儀」由 MIT 教授 Rainer Weiss 提出並且率先實驗踐行，後來發展成了一個專門的實驗類型。他甚至造出了一個探測儀的原型，只不過是非常小的一個原型，只為了展示和說明他的探測原理是成立的。

要實現這樣精度的測量，需要一個巨型的設備。不但體量大，而且消耗巨資。這個原理被證明了以後，MIT 同 CalTec 等一道，與世界其他研究機構合作建立了 LIGO（Laser Inferameter Gravitational-wave Observatory）。

這個美國國家科學基金委（National Scientific Foundation）斥資 10 億美元贊助的項目（也是其贊助的唯一一個項目）最終招徠了千名科學家加入探測隊伍。

幾十年來，都沒有任何重大結果出現，直到一年半以前，我剛才向大家展示的那個日子。我們看，這是今天的 Rainer Weiss 的照片——他依然健在，能夠親眼見證他 50 年前提出的設想是一件很美好的事——當年他三十多歲，現在已經是八九十歲的人，依然活躍的一位科學家。

這就是 LIGO 探測器本尊了，坐落於華盛頓州：它非常巨大，如圖，這一側的臂有 4 km 長，另一隻同樣長度的臂與它垂直。

事實上，這樣的巨型設備有兩座，其一在華盛頓，另一在幾英里之外的路易斯安那州。建設兩座的原因是，如果兩者同時探測到了同一信號，就可以排除是本地的信號雜訊帶來的干擾。

探測器的原理是：如果我們有一個雙黑洞的體系，軌道在坍縮：它們越轉越近，越轉越快，同時以引力波的形式向外輻射能量。我們將有可能在地球上觀測到這一能量信號，它的特徵是——因為軌道上黑洞的角速度越來越高，釋放能量越來越快，相應的信號越來越強，同時頻率越來越高，直到最後一刻，兩個黑洞合并為一，信號消失。

我們探測到了黑洞相遇合二為一的事件，計算得出事件的發生在距我們 10 億光年的宇宙另一端——事件後 10 億年，這個信號在今天到達我們這裡。

這就是實際上觀測到的信號時間曲線：我們看到時間特徵的模式——從某一點開始，信號增大到我們可以觀測到，然後迅速的增大，頻率增高，到另一點戛然而止。

我們看到兩條曲線，因為這是兩台觀測裝置的結果：華盛頓和路易斯安那，同一時間觀測到了相同模式的兩個信號——排除了當地的地殼運動、火車經過等影響。實際上，兩個信號不是絕對的同時：華盛頓在路易斯安那觀測到之後 7 個毫秒才收到信號。為什麼？

因為信號在從南向北傳遞，速度是光速，到達華盛頓的時候已經晚了幾個毫秒。通過這個時間差我們理論上可以判斷信號的來源：這一次，是從南面的太空傳來的。

如果我們有至少三台儀器進行觀測，那麼就可以利用幾何關係精確地定位黑洞融合事件發生在宇宙中的具體位置——那是以後的引力波觀測要做的事，這一次我們只有兩台。

這一次的結果表明，事件發生的兩個黑洞，每一個都有相當於 30 個太陽的質量，超高速的相互圍繞旋轉著，最後時刻它們之間的間隔只有 200 英里左右，瞬間速度達到光速的一半。最後一瞬間的脈衝信號——它們合二為一的瞬間所迸發的能量超過了整個宇宙餘下部分的能量之和。

事實上，這是我們用儀器觀測的歷史上，所見到的最大的一個天文現象——我們或許可以說，唯一的例外就是大爆炸（Big Bang）本身了，後者可以認為是通過觀測宇宙背景輻射間接觀察到的現象。

這是令物理學家，乃至所有科學家激動的事件：它是我們所掌握的，支持黑洞存在的第一個直接實驗證據。在此之前，我們已經掌握了一些邊緣的證據來支持愛因斯坦的預測，在他的理論當中，黑洞就是一顆恆星的全部質量坍縮到一個點。唯獨這一次，我們觀測到了證據直接支持黑洞的存在，它驗證了廣義相對論，在如此極端的大尺度物理現象當中依然成立——這是一個認識宇宙的全新的角度。

有人把它比作伽利略第一次將望遠鏡的鏡筒指向天空：在那以前，沒有人能夠想像外太空是什麼樣子，想像其他行星也會有像月球一樣的衛星做環繞運動，比如木星。我們則在真正觀測到信號之前，沒有人預先知道我們會看到些什麼。所以我覺得引力波的發現，值得人們為之興奮。

這是引力波探測的前景：大型的設備在全世界範圍內興建，這是我們的兩台——華盛頓和路易斯安那；這是德國的項目，在 Main，已經興建完成了不過還沒有正式啟動，所以這一次觀測沒有它的參與；這是在義大利的，已經開啟；還有在印度、日本的設備。所以在接下來的數年間，全世界會有越來越多的觀測點加入到探測行列中來。

以上只是在科學界諸多新進展中的一件，接下來我簡要地向大家介紹 MIT 其他的前沿工作。各位對 CRISPR（基因編輯技術）有了解嗎？這是科學上的一件大事，事實上中國在 CRISPR 領域是領先的。

它讓我們能夠深入到基因內部，對其進行精確的有方向的改編。這是一項數十億年來每個細胞都在利用著的悠久古老的技術，我們重新為其賦予了目的：編輯基因。如果這個技術得以獲准在人類身上使用（美國法律尚不允許），我們將有機會通過它來「修正」基因里的錯誤：深入到一條具體染色體當中的具體某一個基因，修改基因的某一個位點，諸如此類。

這不僅讓基因治療成為了可能，更讓我們有機會深入理解具體基因如何起作用：我們可以改變它，觀測基因的改變帶來功能上的何許變化。它也幫我們治療基因的疾病。例如，我們可以深入到蚊子的基因當中，使其不再攜帶瘧疾。基因編輯帶給我們太多生物和醫藥方面的預示，我敢說即便你現在沒有了解，幾年之內它也會成為社會熱點，見諸報紙等新聞媒體。

MIT 所做的另一件刺激的工作，是搜尋外太空的生命跡象。如大家所知，我們在太陽系裡各個行星上尋找生命，至今沒有發現；而我們知道在銀河系中還有其他的恆星也有行星環繞——即所謂「系外行星」（extra-solar planets，exoplanets）。

自從冥王星被開除出去之後，太陽系還有八大行星；而銀河系中，還有至少 2000 顆行星存在著。我們在建造人造衛星 TEST（Transiting Exoplanet Survey Satellite）去探測多達一千顆系外行星，只為找到所謂的類地行星。一旦找到了類地行星，我們會對其進行光譜分析，解析其化學組成，看看是否有生命存在的痕迹：例如，是否有氧氣存在。

我最後向大家介紹的一項科研進展，是相對早些時候的 RSA 密碼，很可能各位互聯網專業人士有所耳聞。

RSA 是一套秘鑰體系，現用來加密網路通訊。它是 1980 年代由這三位男士在 MIT 率先創製的。我尤其喜歡這個成果的原因，其一在於它是典型的多領域合作的結果：頭一位 Adi Shamir 是工程學院的，另兩位 Ron Rivest、Leonard Adleman 是理學院數學系的教員。這是典型的 MIT 模式的工程和科學研究相結合。另一個原因在於 RSA 產生於複雜性理論（complexity theory），正是我的專業所在。這是我的個人研究興趣，而他們都是我的朋友。

還有一個原因值得稱道的是，在創製之初，沒有人想到 RSA 會在應用領域大顯身手：一切都發生在互聯網普及之前。想出來 RSA 完全出於數學上的好奇，——我之所以知道這段歷史，是因為最初發表這項工作的期刊，不是學術期刊，而是在《科學美國人》——一部大眾科普（popular science）期刊，在數學遊戲專欄——一個很流行的數學娛樂（recreational mathematics）專欄裡面。這項工作本身就是被看作是娛樂性的，這是原文：《一項新的編碼方法，破解它需要百萬年》（A new kind of cipher that would take millions of years to break）。這就是最初發表的出處。

後來，人們意識到這項技術可以帶來電子商務和通訊領域的的革命。這於是構成了基礎科學研究後來在原先完全沒有預料的應用領域發揮價值的典範。基礎研究往往就是這樣，你無法預測，但是極為重要。類似的例子還有很多。

MIT 最重要的一個核心目標是：治癒阿茲海默症（Alzheimer』s disease）。我不知各位有沒有誰認識的人有 Alzheimer 症患者，他們，尤其是老年的患者，大腦開始衰退和萎縮，逐漸喪失記憶、思考和表達能力。這是一個很常見的疾病。

Alzheimer 症一大特點是難理解，難干預。相比其他嚴重威脅人類的疾病，像癌症、心臟病、中風、艾滋病，……它們的死亡率都在逐年下降，醫療和科技發展讓人們有越來越多的辦法去救治這些疾病，預後有了明顯的改善：這是醫學發展的證明；——而 Alzheimer 症正相反，死亡率較以往不降反升，因為我們至今沒有對症的解決辦法。

如果我們來看一下在 Alzheimer 症上的花銷——這是我們得了這種疾病所要承受的——美國花費兩千億美元去照料該症患者。一旦一個人得了痴呆，他依然能夠存活多年，但是你要照顧他，成本非常昂貴。隨著越來越多的發病，這個照料成本正在攀升。

預測指出，到 2050 年，每年這筆成本將達到一萬億美元：這對於餘下的整個社會將構成沉重負擔，它可以讓我們的醫保系統破產。我們必須採取行動，而且是立刻採取行動：去理解、進而解決 Alzheimer 症的難題，節省掉這筆巨額花費。而實際上，我們對攻克阿爾茲海默症所投入的資源還遠遠不夠：目前，美國年花費 50 億美元用於癌症研究，而 Alzheimer 症的財政支持只有 5 億元。

我相信這個數字會上升，而且已經在迅速上升：政客們逐漸意識到問題的嚴重性。但是我們還需要做的更多，款項需要政府的財政投入，也需要愛心人士的捐款，像蓋茨基金會這樣。在 MIT 方面，Aging Initiative 已經在幫助組織研究項目。這個項目由 Li-Huei Tsai 教授領導，核心任務是理解 Alzheimer 症。

實際上我們剛好取得了令人興奮的進展：6 個星期前，Nature 上面發表的一份工作，請讓我向大家介紹這份非常前沿的工作，它有望開啟疾病研究的新篇章。

先來看一些背景知識：如果我們把一個健康的大腦，如左圖所示，跟右圖所示的痴呆症大腦對比，會看到，患病的大腦由於神經元凋亡，會收縮，從而顱腔就都空出來了。這是痴呆的典型癥狀。

如果我們把它放到顯微鏡下觀察，就像當年 Alzheimer 醫生做的那樣，你會看到一些斑塊（plaques）——它們由特定的蛋白組成，在顱內特定位點聚集，是它們導致神經元萎縮凋亡。人們不確定地認為，是這些斑塊導致了痴呆症的發生——至少這是一派主流的解釋。

所以，移除斑塊也許意味著我們可以治癒這個疾病。Li-Huei Tsai 她們實驗室正是發現了一種全新的方法，來攻克這些斑塊。舊的辦法是用藥：向體內放入作用於特定（amyloid）蛋白的藥劑，試圖通過帶走這些斑塊來治療痴呆，但是始終臨床沒有效果。

Li-Huei 的組給出了一個全新的干預方式：根本不用任何藥劑。我覺得這有可能成為一個重大突破。她的方式有些難以置信：你用一隻實驗用的老鼠，對著它開閃關燈，斑塊就消失了。就是用每秒 40 次的脈衝光信號（40 赫茲）去刺激老鼠，這會向老鼠的大腦引入一個特定的光波模式（pattern），推斷就是這個特定的模式引發了大腦自帶的某種機理（natural mechanism）名叫 microglia（小神經膠質），小神經膠質的作用通常認為就是清除大腦當中的有害物，例如這些斑塊——像收集垃圾一樣。

痴呆症的大腦當中小神經膠質細胞不起作用了，而閃光燈的作用就是激活這些細胞，讓它們重新擔負起清除垃圾的任務。理論上就是這麼一回事，實際實驗數據表明這個方法確實有用：她的實驗組用 40 赫茲的頻閃光照射籠中的小鼠，每天一小時，一周七天——結果斑塊數量減少了 50%；對照組（control），每天一小時放在黑處，一周七天。圖上綠色的就是斑塊，這些小鼠被殺掉了，腦做了切片。這是發在 Nature 上面的數據表格，可以看到對照組沒有閃光處理的小鼠，斑塊數量沒有變化，而有光照處理的實驗組斑塊少了一半。

這個結果很令人驚奇，甚至不僅僅是斑塊被移除了，而且實驗組的小鼠認知能力也有了提高。所以結論是，這些 Alzheimer 症小鼠，認知能力受損，喪失記憶力，經過閃光處理之後重獲了記憶（通過一定的實驗測試）。

我們不知道對人類是否適用，不過它至少為這種疾病的治療指出了一個意想不到的全新方向。這又是一個基礎科學研究，嘗試不同的東西，有可能就會幸運的出現一些結果。這種情況在企業化的按部就班的研究當中是幾乎不可能出現的，更有可能滋生於大學的土壤，在基礎科學的領域。

以上就是關於 MIT 科學教育與前沿進展的一個概覽。最後簡要說一下我們要做的事情：讓 MIT 保持強大，也是我個人要做的，募集資金。目前，我們同世界上的各個研究型大學一樣，都需要為科研募集經費。同樣地，經費也一方面來自聯邦政府，另一方面來自富有的個人：從而讓我們的科研延續下去。