2010年1月20日星期三

科学松鼠会

来自"科学松鼠会"的最新文章,如果您不希望再收到此邮件,请退订;如果您需要更换其它邮箱接收邮件,请点击这里

[Dr.You第45期获奖答案]我们为什么怕密麻物?

Wed, 20 Jan 2010 18:13:32 +0800

红色皇后答:

啊,莲蓬乳,勾起了红后美好的回忆。N久以前我在网上淘图,偶然发现一疑似人体某部位,还有很多小点点的图片。凑近一看,天啊!最糟糕的是我用的关键字是larvae(幼虫)!于是该图被我果断地判定为,食肉幼虫!
哇呀呀呀呀呀呀!
后来才知道,这种由"莲蓬乳"引发的症状叫密集物体恐惧症。有些人看到密密麻麻排布的细小物体(打出这几个字我已经起鸡皮疙瘩了)就会害怕,头皮发麻,头 晕恶心(这个红后倒是没有)。据说有这个症状的人,比恐高的人还要多。常用的解决办法是"系统脱敏法",简单地说就是看一大堆密密麻麻物的图片,从不太可 怕的到非常可怕的,让你逐渐习惯。好残忍……

理论铺垫:害怕是咩嘢?

恐惧症(phobia)是一种轻微的精神疾患,症状很简单,就是害怕某些东西或情景,即使明知道该东西不会伤害自己,也要害怕。常见的像恐高症、幽闭恐惧 症、社交恐惧症、牙医恐惧症(大约有50%的美国成年人罹患此症)。最欢乐的是还有一种山羊胡子恐惧症(Pogonophobia)……
我们为什么要害怕呢?害怕让我们吃不下,睡不着,在女朋友面前丢人。但是你可以想象,一只老鼠要是不怕猫,会发生什么事情……
话说海阔凭鱼跃,天高任鸟飞,进化科学上有一个词,叫做EEA(Environment of evolutlonary adaptation,好押韵啊),意思是"通过进化而适应的环境"。动物害怕的东西,都是在自己的EEA环境里有害的东西。原因很简单,不知道躲开危险 的动物都挂了。例如鹅害怕长型、棕红色、会动的东西,这实际上是对狐狸的恐惧(你用绳拉着一块狐狸皮走一走,也能把鹅吓得要死)。
人类的EEA是在非洲热带草原上。我们害怕黑暗、高处、陌生的地方、巨大的响声和突然跳出来的东西,还有蛇。这都是有道理的。在EEA里,如果一个人不怕高,他会爬到20米高的树上,然后拽着树枝打秋千,如果一个人不怕突然袭击,豹子会跳到他身上。
AK-47绝对要比蛇危险,但EEA里没有枪啊,所以我们没有进化出怕枪的本能。很少有人害怕枪到怕蛇或恐高的程度。小孩子可以把枪拿起来玩,见了蛇却畏首畏尾。

初探:表皮寄生虫

我们已经知道恐惧既是学习得来,也是进化成果,还知道了恐惧是有益的适应,现在就可以攻克最后一座碉堡了——到底为什么会有密集物体恐惧症?
根据前面所述,我们可以猜想,密集物体恐惧症也是进化的结果。我们害怕密密麻麻物应该和本能有关,因为密密麻麻物是有害的,不懂得害怕它的人受到荼毒。然 后,红后第一个想到的是表皮寄生虫。寄生在人体表皮的昆虫,我所知道的有两种,一种是南美洲的人肤蝇(■Dermatobia hominis),还有一种是非洲的嗜人瘤蝇(■Cordylobia anthropophaga,就是瘦驼介绍过的"人皮蝇"),两者的幼虫都是我们俗称的"蛆",一般的蛆只吃腐肉,但这两种蛆会钻进人的皮肤里,啖生肉为 生……
哎呀,乱恶心一把的。不过,密集物体恐惧症真是源于对寄生蛆虫的恐惧吗?可能性不大!人肤蝇生活在南美洲,人类的EEA是在非洲。嗜人瘤蝇虽然生活在非 洲,但它在同一个地方只会下一两个蛆,不会密密麻麻下一片,患处也只会凸起一小点,不会像莲蓬乳这么醒目(人肤蝇也是打一枪换一个地方,而且被它寄生的地 方会肿一个大包,更不像莲蓬乳)。
第一个假说被抛弃了,算啦。我们换个思路,考虑一下密集物体恐惧症的症状吧,正好,病人红后在此,可供研究之用,虽然样本小了点:

症状1:体积大、数量少的不怕。引起密集物体恐惧症的首要条件就是"密集细小"……
症状2:四方带棱的不怕。可怕的是圆点状的。
症状3:错落散布的比挤成一团的可怕。例如蜂窝、鱼卵我就不怕。蛆虫虽然恶心,但不会有莲蓬乳那种毛骨悚然的感觉。
症状4:与背景对比越鲜明越可怕。
症状5:越有立体感越可怕,凸出的肿包或者凹进的空洞比平面可怕。
症状6:有大有小的比大小一致的可怕。(至少我是如此)

综上得到激发密集物体恐惧症的条件:密集、细小、圆形、错落分布、颜色鲜明、有立体感、大小不一。我们现在的任务,就是寻找符合这些条件,同时又存在于EEA中,同时又危险值得一怕的东西……
下面我个人提供一些备选答案,不能保证正确,只供大家参考。

嫌疑人1:疾病

首先我们必须了解。EEA中的常见疾病跟现代社会中的疾病不同。例如流感和黑死病这样烈性的传染病,EEA中不能存在。石器时代人都住得很稀,而传染病却要有大规模密集的人群。
因此红后依依不舍地告别了天花——世界上最致命的疾病之一,又能形成密集的皮疹,但它是烈性传染病,而且是在农业时代出现的——EEA时代在此之前。
比较有嫌疑的,是那些慢性病,在EEA稀疏的人群里也可以存在的。皮肤病经常会引起疹子,或者毛囊的红肿,这不就是密集的小点点吗?看到密集小红点或者小白点就头皮发炸,躲着走,就可以避免被传染了。
慢性皮肤病往往伴随瘙痒。虽然这些病本身并不严重,但抓痒会把小病变成大病。抓过痒的手也很容易导致疾病的传染。更糟糕的是抓破皮肤,EEA可里没有抗生 素,一旦感染了就很麻烦,甚至可能有生命危险。但痒实在难受,不抓不行,这时就需要有更强力的东西——恐惧,来克制抓痒的欲望了,看到那些点点就发抖,看 你Y还抓什么抓?
不过,据说有的密集物体恐惧症患者看到莲蓬乳,就想把那些莲子一个个抠出来……

嫌疑人2:霉菌

圆点状、色彩鲜明、有立体感、星罗棋布而且大小不一的东西里,有一样是常被我们忽略的,那就是霉菌!至于我们为什么会恐惧霉菌,理由很简单,如果我们对星罗棋布的霉菌看一眼就恶心,就能避免吃进发霉的东西了。
EEA没有冰箱也没有黄连素,识别食物的新鲜程度就非常重要,我们已经有嗅觉和味觉把关,来避免吃下腐烂的东西中毒。为什么不在视觉上再加一道关呢?

嫌疑人3:昆虫

"撞乳"之前,红后就有过几次密集物体恐惧症发病的经历。一次是看到杨树苗上密密麻麻的蚜虫,一次是看到榆树上密密麻麻的金花虫,一次是看到种类未知植物上密密麻麻的草鞋蚧,还有一次是不知名的虫卵……请注意,这些东西有一个共同点,它们都是"虫"。
有毒的昆虫比如金花虫、大黄蜂、大桦斑蝶,都会以鲜亮颜色作为警告。毒虫还会另一种警告敌人的方法,那就是集群!毛毛虫、瓢虫、金花虫都喜欢扎堆。鲜艳而有毒的红萤甚至会分泌出信息素,催别人赶紧集合过来。这样可以使自己更加醒目,警告效果更佳。
大多数哺乳动物都是色盲,但我们属于旧大陆灵长类(生活在亚、欧、非三洲的猿猴类),能分辨红、绿、蓝三色光。有人认为,色觉能帮助我们和猴子们寻找成熟的果子。所以我们对颜色鲜艳的东西情有独钟:鲜花、华服、彩虹、宝石、《向日葵》……
这么一来,有毒的昆虫在我们看来很靓丽,数量又大,实在是太有诱惑力了!许多原始部落,都把昆虫当作重要的蛋白质来源,可以想象EEA里的人类也是如 此……如果我们对这些密密麻麻花花绿绿的生物天生就有恐惧。就可以省去腹泻和弄一手怪味的麻烦,所以密集物体恐惧症其实是叫我们避开毒虫,猜测而已……
在原始社会,采集昆虫等食物的工作一般是由女性担当,也许这可以解释,为什么女人比男人更怕虫……

文字编辑:拇姬

科学友情编辑:蓝枫

———————————————————————————————–

很遗憾本期的来信都不入评委法眼。于是红色皇后推出号外,表扬红色皇后!请大家下次继续加油~

你也许会喜欢

返回顶部

【小姬看片会第十四期】无性Ctrl+V

Wed, 20 Jan 2010 13:36:32 +0800

完全一样的基因,会导致完全一样的个体吗?

谁会成为第一个人类"多莉"?

当你面对完全相同的脸完全相同的身体,将会是恐惧还是认同?

制造这一切的是弗兰肯斯坦,还是上帝?

克隆——尚未出生就备受争议的技术,到底已经走到了哪里?

1

海报

海报:by耿冰

这不是Star War的场面,也不是Avatar的传说,这是Discovery的Human Cloning人类克隆。人类克隆已经发展到实质性阶段,被注入母体基因的卵子已经经历了自己第一次的细胞分裂。

插入人类卵子的探针将会开启一个新的世代,还是会打开人类历史上的潘多拉魔盒?

松鼠会为你邀请中国前沿克隆专家、历史学家、心理学家为你展开克隆图景,带来最前沿的克隆技术进展,用最先进的技术拷问你内心对相同个体的态度以及克隆人的身份认同,以历史眼光为你分析克隆将为人类带来的革命和困局。

2010年第一个月,中国科技馆新馆,我们一起复制、粘贴,观看人类历史上第一次的无性Ctrl+V。

时间:2010124日(周日)14:00-17:00

地点:中国科技馆新馆,南侧报告厅(东门入场,一层大厅左侧报告厅即是)

主办方:中国科技馆 科学松鼠会

类型:看片会

主持:小姬

影片名称:《人类克隆》

需要特别说明的是,这部影片根本没有字幕,中文英文都没有,情急之下,小姬在豆瓣上紧急呼救,没想到各路英雄立即纷纷响应,我们临时成立了S³字幕组(S立方=Scientific Squirrels Science),以不可思议的速度完成了全长44分钟的影片的听译!

感谢所有付出了辛劳努力的成员!虾虾、Denovo、Tianqi、红松鼠Annie、HF和Twopersons!

松鼠会满赛!振臂一呼!英雄四起!

微博直播:本次看片会将在科学松鼠会新浪微博文字+图片直播,欢迎不能来现场参加的同学届时关注。

【嘉宾阵容】

高绍荣 北京生命科学研究所研究员 诱导多功能干细胞是万能么?

《Cell Stem Cell》杂志2009年8月23日公布了高绍荣在世界上首次利用iPS细胞(诱导多功能干细胞)培育出哺乳动物的消息。接受新华社采访时,高绍荣博士认为,这表明中国在iPS细胞研究领域的水平正得到国际科研界越来越多的认可。

张鸣 中国人民大学政治学系教授 技术进步和伦理发展如何互动?

毛利华 北京大学心理学系副教授 我和我,该怎么认识我?

【号外号外】

状若巨大的"鲁班锁"的科技馆新馆还邀请爱科学的你进入科学的魔方,特别为松鼠会观众免费发放300张参观券,有专人带领,分两次入馆参观。

【参观时间】

第一次9:50开始签到

请务必于1月24日9:50前抵达中国科技馆新馆东门(正门),入口处集合签到,统一入场,过时不侯哦~

第二次12:20开始签到

请务必于1月24日12:20前抵达中国科技馆新馆东门(正门),入口处集合签到,统一入场,过时不侯哦~

这些免费票和免费讲解只给抢到看片会门票的同学哦!

请同学们务必提早到科技馆签到领票,以便我们组织参观。来晚的人就没有票啦!

【特别提醒】

请同学们注意,这次看片会在鸟巢旁边的 ��技馆新馆举行,而不是老馆哦!千万不要去错地方啦!

科技馆新馆

科技馆新馆

【如何参加】

报名链接:请点击下面的链接,使用报名表报名。多人结伴需要填写多张报名表,每人一张,需使用不同的Email地址。请仔细填写(尤其是Email,那是发送通知信件的唯一方式),仅提交一次即可,(请松鼠会的松鼠和亲友团也参加报名,方便统计人数!)

http://www.askform.cn/4637-67210.aspx

本次看片会特将名额扩展为300个。上一次250个名额都会在一天之内消失,所以看到就抢,先到先得哦!

自己人也要报名,方便统计。

报名系统将在1月22日零点关闭,报名确认邮件将在报名系统关闭后统一发出,报名成功的同学会收到我们的确认邮件,请耐心等待,请不要反复提交数据!

【如何抵达】

中国科技馆新馆位于北京市朝阳区北辰东路5号,奥林匹克公园中心区东北部,鸟巢正北1公里。

1.公交线路:

(1)乘坐328、379、419、484、628、751、836、85、913路到"洼里南口"站,向北步行约6分钟到达中国科学技术馆西门;

(2)乘坐425、518、630、695、836、949、运通110路到"豹房"站,向西再向北步行,约10分钟到达中国� �学技术馆东门;

(3)乘坐466、653、758、984、985路、快速公交3线路、快速公交3(区间)、快速公交3(支线)到"慧忠北里"站,向北再向西步行,约10分钟到达中国科学技术馆东门;

(4)乘坐108、124、415、417、426、538、803路到"大屯南"站,向北再向西北步行,约13分钟到达中国科学技术馆东门。

2.地铁线路:

(1)乘坐地铁8号线到"奥林匹克公园"站,向北再向东步行约13分钟;

(2)乘坐地铁8号线到"森林公园南门站",向南再向东步行约10分钟;

(3)乘坐地铁5号线到"大屯路东"站出A1口,换乘538路到"北辰东路"站,向北直行约12分钟到达中国科学技术馆东门。

事实是,新馆附近很空旷,没有那么复杂,告诉大家四处张望先,然后朝科技馆巨大的白色球体走就可以了!

大家不要从冰面上走过去哦� �要注意安全!

科学是买不来的快乐

科学是买不来的快乐

世界上最美的眼神是好奇的眼神

世界上最美的眼神是好奇的眼神

未知一直是最吸引人类的东西

未知一直是最吸引人类的东西

知识是你最美的一面

知识是你最美的一面

跟门捷列夫一样,科学松鼠会欢迎你的一切问题

跟门捷列夫一样,科学松鼠会欢迎你的一切问题

想象力是科学的同位素

想象力是科学的同位素

你在看什么?

你在看什么?

掌柜,来二两科学!

掌柜,来二两科学!

【温馨提示】

1、  成功抢到第十四期小姬看片会的同学,可以于1月24日当日参观免费参观中国科技馆新馆。

2、  在填写报名表单时,请选择是否参观,以及参观时段。

3、  参观时段分为两个:早上10:00一场,中午12:30另一场,请抢到票又报名参观的同学根据自己的时间合理安排。

4、  参观均需要签到入场,所以,请报名时一定留下你的准确联系方式。这是你签到时需要核对的个人信息。

5、  馆内地下一层有餐厅,门票不包含餐费,且馆内餐厅就餐种类较少,就餐面积也较小。建议选择12:30参观的同学先自行在馆外就餐。建议选择10:00参观的同学,可自带简餐。

【地图】

科技馆地图

科技馆地图

你也许会喜欢

返回顶部

下一站火星?

Wed, 20 Jan 2010 11:10:38 +0800

Daniel Pendick 文 Shea 编译

登陆火星要比你想象得难得多,但绝非不可能的任务……


[图片说明]:火星。版权:NASA/USGS。

月亮只是前奏,把宇航员送上火星可能将会是人类历史上更为精彩但也更为艰苦的篇章。旅途中4~6个人会在一个铝罐子中住上6个月。在降落到火星表面之后,宇航员们又要在狭小的空间里住上600多天,直到地球再一次运行到特定的位置他们才能启程回家。最终,这些无畏的探险者将从火星表面起飞,在另一个铝罐子里再呆上6个月直至抵达地球。整个过程将历时两年半。

载人飞向火星可能将会是有史以来最危险、最具有传奇性质的旅行。月球旅行在从发射到返航的全过程中都有放弃任务的机会。但火星之旅则不行。一旦离开地球,机组成员就走上了一条不归路。去往月球就好比从纽约向外划船几千米,而前往火星则是扬帆横穿大西洋。

火星路途之艰辛堪称"不可能的任务"。但火星载人探测的热衷者并不这么认为。如果资金充裕并且有着那份"阿波罗"登月时的冲劲的话,一些人相信只要几十年人类足迹就会出现在火星表面之上。

为什么要去火星?

对于很多极端热衷于火星探测的人来说,去火星根本不是"是否"、"为什么"和"如何"的问题,而是必须的。它将告诉我们火星上是否存在过或者仍然存在生命。它将大大地推进航天技术,并且鼓舞下一代。当� ,它还会把人类送上另一颗行星。对于美国宇航局来说,他们需要为火星探测制定一个目标,那就是把人送上火星。火星是科学之所在、挑战之所在、未来之所在。它是人类新的前线。

如何去火星?

当然是坐太空飞船去。目前的行星际探险家已经有了多种飞往火星的可选途径。在科幻小说中充斥着在行星间呼啸着往来穿梭的大型宇宙飞船,看上去就好像步行去便利点买一盒牛奶这么简单。但是在现实的行星际飞行中,根本就不是这么回事。

前往火星包括了三个步骤。第一,摆脱地球的引力场。第二,加速去火星。第三,进入火星的引力场并安全着陆。这并不像看上去的那么简单。

火箭推进剂是一大关键问题。你必须要携带有足够的燃料来发射升空飞往火星并且返回。因此推进剂必将占据载荷的大头。事实上,任� �行星际飞船都可以被想象成一个巨大的气罐。从地球到火星距离大约数亿千米,需要巨大的燃料储备。

[图片说明]:美国宇航局构想中的用于执行载人火星探测的热核火箭。版权:NASA/Glenn Research Center。

解决这个问题的一种办法就是"分段进行"。将整个过程划分成多个阶段,这样也更容易管理。这一战略最早源于1989年美国总统布什在美国国家航空航天博物馆的一次演说。

那一年的7月20日,也就是"阿波罗"11号登月20周年之际,布什公布了他的空间探测计划,其中包括了建造国际空间站、重返月球和前往火星。

美国宇航局为此进行了"90天研究"来充实这一构想。其中火星探测将采取"天基"架构。宇航员会在空间站上组装一艘大型飞船。在抵达火星之后,这艘飞船会分解成一个用于把机组人员送回地球的返回飞船以及一个用于登陆火星并且重返火星轨道的着陆飞船。第一次任务将只在火星表面逗留30天。

直奔火星

布什这一计划的成本预计是5千亿美元,但到1990年就几乎被抛弃了。不过这也激 ��了一些科学家和工程师提出了更快捷、更廉价的火星探测计划——"直接火星"。

"直接火星"和先前的"天基"方案有了显著的不同。首先,一个货运飞船会使用类似"阿波罗"计划中的"土星"Ⅴ型火箭发射升空。它将携带一个最终把宇航员送回地球的返航飞船,并且它将不在近地轨道上进行组装或者补给而是直接飞向火星。这正是"直接火星"中"直接"的部分。

返航飞船会在不加注燃料的情况下降落到火星表面。同时,它还会携带一个资源就地利用设施。其中包括了一个自动化学处理厂、一个核电发生器和液氢"原料"。随后资源就地利用设施会混合液氢原料和火星大气中的二氧化碳由此来制造可做为火箭燃料的甲烷和氧。


[图片说明]:欧洲空间局科学家设计的载人火星基地。版权:ESA。

在下一次火星处于有利发射窗口的时候——货运飞船发射之后26个月,火星考察队员便会从地球启程。但前提条件是资源就地利用设施必须已经完成了对返航飞船的燃料加注。宇航员所乘坐的飞船会运送四名宇航员、一辆以甲烷为燃料的火星车以及在未来三年中他们所需的一切。

"直接火星"所采用的轨道都是为了把对推进剂的需求控制在最小的程度,但代价是宇航员必须在星火上停留相当长的时间。在6个月的飞行之后,宇航员还必须在火星上呆大约600天来等待火星再一次运行到对返航燃料需求最少的发射位置。

当宇航员离开火星的时候,第二艘从地球发射的返航飞船会进入火星轨道。这将为宇航员提供一个安全保证。如果早先发射的返航飞船失灵,宇 ��员还可以用第二艘返航。如果宇航员最终没有使用备用返航飞船,那么它还可以留给下一批的火星考察队员使用。

"直接火星"的成本正是它的关键卖点。据估计它将花200-300亿美元和10年时间来进行硬件研发,以及另外的10-20亿美元来用于随后的飞行和火星前哨站的开销。目前它的总成本大约是300-400亿美元,之后每次载人火星探测的费用大约为20-30亿美元。

20世纪90年代美国宇航局采纳了这一战略思想,但不同的是宇航员将乘坐火星上升飞船离开火星表面,然后换乘火星轨道上先前由货运飞船送来的行星际飞行器返航。到1998年美国宇航局抛弃了"直接火星"转向了"间接火星"方案。使用这一方案可以省去向火星发射200吨的额外载荷。一枚80吨的火箭将会把载荷和推进段送入近地轨道,在那里它们会对接并且前往火星。对于第一批前往 ��星的探险队而言,至少需要六次发射。

虽然美国宇航局的火星探测涉及到比"直接火星"更多更重的硬件,但基本步骤还是类似的。其预算要求是小于5千亿美元。


[图片说明]:美国宇航局的火星基地构想。版权:NASA。

着陆火星

目前的火星计划更多的还只是大的框架,许多细节还有待进一步深入。其中最关键的细节之一就是如何把沉重的载荷整体降落到火星表面。宇航工程师把这一过程称为"进入、下降、着陆"。

目前美国宇航局还没有官方资助任何的火星载人飞行研究。但是美国宇航局内外的科学家和工程师一直在探索在火星上实施"进入、下降、着陆"的办法。对于学生来说这是一个非常好的研究案例,同时研究结果也会有助于未来机器人火星探测任务。对于"进入、下降、着陆"来说其最大的挑战是如何在不到10分钟的时间里把速度从超高音速降到零。一旦失败,那么载荷就会在火星表面砸出一个新的环形山。

这个过程中最困难的部分是中间的"下降" ��段。在这之前载荷具有相当大的轨道能量,而在接近地表前则要把这一能量削减到不足原来的1%。

2008年5月成功着陆火星的"凤凰"号探测器则体现了目前火星着陆的最高水准。其"恐怖7分钟"始于火星大气的顶端,距离地面大约125千米。"凤凰"号以每小时20,000千米的速度进入火星大气。火星大气对其绝热罩的阻尼使得它的速度降到了每小时1,400千米。然后降落伞会把速度进一步降到每小时400千米。在短暂的自由下落之后,"凤凰"号会在距离面975米的时候启动减速火箭并最终触地——整个过程历时大约7分钟。

到2018年当"好奇"号(原"火星科学实验室")抵达火星的时候,目前的"进入、下降、着陆"技术就会达到它的极限。"好奇"号的质量为900千克,这差不多正是传统的绝热罩、降落伞、反推火箭所能做到的极限。

但� 来的载人火星探测载荷将达到30-60吨。而目前的"进入、下降、着陆"技术甚至都不能把一辆迷你库珀车降落到火星上。迷你库珀的重量约为1,145千克,体积也要比未来的着陆舱小得多。

为此必须要采用新的技术。"直接火星"和其他计划的方案都是在下降阶段采用降落伞。但是火星稀薄的大气意味着降落伞必须非常得大,而且还要能在超高音速的情况下快速打开而不会缠绕在一起。这样一个降落伞摊开之后足可以覆盖一个足球场。


[图片说明]:未来使用超音速膨胀气动力学减速器着陆火星的构想图。版权:Astronomy/Roen Kelly。

而"阿波罗"式的仅靠反推火箭的着陆方式也有问题。使用火箭从火星轨道减速着陆会消耗巨量的推进剂。同时在超高音速下在火星大气中使用火箭会造成空气动力学阻尼以及难以预测的不稳定性。

美国宇航局和空气动力学研究中"进入、下降、着陆"技术领域的专家也想出了一些新办法。其中最有希望的是超音速膨胀气动力学减速器,它是一个形状类似羽毛球的巨大气囊。这种气动减速器直径大约50米,可以使得飞船减速到大约每小时720千米,在这个速度下就可以使用火箭引擎制动并且完成最终的软着陆。不过一次性完成30-60吨载荷的着陆可能还是会有问题,如果分批进行(例如以15吨为一个批次)可能会更实际。

插入奇迹

解决大质量载荷的着陆问题只是攻克载人火星探测诸多挑战中的一步,还需要� �更多的"奇迹"发生。大小可以达到波音747客机翼展的超音速膨胀气动力学减速器虽然是一大挑战,但并非不可能。

在载人火星探测问题上,虽然有些人的目光可以看穿技术上的这些沙漠,但是最终还是要老老实实地穿过它。连续30年每年投入100亿美元也许可以实现登陆火星。但是考虑到美国宇航局重返月球计划的推迟以及所有尚未解决的挑战,美国宇航局真正要驻足火星可能要等到2080年。

当然也有人对此相当乐观。他们认为,今天的载人火星探测所遇到的挑战要比1961年载人登月时所遇到的小得多。与其说这些技术困难无法解决,倒不如说为此投入的人力、物力远不如以前。也许还是要提及美国总统肯尼迪的那句话(当然要做一点修改)——我们去火星不是因为它容易,而是因为它难。

[Astronomy 2009年08月]

(本文删减版已刊载于《科学画报》杂志2009年第10期)

你也许会喜欢

返回顶部

[小红猪]到N维去

Wed, 20 Jan 2010 10:00:28 +0800

clip_image001原文,译者:五月香樟;校对:CS;特殊感谢Shea提出宝贵意见。

我们处理三维问题十分自如,必要时对付四维问题也凑合。我们不费吹灰之力就能接受有实体和无限空间的三维世界。加上第四维时间后情况就有点复杂了。但当我们开始研究包括再多或再少维数的世界时,情况才变得真正复杂起来。

虽然这些奇妙的世界让人有点头疼,可它们的确很重要。比如,弦理论作为我们最有希望的万有理论候选者,在低于10维的时空中根本没有意义。再比如,固体的一些奇异但有用的特性,如超导性,需要利用二维、一维、甚至零维的理论才可以解释。好,请准备好,现在我们就从最艰深的部分开始解释维度:维度是什么?为什么如此定义?它有什么应用?在此过程中,你可别抓狂,也别走神。

维度是什么?

如此基本的问题,你可能认为我们早有一个简单的答案,可惜并非如此。事实证明,仅仅对维度下个定义就是一个很棘手的问题。

对维数最直观、也是最古老的描述是:一个系统所拥有的维数是物体能够移动的独立方向的数目。上和下仅当作一个维度是因为上和下是一个硬币的两面,向上走就是 ��离下方。左和右,前和后也是这样,但上和右、下和后等之间就没有这种关系。所以古希腊几何学家说:我们生活在三维世界中。

现在一切还很简单,但马上事情就要开始失控了。我们同时需要空间和时间来定义我们在宇宙中的位置。早在18世纪末,法国人达朗贝尔和拉格朗日就发现用于描述时间的数学语言和用于描述空间的非常相似。所以,当时的数学家很快得出结论:时间就是第四维度。

这样就打开了思想的闸门,将时间看作为第四维度,这种新的理解远超出其原始定义,大大地扩充了维的概念。从那时候开始,维不再仅仅是描述物理的空间坐标,它被当作通用术语来描述决定任何物体状态的独立坐标或变量数。

这一手实在高明,从此数学家可以运用几何分析这一利器去处理他们想研究的几乎任何事情。例如,现在一个经济 ��家可能将整个经济活动看作一个巨大的多维度客体。馒头或大酱的价格升降可以被描述为价格坐标在多维空间中的运动,与我们在前后或上下方向上的运动完全类似,当然,这仅是描述经济状态的数百万维度中的两个

理解维度

请您先把此句末尾的句号涂成实心的,然后盯着它看。恭喜,你已经目睹了零维空间。现在用你的手指沿着纸边移动,然后把本页当成一面纸看。这就分别是一维和二维空间,也挺容易吧? 但现在,尝试想象超过三维的空间。

头疼吧?别担心,很多人跟你一样。"我个人无法想像超过三维的空间",伦敦帝国学院的弦论学者Michael Duff说道,他的工作时常需要处理十维或十一维的对象。被这坦诚的答案雷到了吧,那么,理论物理学家们为何还能对他们的理论充满信心呢?

17世纪的法国数学家笛卡儿替他们解了围,他把真实的几何空间转换成抽象的代数方程。例如,给定一条长度一定的线段,一端固定,另一端在二维空间里旋转,那么你可以写一个方程,描述线段旋转时x坐标和y坐标满足的关系,这就是一个圆的代数表达。

这种想法实在强大,从此仅通过引入更多的坐标就能够"维所欲维"地增加维数。比如,通过引入新坐标z,我们可以采用刚才用x、y坐标满足方程来描述二维圆的方法,来描述三维的球。

那么,为什么不从此就开始写下四维、五维或六维"超球体"的方程呢?终于,在1854年,德国数学家黎曼成了第一个吃螃蟹的人,将三维几何推广到任意维� �上。这多维的方程式也没什么大不了的。普林斯顿高级研究学院的弦论学家威顿说:"结果处理起来不算困难。"

从数学上看的确如此,但我们总不免好奇,那些高维数的物体实际上看起来是什么样的?纽约大学物理学家Gia Dvali认为这个实际上无关紧要,只要你脑子里能够想出一些管用的图像就行了。他说:"方程的本质通过图像和动画可以非常容易地记在脑子里。"对他而言,牛顿引力定律的图像是:一个有质量的物体产生的引力场的力线沿所有方向延伸到无限远处。不管你想象的空间有多少维,这幅图像同样有效。Dvali承认:"这种物理图像虽然与实际的额外维空间无关,但是它让我们可以很容易地把定律推广到高维空间。"

零维 - 在点上

零维的东西,呃,比如皇帝的那件新衣存在吗?实际上,这种说法就很自相矛盾。因为没有维就没有容纳任何东西的空间,因此零维一定意味着没有任何东西。一定吗?

不一定。物理学中一些最热门的对象是被称为量子点的零维半导体结构。它可以是从纳米到微米级别的任何物体,虽然其物理尺度不为零,但电子在其内部填充得如此致密,以至于它们没有自由的维度。

荷兰Delft大学的Leo Kouwenhoven说:"对于电荷而言它是零维陷阱。"被这样束缚住的电子的运行方式非常特殊,由此带来一些极为有用的特性。

首先,因为被束缚在量子点中的电子寸步难移,所以输入到量子点的任何能量都不能用来扰动其中的电子,而只能以光的形式释放,这就使量子点有望被制造成高效低功率的光源。因为它们如此之小,所以这些量子点同时也可以作为荧光标志来标识抗体之类的生物分子,用来追踪它们在活的生物体中的生化过程。

Kouwenhoven承认量子点的应用仍然遥远。他说,首先我们得用无毒材料来制作量子点。他自己的研究集中在另一个潜在的应用热点领域。因为每个套牢在量子点上的受激电子精确地产生一个光子,因而信息能够在光子和电子之间可靠地来回传递,这使得量子点成为能够用在第一代量子计算机上控制和储存数据的� �适介质。量子计算机的功能惊人地强大,如果我们能建造一台足够大的量子计算机,这肯定会改变我们处理信息的方式。

Kouwenhoven说:"可能几年后我们会有采用量子点工作原理的样机,至于商业应用可能在十年左右。"是不是有点欢欣鼓舞了?看来,"无"中生"有"也并非完全不可能啊。

一维 – 沿着直线走

一维的物理学开始看起来有点熟悉了。一维仅仅是一条直线,是牛顿运动定律这样的经典物理规律起作用的理想环境。

然而却是在量子物理中,古老的一维世界才开始焕发生机。瑞士日内瓦大学的一维材料专家Thierry Giamarchi说:"在一维世界,你能得到在其它任何维数中都没有的新奇效应。"

比如电子的行为,正常情况下它们竭尽全力避开同类,但当困在只能来回移动的一维通道时,它们开始相互作用,整体像一个电子般移动。在适当条件下电子的特性有所改变:一个困住的电子能够表现得像两个粒子,一个具有它的电荷,另一个具有它的自旋。Giamarchi说:"这类现象在一维世界中屡见不鲜。"

电子的这些特性不止具有理论上的意义。当电子元件越来越小,一维物理学效应就越来越重要。我们可以按照需要将一维的碳纳米管制造成导体或者半导体,这将是未来数代计算机芯片制造工业的热门领域。

clip_image002 分形景观

我们生活在三维世界中,其边界是二维表面,而二维面的边界是一维的线。这是一个舒适的、容易理解的、整数维的世界。

果真如此吗?数学家芒德布罗在他1982年出版的《自然的分形几何》中指出:云不是球状的,山峰也不是圆锥状的,海岸线也不是圆的。真实世界的维数实际上并非干净整齐的整数维。

假如你想你想把雪花美轮美奂的外周线描下来,你越放大,就越会发现自己面对着一个复杂的形状,而描绘得越接近,画的线就越长。你画的仍然是一条线,但它比直线多了很多皱褶。一条线,不管它弯曲得多厉害,都还是个一维的物体,难道不是吗?

呃,并非如此。欢迎来到分形维度:介于我们熟悉的一维、二维和三维世界之间的不规则维度。分形维与我们平时熟悉的左右、前后和上下这些维度不同 ��它们之间有着紧密的联系:当你以更微小的尺度观察和测量一个复杂物体的细节时,它们描述了这个物体额外占据了多少空间。(见图表)

不仅雪花,很多自然物体的形状都是分形的:河网、分支闪电、云团、花椰菜。你甚至可以声称自己生活在分形景观中,这多少取决于你在世界上所处的地点。例如,依据测量时采用的是精确度是码尺还是卡尺级别的,英国那崎岖不平的海岸线的长度呈现剧烈的变化,据计算其分形维数是1.25左右。而光滑的南非仅仅比直线粗糙一点,其分形维数为1.02。

二维 – 平面国的景观

英国曼彻斯特大学的Andre Geim说:"二维大大地好。"一维太简单,难以令人满足,而三维则太复杂和杂乱。二维的"平面国"则刚刚好,它的空间刚好能让有趣和有用的东西出现。Geim说:"作为物理学家,你会希望生活在这个维度。"

他当然会这么说了。Geim的团队在2004年制造出第一个二维材料石墨烯,这种厚度仅为一个碳原子的二维碳片可以让电子几乎无阻碍地透射,该材料也因此有巨大的应用前景。如果未来计算机的导线用一维纳米管制造,那么石墨烯将是制造电路板的理想材料。

二维世界的好处还不仅如此。再比如说高温超导体,我们早就知道在130K左右存在超导体,但是对其物理机制一直不甚了解,经过20年艰苦的研究后,现在只知道超导现象可能源于电荷相互作用所形成的二维[u3] "条纹"。对深藏于超导现象之后的二维世界的了解,将有助于我们开展常温超导体方面的研究。

二维平面既是现实的,又是深奥的。当电子被强磁场约束在温度低于0.33K的二维层状半导体材料中时,长期被认为基本不可分的电子似乎分裂成了具有分数电荷的粒子,这个现象叫做分数量子霍尔效应,产生的粒子叫做任意子。

任意子不但促使我们重新思考电子的本质,跟零维的量子点一样,它给了我们建造一种超级量子计算机的希望。这种机器能够忠实地模拟量子系统的行为,如果能大规模投入使用,信息处理过程势必又迎来一次革命。总而言之,在"二维"平原之上,铺展着条条通向从新药研发到并行宇宙的几乎一切事物的未来之路。

三维 – 我在故我在?

二维平原和多维超空间已成为想象力神游的美好娱乐场,而我们的身体却似只能滞留于三维空间之中。我们为什么不是生活在在二维、四维、五维或者更多空间里呢?最近,当物理学家尝试融合万有引力和量子理论来解释时空的本质的时候,这一古老问题也将被重新提起。

作为通往量子引力的一种路径,弦理论却给出了一个不令人满意的模糊答案:从0维到10维的空间都是可能的。这促使理论物理学家诉求于人择原理:各种维度的宇宙都是可能存在的,至于我们看到的世界是三维的原因,则是因为假如它不是,那么人类就不可能存在其中并得到这一观测结果。[u4] (注:『人择原理』被观测的宇宙的环境,必须允许观测者的存在。)

2005年西雅图华盛顿大学的Andreas Karch和哈佛大学的Lisa Randall为了阐明这一问题而提出了一个更依靠于物理原理的解释。他们建立了一个理论模型,该模型的时空是弦论中最普遍接受的十维时空,在这个随着时间膨胀的超空间中漂浮着各种不同维数的宇宙,它们在碰撞时湮灭。计算表明,三维和七维的宇宙最有可能从这种碰撞中幸存下来。

如果你接受了这个模型,那么就几乎回答了我们为何对三维空间情有独钟这一问题。除了最后一个疑问,为什么不是更宽敞的七维而非得是拥挤的三维呢?

这个问题也许可以从一个欧洲研究小组最近完成的工作得到解释。他们认为,时空并非是一个均匀的整体,而是由许多极小的片段构成的微元。为此他们把时空分割成一些简单的单形,这些单形以不同的方式粘和在一起,构成整个完全时空。单形[U5] (也称单纯形)是空间中最简单的多面体,是平面几何中三角形这一概念在高维中的自然推广。量子理论告诉我们宇宙的真实形状应该是所有这些不同的粘和方式的概率叠加,通过要求在这个宇宙模型中因果关系要得到严格满足,该研究组计算出宇宙的时间是一维的,而空间是精确的三维。

根据这项研究,可以推论对于时空的维度而言,存在这样一个尺度转折点:在极小的尺度下,空间的维度将发生改变,三维中的一维消失而仅留下二维(注:文中时空在极低的尺度下将变成2维,这是4维时空变成2维,而并非作者所理解的三维消失变成2维,原文见《NewScientist》, 2009-8-29, pp.34)。也许,如果你观察得足够精细,能看到极小的尺度,那么你将发现我们仍生活在2维世界中。

四维 – 时间,大骗子

空间是由三维组成的,而时间也是一个维度,那么它为什么如此与众不同?

答案:它没有不同。物理学家彭罗斯在他的书《引力》中写道:"空间和时间不是相互独立的概念。"在爱因斯坦的狭义相对论中,时间和空间融合成一个整体。对一个观察者来说仅仅空间坐标不同的两个物体,在另一个观察者看来,其时间坐标和空间坐标可能都是不同的;同样地,在一个观察者看来在同一地点上先后发生的两个事件,在另一个观察者看来可能其时间坐标和空间坐标都不同。

这与我们日常的经验大相径庭,原因在于我们不够快。两名观察者观察结果的差异只有当他们的相对速度接近光速——这个宇宙的速度上限——时,才会变得明显。

爱因斯坦的物理理论揭示了一个深刻的真相:时间和空间是紧密交织联系在一起 ��不可分割的,如同组成一件织物的经纬线。但两者之间也有明显的区别:原则上我们能够沿着三维空间的任意方向旅行,但沿着时间我们只能有单向的苦旅:从过去到未来。如何理解这一差异性呢?

纽约Clarkson大学的物理学家Lawrence Schulman解释说:这同样是由于宇宙速度有上限。考虑这样一个假想实验:在一个充满阳光的早晨,7点钟,拉开窗帘。假设太阳已经在6点55分爆炸了,但是我们感受不到这一点,在我们的周围仍然充满阳光,因为光从太阳传到地球,需要八分半钟。

见下图(为简化起见只画出了一维时间和二维空间),在这个例子中,宇宙中任何事件,比如正在爆炸的太阳,站在窗边的我们,等等都可以表示为时间―空间图中的一个点。由该点发出两条光线构成的光锥,其中一个代表光从事件点出发原理事件点在时空中运动,另一个表示光朝着事件点运动。如果我们在窗边就能在太阳爆炸时看到其爆炸行为,则需要信息的传播要超过我们所处的光锥,移动速度大于光速,而宇宙不允许这样。

Schulman说道:"正是宇宙的速度上限使得宇宙的部分时空是不可及 ��。"它打破了时间和空间的对称性,从而使我们所获取的信息只能是从过去流向未来的,这就是时间的单向性。

五维 — 进入不可见区域

宇宙究竟有多少维数?这个问题可能没有唯一答案。

clip_image003

将时间看作成第四维,这是爱因斯坦理论的精髓。德国数学家卡卢察做了更宏伟的设计。在1919年,他发给爱因斯坦一篇文章,在文中他主张,通过给时空加入第五维,可以将电磁力和万有引力统一描述为一种力的两个不同方面。

几年后,瑞典数学家克莱因在卡卢察的想法上更进了一步。显然日常生活中我们只看到四维时空,对此克莱因的解释是:第五维的空间尺度很小,可能高度卷曲地存在于四维时空的每一点。由此他开辟了物理学在超空间的隐藏额外维中寻找力的统一性这一思路,这一思想一直延续到在今天的弦理论中。

然而也许第五维并不像克莱因想象的那么微小。1999年哈佛大学物理学家Lisa Randall和位于马里兰巴尔的摩的约翰·霍普金斯大学的Raman Sundrum利用弦理论分析了高维空间的性质,他们发现,通过引入巨大的第五个维度,可能可以解决一个一直困扰物理界的难题:为什么万有引力比其它的力都要弱?他们的模型认为,我们所熟悉的四维时空漂浮在一个无穷大的负曲率五维时空之中。电磁力和核力被限制在四维空间内部,而万有引力却可以渗透到第五维,因此在我们看来,引力比电磁力和核力要弱得多。

与此同时,加拿大安大略湖滑铁卢大学的Paul Wesson则认为,五维时空是存在的,其中四维是我们生活于斯的时空,而第五维对这个四维时空的作用是产生许多有质量的额外维粒子。这一方案可能解释了长期困扰粒子物理学界的一个难题:质量是如何产生的,它认为粒子的质量有一个几何起源。同时,该理论也解决了大爆炸的奇点问题:大爆炸开始时,宇宙处于无限高的温度和密度状态(注:这一论断并非公认结果),在这里基本物理学定律都失效了。而从5维宇宙的观点来看,大爆炸只是一个幻觉,所以也就根本没有这个问题。

五维空间的存在带来了一些更为精妙的结果。1997年理论物理学家Juan Maldacena提出一个猜想,某些有五个展开维而且包含引力的弦理论等价于四维无引力量子场论,后者可以看成是前者的全息投影,这使得我们的日常世界如同来自宇宙的边界的投影一般缥缈。

听起来神秘吧,但在很多领域,这种高-低维理论的等价性已经成功地应用到对困难问题的计算上,比如在高温超导物理。在Maldacena的图像中,四维理论并不比五维理论更真实地描述世界。这样说来,"宇宙究竟有多少维数"这个问题根本没有唯一的答案。

六维 – 两个时间

当物理学家提出涉及更多维数的宇宙理论时,他们通常只是指空间是高维的,并不涉及多维时间。

这也很好理解:如果时间是多维的,那么物体就满可以在高维时间坐标中沿环路运动,就是说,高维时间使得物体可以随意穿梭于我们所处的一维时间上的任意两点,这样就违背了光速上限,并且使我们可以进行时间旅行,而这与我们目前对宇宙观测是不相符的。

然而,到了1995年,洛杉矶的南加州大学的Itzhak Bars通过M理论巧妙地构造出了一种存在高维时间的理论框架,该理论允许第二时间维存在,且不违反光速不变且不存在时间旅行,这种模型能够解决粒子物理学标准模型所无法解决的一些问题。(注:M理论是弦理论的推广。该理论的目标是成为万有理论,一个能解释所有的相互作用的物理理论。它试图把四种基本相互作用——电磁力、引力、强力和弱力——统一起来。它还试图结合当前所有五种超弦理论和11维的超引力理论。为了充分了解它,爱德华•威滕认为需要发明新的数学工具。M理论的"M"包含有许多意思,例如魔术(magic)、神秘(mystery)、膜(membrane)或矩阵(matrix)等等)

但这里有个陷阱:这个高维时间理论若要成立,必须同时存在一个额外维度的空间,因此在Bars构造的模型中,宇宙共有6个维度(4+2),这个宇宙中的事物� 我们熟悉的4维宇宙中的事物非常相像,唯一的区别是:在6维世界中,描述物质的构成和相互作用的理论是6维标准模型,而当这个高维模型投射到四维时,将产生很多不同的4维版本,而其中的每一种都描述一个不同的四维宇宙。

八维 – 冲浪者的天堂

八维是八元数能够自然存在的空间。八元数是一种非常奇怪的数学结构,正如加利福利亚大学Riverside分校的数学家John Baze所说:"它是那个人们永远要锁在阁楼上的疯叔叔。"

八元数是仅有的可以进行除法运算的四种数制(注:实数、复数、4元数、8元数)之一,能够允许所有的代数运算,但八元数的运算方式复杂异常,不像我们熟悉的传统数制中的任何一个,见下图:

clip_image004

为什么物理学中要引入八元数呢?这是因为在某些物理学问题中它是极为有用的工具。由八元数组成的矩阵可以构成一种叫做E8特殊李群的复杂的数学结构,这种数学结构是某些弦理论的核心内容。

2007年时,E8群成为热门话题,物理学家Garrett Lisi没有采用弦理论就构造出了统一引力和其它三种相互作用力的统一理论,他的理论正是基于E8群结构的。Lisi本人没有大学职位,他花了相当多的时间在夏威夷冲浪。对他工作的报道触怒了一些人,比如伦敦帝国大学的Miachael Duff。他说道:"弦理论家自从上个世纪七十年代末就开始研究E8,我们不需要冲浪好手来告诉我们这是有趣的。"(注:Lisi本人的数序基础不错,但是物理学很差,其理论在物理上完全占不住脚,只是一个计算得比较正确的数学练习而已。)

Duff本人对八元数的价值持不可知的态度,他指出所有由此提出的理论都还未经过实验的检验。他说道:"任何人都还不知道到底八元数是否与真实世界有关。"

clip_image005

十维弦论的世界

clip_image006

"也许物理学家从更高维数带回的最石破天惊的想法就是所有可能的宇宙都存在"

十维,我们最后到踏上了弦理论的神话国土。罔顾所有针对弦理论的刻薄话,弦理论仍是目前尝试统一量子力学和广义相对论的最热门理论,也是"万有理论"的最热门候选人。该理论认为构成物质的粒子和传递相互作用力的粒子都是由弦构成的,弦的不同振动模式对应于不同的粒子。弦是1维的,它却在由1维时间9维空间构成的10维时空中振动。

为什么是10维呢?一句话,因为该理论在较少维数时行不通。如同物理学家Michael Green和John Schwarz于1984年指出的那样,在更少的维度中,在小到10^-35米的普朗克尺度上,数学上的反常会导致时空存在剧烈的量子涨落,这种量子效应会破坏理论的对称性,从而使理论不再自洽。

这些并不意味着10是就是个魔力数字。实际上弦理论的一种过时的早期形式具有26维。目前存在5种完备自洽的10维弦理论,它们都能解释我们宇宙的存在,没有哪一种理论比其它理论更正确,这些不同的理论可以被统一成一个更宏大的理论――11维的M理论,这5种弦理论只是M理论在某些情况下的特例。

M理论认为:这些额外维度是很小并且高度卷曲的,它的尺度如此之小,以至以现有的手段无法观测到。而这些高维空间卷曲存在的形式是特定的。关键是,它们可能的存在形式有无限种,如何找出产生我们宇宙的那种高维空间的存在形式,仍是一个问题。伦敦� 国学院的Michael Duff说道:"这将理论物理学家分成了两派。"那些认为我们最后将解决这个问题的人面临着逐渐增多的支持"多宇宙论"的反对派。因为,既然M理论允许存在无限多种可能的宇宙,又没有一个物理学原理来解释到底为什么我们生存在我们的宇宙中,那么,我们是否要接受人择原理,承认我们之所以观察到今天的宇宙,只是因为我们正好生活在这样一个宇宙中呢? 也许,所有的可能的存在的宇宙,实际上都是存在的,这才是物理学家对高维空间进行探索之后,所得到的最令人震惊的结论。

你也许会喜欢

返回顶部

[有更新]"科学松鼠会·瑞金图书角"启动仪式

Wed, 20 Jan 2010 00:40:18 +0800

活动策划:达文西、棉花糖
海报设计/耿冰

这个冬天,寒潮来来去去,听说本周还要光顾上海。
来松鼠会图书角找点温暖吧。
嗯,没错,是图书角。虽然最初的设想里,它是图书馆,但经过半年多的磨砺,我们变主意了。
我们决定它就是图书角,是很多个图书角,是很多可以伸展得很远很深的触角。
它们深入你生活的周边,让你更容易找到。
2010年,还会有更多角,伸向上海的各个角落。

瑞金图书角是第一只触角。
在你看到这个图书角之前……
我们带着它从四楼到二楼,又回到四楼;
从两个只能放两层书的小柜子,到一进门就能看到的三个书架;
这里的书都是经过我们仔细挑选,品质有保障的科学类、科普类和科幻类书籍、杂志,我们还会定期更新,随时将优秀的书籍上架。
你可以随意走进来坐在图书馆里翻阅、浏览,也可以免费借阅回家。
这一切,都要感谢卢湾区科协、瑞金街道文化中心和上海市科普作协共同努力!

111

活动时间: 2010年1月24日 周日 14:30
地点: 上海卢湾区瑞金街道文化中心5楼大礼堂  陕西南路245号 近绍兴路 (卢湾图书馆旁边)
名额:150人
报名方式:请发送邮件至dawenxi2009@gmail.com 邮件名为"报名图书角启动仪式"
邮件中请依次注明 ID名、性别、年龄、电话
如有同行者也请一并注明相关信息

互动环节:
1. 山寨"The Big Bang Theory"主题曲比赛
美剧"The Big Bang Theory"( 生活大爆炸)的主题曲乃纠结中的精品,你有没有试图去搞清楚这首歌到底在唱什么?或者曾经偷偷跟着练习?
来吧,准备大嗓门一副,想参加的话赶紧报名!你可以用自己的方式或自己的语言来唱 出这首歌,不管是尽力模仿原版,还是自己重新填词的中文版、日文版、上海话版、山东话版、外太空语版~~看谁最有创意,心动大奖伺候!
你可以单独上台,也可以拉帮结伙。
报名方式:在报名邮件中注明参与"山寨主题曲",并告知一同表演的人数即可

2.激荡120
你最喜欢的科学/科幻类图书推荐
参与者在120秒内推荐给现场观众1本自己最喜欢的科学、科幻类图书(可通过各种表现手法,如演讲、表演),并接受3名评委的挑战。重点——PK掉评委有奖品~

待PK评委:

李蕾     上海电视台纪实频道《风言锋语》栏目主持人

慕容引刀(刀刀)  著名漫画家

项先尧 上海电视台纪实频道编导

丁丁虫 倪匡科幻奖首奖得主 著名科幻翻译家

报名方式:在报名邮件中注明参与"激荡120",并注明预备介绍哪一本书

大家一起疯玩一下午,赶紧呼朋唤友来报名吧!

你也许会喜欢

返回顶部

[达文西行走中队 第七次]上海光源回顾

Wed, 20 Jan 2010 00:33:10 +0800

12月13日,这一天微微下着小雨,达文西行走中队第七次行走。
上海光源。我们来了。
十点十分,在永亭老师的带领下,我们和门卫打过招呼,浩浩荡荡的走进这个地方。
路上有同学问我,能拍照吗?我也疑惑了一下,于是去问永亭老师,刚刚通宵做完实验的她停下来转过身对大家说说,"照片你们可以随便拍,但是不要流传到国外去。"随即身后传来几位同学的轻叹和窃窃私语。
我们似乎离国家机密很近啊,同学们,这里是不是很高级?

背景介绍:
上海光源是一台高性能的中能第三代同步辐射光源,它的英文全名为Shanghai Synchrotron Radiation facility,简称SSRF。它是我国迄今为止最大的大科学装置和大科学平台,每天能容纳数百名来自全国或全世界不同学科、不同领域的科学家和工程师在这里进行基础研究和技术开发。

同步辐射是由以接近光速运动的电子在磁场中作曲线运动改变运动方向时所产生的电磁辐射,其本质与我们日常接触的可见光和X光一样,都是电磁辐射。由于这种辐射是1947年在同步加速器上被发现的,因而被命名为同步辐射(Synchrotron radiation)。由于同步辐射造成的能量损失极大地阻碍了高能加速器能量的提高,因此在早期同步辐射被作为高能物理极力要排除的因素。后来,人们发现同步辐射具有常规光源不可比拟的优良性能,如高准直性,高极化性,高相干性,宽的频谱范围、高光谱耀度和高光子通量等。从70年代开始,发达国家逐步开展了同步辐射的应用研究,其卓越性能为人们开展科学研究和应用研究带来了广阔的前景,因此在几乎所有的高能电子加速器上都建造了同步辐射线站,以及各种应用同步辐射光的实验装置。
同步辐射光照射到样品上时,会产生衍射、散射、折射、透射、吸收等现象,与物体相互作用可以激发产生荧光和光电子,引起物体的激发、电离和碎裂等现象。科学家正是借助于这些现象探索未知的世界,而且同步辐射光可以覆盖很宽的波长范围,因而其研究对象可以小到灰尘、细胞、分子直至原子,大到组织、器官和人体。

———————————–介绍结束的分割线——————————-

本以为这里能看到巨大的粒子加速器,穿着防辐射衣和面罩的工作人员,随处可见的三叶草警示标志,如此种种……然而当我们真正来到它的面前,却被这里的静谧震撼到了。主建筑外观是一只鹦鹉螺,庞大的建筑静卧在绿地环绕之中,在鹦鹉螺的开口处,是一个人工的水池。在 ��大厅走向内部的甬道上,永亭老师指着巨大玻璃窗外的这片水面,对我们说:"你们发现没有,我觉得似乎所有的光源建筑外面都有水池,不知道是景观需要还是有它的实际用途?"这个问题在场的所有人都没有答案,不知道正在看这篇回顾的你知不知道?

上海光源同步辐射专用储存环位于建筑物核心的部分,我们所能参观到的是上海光源外围的线站,也就是光束线站,它是沿着储存环的切线方向搭建的试验站,这里主要利用同步辐射光束进行一些生命科学、医药学、材料科学、微电子机械系统及石油和化工学等方面的研究。到场的同学们不乏相关专业的人士,大家三五一群,对着各种仪器指点江上,互相补充介绍彼此不熟悉领域的知识。
而当身为门外汉的我站在空旷宏伟的大厅中,看到各条线站里的工作人员气定神闲的工作状态,以及散落在大厅各处的、即使看到铭牌上的名称也不知道它是做什么用的实验装置以及实验装置的模型,听着永亭老师,以及同行的老孙、不远万里自杭州而来的奶茶同学的讲解,除了以专业热闹党的精神赞叹说"好厉害啊"之外,再也找不到别的言语来形容内心的感触了。
于是,在参观结束之后,几位同学被拉壮丁分配了任务:写回顾。——在后来的时间中我们陆续收到了同学们的回顾,以下的回顾来自youlan26,她是华东理工大学博一学生。她自我介绍说"03年来到上海,本科也是华东理工药学院药物制剂专业。药物制剂说白了,就是直接给人用的各种药片或胶囊,各输液用的药之类的生产过程,但不涉及对有效果的主药成分的化学成分的改变。07年直接保送硕博连读,专业更换成了化学生物技术与工程。实质就是化学生物学,更具体的方向是对蛋白质的荧光标记检测及蛋白质组学检测等。"
在参观现场,这是位认真拍照、认真提问、认真记笔记的认真的姑娘。
回顾写得很活泼:

女王说:"要有光,于是有了上海光源"。这话一点不假。上海光源的出现,正是帮科学家们长出眼睛,以不同角度来观察自己的样品。
光也是一种电磁波,而让我们认识世间万物的可见光,只是其中很小的一部分。由于光的衍射,用光来探测物体或分辨两物体时,光的波长应当与物体的大小或两物体的单距相近或更短。而如同可见光波长(400-700 nm(1 nm=10-9 m))远小于我们棒球,桔子(我的最爱啊~~~),我们可以清晰地看见它/她(^_^)们,而如果我们要看到更细小的东西,如不同蛋白质内各个原子的分布,这就远非可见光可以完成的工作了,于是,我们需要波长更短的光。
下图来自于大厅展板,很好地说明了这一点。正是因为有了这样多种的呼唤,"要有特定波长的光!""要有特别直的光。""要有特别…的光……"——于是有了上海光源。

电磁波谱

电磁波谱

图1 大厅展板-1 上海光源的意义

图片文字:
"光"是一个很大的家族,根据波长的不同,光可以分为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、x射线和γ射线等。光具有衍射现象,用光探测两物体或分辨两个物体时,光的波长应该与物体的大小或者两物体的间距相近或更短。

上海光源的外观,是超级现代,话说那天早上烟雨濛濛中,从曙光医院站一下车,一回头,我就看见了它,那个匍匐在地面上的,泛着金属光泽的巨大的蜗牛壳(好吧,官方说法是鹦鹉螺壳,可我就是觉得很象蜗牛壳-_-!!)。匆匆奔过去,果然动人无比。
以下图,分别来自上海光源官网及google earth。

上海光源外观

上海光源外观

上海光源 俯瞰 来自google earth

上海光源 俯瞰 来自google earth

在松鼠们(CHONPS、四月、老孙等)的带领下,我们开始了对上海光源的围观。
进入一楼大厅,首先看到的就是整齐的展板,和上海光源的模型。这一模型也就解释了上海光源整个工作的机理。

大厅里的模型

大厅里的模型

图2 大厅模型
当时一激动,忘开闪光灯了,加上铁手功欠缺,就成这样后现代的风格了……,就当是与光源现代建筑风格应景吧,嘿嘿。在松鼠chonps和老孙的解释后,大家都明白了这一原理。图中灰色区域里的就是电子的运动路径。电子经150 MeV 电子直经加速器加速(A)后,进入3.5 GeV增强器(B)至其能量达到3.5 GeV后,进入3.5 GeV电子储存环(C),在储存环中做圆周运动,直至被光束线和实验站(D)获取后,通过单色器等(这儿先卖个关子,有个与美食相关的畅想)获得想要的特定要求的光。
打个不太恰当的比方,如果把各实验站,也就是说各实验者们比作面条师傅,那么面就是他们的基础原料。如果用面粉来比作电子,那么这碗"上海面条"的原理也就是,面粉经过A,B后,变成了面团,而在C处,将这个面团变成一个类似于"甜甜圈"的面环,放在C里面,而各"面条师傅"们根据自己的要求,用擀面杖或面条机(单色器等)将从C内将面团抽条再加重重蹂虐,得到自己想要的面条(光束),比如说红面条,绿面条,长面条,短面条等等,最后将面条做成自己的复杂的美味的"上海面条"(将光束应用于实验,得到不同的实验结果)。而这碗"上海面条"高级就高级在一是它的二是它的样式繁多 (可以提供的光的波长范围非常宽),你可以提出各种BT的、在其他地方无法实现的要求,比如说,我要非常细,非常细,细到可以穿过蛋糕里的孔的面(可以穿过蛋白质内的不同原子间隙)等等,以及它的高准确性,你想要不同粗细的面条(不同波长的光),不同形状的面条(不同直径的光束)等等,你要求是1,他不会给你1.00……01,更不可能偏差到2,从而也保证了每一碗面都是一样的口感(重复的实验结果)。 (我饿了……>_<)
在大厅观摩完毕后,我们就在 老师的带领下,进入了上海光源的线站及实验区。
首先看到的,还是整个上海光源的外形模型:

上海光源模型

上海光源模型

以及组成3.5 GeV电子储存环的20组磁铁中的半组,就是靠这些磁铁组,将电子束缚在储存环中,而真实的电子储存环的大小也是出乎意料的小的:

模型1

模型1(点击看大图)

模型2(点击看大图)

模型2(点击看大图)

看完这几组模型后,我们就开始了对各线站的正式围观~~~~
各个线站都有着对自己线站的展板介绍,以下是这些展板们的不完全记录~~~~

各展板。(点击看大图。)

各展板。(点击看大图。)

在这些线站中,最引起我兴趣的也是生物大分子晶体学线站及X射线成像及生物医学应用光束线站,这也是我最明白原理的两个线站。这两个线站从不同角度为生命科学服务。生物大分子晶体学线站就是用来解读生物大分子,如蛋白质的晶体结构,准确给出蛋白质的空间结构,各氨基酸链的相互位置关系,蛋白质与各小分子,如某种特定药物的结合关系,而这些对于研究各蛋白质的作用,工作机理,有着重要的作用。这也对于药物研发有点非常关键的作用。只有明确了药物作用在蛋白质上的具体哪几个位置,才能以此作为现在热火朝天的药物设计的基础,来为药物的研发提供重要的助力。这一线站也已完成了许多实验,比如说新民晚报的这一报道:"上海光源"投用1月"照"出20多个蛋白质� 维结构"(http://www.ebiotrade.com/newsf/2009-7/20097692130142.htm)。而生物医学应用光束线站,则更多的是用在医学造影成像的方面,主要为医学的研究,比如说,心血管疾病中,找到最容易出问题的那个血管等等。

好啦~~那个关于美食的畅想,是这样滴哈~~~首先是一张单色器滴大图:

单色器

单色器

看到图上那个白色滴冰柱么?那是单色器的冷却剂出口处,由于温度太低,所以冷凝的水,知道那个出品,喷的是什么么?——液氮啊,华丽丽滴液氮啊~液氮可以带来的华丽丽滴速冻冰淇淋啊~~~桔子和田不野同学做滴华丽丽滴N2冰淇淋啊~~~看到之时,我就不停地浮现出下面接一个搅拌机,里面装满冰淇淋原料的场景……整个上海光源,有N个单色器,有N个单色器,就有N个这样的出口,如果加上N个冰淇淋机~~~~啊~~~~
还有,翻来覆去,居然没能找到一张清晰的地面的特写,那就这张将就了哈~~~~~,为什么要给地面特写呢~~~我们可是站在十几米厚的水泥基上啊~~~~十几米啊~~~按三米层高算,那就是五六层楼高啊~~~~这值得一说~~~~

随着我们参观的结束,整个我的回顾也就结束了哈~~

以下是花絮了:
用雨伞指点江山的老孙~~(补充:以及抚颌沉思的奶茶同学)

花絮1

花絮1

认真演示滴CHONPS老师:

花絮2.认真演示的CHONPS老师

花絮2.认真演示的CHONPS老师

躺着滴准备成像滴实验大鼠

花絮3.待人宰割的实验老鼠

花絮3.待人宰割的实验老鼠

照片滴完结篇:参观滴大部队~~~~

花絮4.参观的大部队(其实是小分队= =)

花絮4.参观的大部队(其实是小分队= =)

言归正传,感谢松鼠会,感谢达文西女王,感谢CHONPS,感谢老孙,感谢四月,等等此处省略N百字~~~~,能够有这次机会到上海光源的现场参观学习,真的是很有收获,专业上的先不论,一是自豪,这是我们国家自己动手的,里面用的设备也真是国产的居多。我们国人自己的东西。二是感动,上海光源是全年全天24小时不休的,这里的工作人员,在线站上的科研人员,有的时候,甚至N天不休息,比如说,带领我们参观的CHONPS老师,见到我们之时,她就已经就30多个小时没休息了,送完我们,她们还要接着继续下去,这些都是我国科研人员的代表,我也在朝着这个方向努力,我深为之感动。
这两点就够我回味许久。还记得风雨里和你相逢,早知道,早知道,如此匆匆,一定要,一定要,与你重逢。

—————————————-youlan26的回顾结束的分割线——————————————-

补充部分图片:

上海光源外观·模型

上海光源外观·模型

上海光源内部·模型

上海光源内部·模型

液氮冷却晶体单色仪

液氮冷却晶体单色仪

令人叹为观止的大厅

令人叹为观止的大厅

图中淡黄色的建筑便是我们参观的部分——线站。开始时所有的线站都是这样的大门紧闭,门上的三叶草表示赫然在目。后来……

线站内部的惊鸿一瞥

线站内部的惊鸿一瞥

一名工作人员打开了这扇神秘的大门,我们得以窥视到线站内部的情形。

工作人员在实验工作台上安置小老老鼠

工作人员在实验工作台上安置小老老鼠

这便是那位打开神秘之门的英雄。他正在将实验用的小白鼠固定在作业台上。

我们也进入了线站

我们也进入了线站

线站内的讲解

线站内的讲解

工作站内,看摄像头拍摄下的实验台

工作站内,看摄像头拍摄下的实验台老鼠脑动脉成像(图中黑色的细线便是造影剂在光束下的成像,有些类似医用CT。)

你也许会喜欢

返回顶部

此邮件由系统自动发送,请不要直接回复该邮件,该服务由Feedsky提供技术支持,祝您使用愉快。

没有评论:

发表评论