2009年12月4日星期五

科学松鼠会

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云计算:一片"电脑云"里的浪漫

Fri, 04 Dec 2009 16:00:39 +0800

1本文发表于《三湘都市报》,有删改。

云计算这个新鲜的红火词语,在最近的几年里迅速席卷了世界,从学术一线到市井平民,几乎无人不晓。然而,就像所有新生事物一样,并非总能迅速被大家看清,于是时常就会出现这样的疑问:云计算,到底是个什么玩意? 

我们先来举个大家都知道的例子。几年前,我们家家都有个煤气罐,呼哧呼哧扛回一罐煤气,也算是个私有财产了,一般来讲,这部分煤气就不会给再被别人用。后来,管道煤气广泛普及,家里就不再需要煤气罐,要下厨了,只要打开阀门,煤气就源源不断,到月底按用量交钱即可。在我们家中不再有煤气罐时,我们想象,其实是在某个地方有一个巨大的煤气罐,每户人家由管道连接到这个大煤气罐上。

不妨给这个新模式起个名字吧,这就叫云煤气。

以此来类比一下。如今我们家家都有电脑,电脑上还要安装许多软件,这台电脑摆在家里,不用的时候,这部分计算资源就会因为闲置而造成浪费,哪怕邻居手头拮据买不来电脑,你也不大可能时常借给他用用。于是,我们现在提出一种全新的概念,把成千上万台计算能力非常强大的计算机集中在一起,然后大家索性也不用购买高性能的电脑了,只需一个成本低廉的终端机,通过互联网连接到这些强大的计算机上,你用我用大家用。这些集中起来的计算资源,就像管道煤气一样,随用随取,它们为你实现各种各样的应用,你只需要一个浏览器就行。

聪明的读者一定猜到了,这就是云计算。这个名字,是因为我们把那些集中起来的计算机看成一片"电脑云",呵呵,多么浪漫的一个名字。 其实,云计算的完整名称应当叫作"云端(Cloud-Client)计算",这个"云端"可不是指飞上云端,而是说组成整个系统的,除了"电脑云",还有"终端"。至于为什么简称为"云计算",笔者有个相当阴谋论的想法:云计算这个词是由Google提出的,与微软相比,Google在"云"上有优势,但在"端"上处于下风,所以干脆从名称上先来个垄断,把围观群众的注意力多多转移到"云"上面来。

这样一看,云计算完全不神秘,早在多年前,我们的煤气供应就已经实现云端模式了。但是,这并不等于云计算的重要性不够高,它对我们日常生活造成的影响,绝不低于管道煤气的普及。可以想见,在不久的将来,你不再需要更快的CPU,更大的内存,更强的显卡,因为那时一个几百元钱的简单设备,就可以拥有任何高性能计算机才能执行的功能。举个眼前的例子来说,《纽约时报》使用Amazon的云计算服务,将其从1851到现在的1100万份报道,全部转变成可搜索的数字化文档,耗时仅一天。如果在传统模式中,这项工作只有两条路可走,要么使用现有资源耗费数月来完成,要么耗费巨资购买计算资源,用过一次就闲置起来。可以看出,云模式在实际应用中有着巨大的作用。当然,不仅《纽约时报》可以使用这项功能,《三湘都市报》也完全可以� 甚至你也可以一样地随时随地使用这些强大的计算资源。自由、平等,这些互联网时代最基本的精神,将会得到更加充分的体现。

到那时,个人不再需要存储介质,光盘,硬盘,U盘,这些家伙可以统统退出历史舞台。一切数据都保存在"云"里面,你只要随时随地连接到"云"上,就可以获得各种各样的资源。想要听音乐?只要到云上去听(当然,很可能是需要付费的);在家里制作的报表?第二天到了公司再去云上找就好了;硬盘损坏数据丢失?这是不可能再发生的事了。计算机,你可以使用,但却看不见,也摸不着,它在天上,在云里,它无处不在,计算将变得随时随地。到那时,也不再有"盗版软件"这个词语存在,因为你不再需要自己安装任何软件(至于浏览器嘛,免费赠送你),一切都是管道煤气:随用随取,按量付费。

但是,从这个模式当中我们也能看出,云计算这种模式,很容易造成市场垄断,因为这样的大规模电脑云,并不需要太多。曾经有人说,到了云计算时代,世界上只需5片电脑云就够了:微软,Google,IBM,SUN,Amazon,各撑一片。等等,这话听着怎么这么熟悉呢?对了,早在1943年,IBM公司的创始人沃森说过:这世界上只需要5台电脑就够了。这句话的正确性,你只需瞅一眼自家桌上的电脑就可以微微一笑了,沃森也因为这句搞笑般的预言,差点毁掉一世英名。不过我们现在看来,说不定这还真是沃森的远见所在:早在60多年前,他就看出了云计算。言归正传,从前面说的模式来看,也许5片电脑云真的就够了,我们也且相信,这5家公司都拥有足够的实力来构建自己的云。然而从市场的角度来看,这是相当不稳定的局面,没有人会眼看着一块巨大的蛋 ��被5家公司独吞,但是介入云领域的门槛又是相当之高,大有望云兴叹之感。IT行业将何去何从,让我们拭目以待。

中国作为互联网大国,当然也不会对云计算这个未来趋势视而不见。今年9月,国内著名互联网企业阿里巴巴宣布,成立一家名为"阿里云"子公司,专注于云计算的研究与开发。首个云中心部署于江苏省南京市,为南京、扬州、南通等长三角地区城市提供局部的云服务。我们相信,在可预见的未来中,中国将有越来越多的企业看到这块商机,为国内用户提供越来越多的方便的云端服务。到那时,计算机资源将变得像煤气一样,什么时候想用,就什么时候用,想在哪用,就在哪用,想用什么服务,就用什么服务。想象一下扛煤气罐上楼是个什么感觉,就不难想象,云计算将为我们的生活带来多大的便利。 所以,拥抱云计算吧,这是最好的时代。

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托马斯·哈里奥特:比伽利略更早凝望月球的人

Fri, 04 Dec 2009 10:08:23 +0800

(本文文字删减版已刊载于《人民画报》杂志2009年第11期。鉴于和文中图片版权拥有方达成的协议,本文完整配图版请看这里。)

400年前的1609年,人类对宇宙的认知能力发生了质的改变。同年的7月26日晚,英国天文学家、数学家托马斯·哈里奥特(Thomas Harriot)使用刚问世不久的望远镜对月龄(从新月起算月相所经历的天数)为5天的月亮进行了观测,并且画下了一张标注有日期的素描图。这是迄今已知年代最早的使用望远镜画出的天体素描图,比伽利略广为人知的素描图还早了近四个月。

哈里奥特其人

1609年49岁的哈里奥特已经是当时享有盛誉的天文学家和数学家。他是英国数学的领军人物,在欧洲大陆也很有名。他还和当时住在布拉格的开普勒保持着通信。哈里奥特是一个几何学家,着迷于欧几里得、阿波罗尼以及他们的追随者所带来的优美结论,同时也试图用现实中的数学概念来解释观测到的天体运动。此外,他还在代数以及方程理论领域做出了高度开创性的工作。在天文观测方面,他使用一个被称为"天文半径"的大型测量仪器将行星以及恒星的位置测定到了几个角秒的精度。


[图片说明]:托马斯·哈里奥特肖像。

1560年哈里奥特出生在英国牛津,除此之外现在对他的家庭几乎一无所知。1577年他进入圣玛丽堂学习,并且在1580年获得学士学位。现在圣玛丽堂已经不复存在,在维多利亚时代晚期被牛津大学的奥里尔学院合并。在学生时代哈里奥特就表现出了出众的数学才能,毕业后不久就进入了沃尔特·莱利男爵家族成为了一名家庭数学教师。他参与了莱利家族船只的设计,还利用他的天文学知识为导航提出了专门的建议。

1585-1586年他以科学家的身份前往了英国的新殖民地弗吉尼亚,成为了第一个在北美大陆教授西方科学技术的人。作为航海科学顾问的哈里奥特还被莱利要求寻找出一种能有效地在船甲板上堆放炮弹的方法。他所给出的结论非常类似现代原子的结构,随后在给开普勒的信中他描述了这一想法,由此影响了著名的"开普勒猜想"。

在他回到英国之后不久,莱利男爵便失去了女王伊丽莎白一世的宠爱,并且在1603年被新国王詹姆斯一世判处死刑。随后,哈里奥特开始为第九代诺森伯兰伯爵工作。但1605年诺森伯兰因涉嫌英格兰天主教极端分子试图炸掉英国国会大厦的火药阴谋而入狱。哈里奥特也被捕并且受到询问,但很快被释放。

1607年回归的哈雷彗星引起了哈里奥特对天文学的关注。1609年初他购买了一架望远镜,成为了最早使用望远镜进行天文学研究的天文学家之一。1609年7月26日的那个夜晚,哈里奥特更是通过望远镜第一个描绘了另一个天体的景象。

哈里奥特的月球观测

目前哈里奥特有超过12张的铅笔或者墨水月球画被保存了下来,其中的第一张、同时也是最粗糙的一张可以追溯到1609年7月26日。在这张对月龄为5天的月亮的素描中,明暗界线的位置有一些错位,且画面中没有月亮上的环形山。不过,明暗界线中弯弯曲曲的部分可能代表的正是迪奥菲鲁斯环形山及其周围的区域。素描中淡淡的阴影则描绘出了月球上现在被称为危海、静海、丰富海以及可能是梦湖的区域。这张素描旁并没有任何关于哈里奥特所见的文字描述,也没有写下这次观测的目的。一种观点认为,哈里奥特当时是想通过望远镜精确地确定上弦月,然后采用和阿利斯塔克类似的方法来计算地球-月亮-太阳的距离之比,即假设上弦月时,日、月、地成直角三角形,通过测量太阳和月亮在天空中的夹角就可以测算日地距离和地月距离之比。不过这� �要月龄为7天而非是5天的月亮。由于哈里奥特的第一架望远镜的放大倍率仅为6倍,因此这第一幅素描中没有呈现出过多的细节也并不让人吃惊。

从目前保存下来的手稿来看,在这之后差不多一年的时间里,哈里奥特就再也没对月亮进行过素描。1610年7月17日他画了第二张月面素描。从这张素描开始,后续的素描展现出了越来越丰富的细节。在后来一个没有特定注明的时期里,哈里奥特似乎停止了他的望远镜观测(可能是在1613年前)。之后,他突然绘制了两张未标注日期的完整月面图。这两张月面图描绘了月海错综复杂的边界,还有许多容易辨认的环形山。让人疑惑的是,哈里奥特这些精妙的完整月面图是不是在不同月相下绘制并且最终"拼接"到一起的。因为满月耀眼的光芒会"抹"掉月面图中的许多细节。

有历史学家认为,哈里奥特在1610年7月17日之后的月球素描可能是受到了伽利略在1609年12月到1610年1月所绘制的月球素描——作为《星际信使》的一部分于1610年3月在威尼斯出版——的鼓舞。尽管如此,但是还是有两点必须强调。第一,哈里奥特的第一幅望远镜月球素描图虽然"粗糙",但确实比伽利略早了近四个月。第二,哈里奥特后续绘制的完整月面图凸显出了他在天文观测方面的高超技艺。

为什么这么说?从哈里奥特后续的月面素描来推断,他所使用的望远镜已经达到了8倍甚至是50倍的放大倍数,这才使得他看到了越来越多的月面细节。但是哈里奥特所使用的伽利略式望远镜有一个巨大的缺点,那就是视场很小。这就使得使用者很难将望远镜对准目标,同时也无法在视场中看到整个月亮。这也解释了为什么在《星际信使》中伽利略自己所绘制的环形山的大小被夸大以及它们和明暗界线之间的相对位置会有略微的变化。此外,哈里奥特所绘制的完整月面图中的月海和环形山位置都非常精确,这使得伽利略乃至后续20年的观测都相形见绌。这对于一个在望远镜的视场中没有任何测量装置的人来说,简直就是一个"不可能的任务"。

哈里奥特的其他成就

除了月亮之外,哈里奥特使用云层做为天然的滤光片对太阳黑子进行了望远镜观测(请勿模仿!)。在1610年12月8日至1613年1月18日间哈里奥特对太阳黑子进行了199次观测,他甚至还由此得出了太阳自转周期为27天的结论。虽然哈里奥特并不知道太阳不同纬度的自转周期不同,但是这一数值也比同时代的结果要精确的多。另外,在1610年夏天之后,哈里奥特还对木星卫星进行了观测。根据对他现存手稿的分析发现,他对木星卫星的运动周期进行了非常精确的测定。

哈里奥特还对光学中的折射现象进行了研究,比荷兰数学家斯涅尔早了20年发现了斯涅尔定律(入射光和折射光位于同一平面及入射角和折射角所满足的关系)。他在代数领域还提出了方程复数根的想法,但不幸的是被无法理解这一概念的编辑把这部分内容从他的代数著作中删去了。

1621年7月2日,哈里奥特因为皮肤癌去世。他的绝大部分科学发现都没有被发表,后人只能通过遗留下来的部分手稿和素描来领略这位几乎被遗忘在历史长河中的科学家的惊人成就。

"真正"的望远镜400年庆典

2009年7月26日,英国在塞恩宫(Syon House)举行了"望远镜400"庆祝活动,旨在庆祝托马斯·哈里奥特首次将望远镜用于天文观测400周年。活动期间展出了两架哈里奥特所使用过的望远镜的复制品,同时英国演员艾伦·奇斯曼(Alan Cheeseman)也打扮成了哈里奥特的模样来向世人再现当年的情景。

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