2010年1月28日星期四

科学松鼠会

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科学圈圈坐之四-黎波

Thu, 28 Jan 2010 22:40:27 +0800

1

爽朗!

转眼这期的圈圈坐已经第五期了,从龙漫远的老师的一点和端木三相连成一线,到马原野老师的加入成为鼎足之势,直到上一期谢宇老师加入,方圆之地得以构建,加上这一期,离圈圈二字更是贴近了(园内分割多边形,是不是有点冷了),之所以跌跌撞撞的拽这么一段,是因为——

黎波,清华大学经济管理学院助理教授.2002年毕业于北京大学数学系,2006年在美国加州大学伯克利分校取得统计学博士学位.官方主页 学术主页(需翻墙)

记者手记:黎波老师让我称呼他为"黎叔",他的学生都 这么唤他.但我一直出于恶作剧心理地喊他"玻璃老师",他也好脾气地接受了,直到最后稍微提出了抗议:"有gay男之嫌". 我们的采访断断续续地,在除旧迎新的跨年中进行.这位年轻谦虚的学者,有着数学家认真严谨的性格,也有文艺男青年温文尔雅的特点,还有"80后"幽默狡黠 的一面.与他交谈,是松鼠会给予我最好的新年礼物.

随大流偷懒的海归人生

夏如(以下简称夏): 当你02年从北大数学系毕业后,为什么选择出国?又为什么转行选择了统计学?

黎波(以下简称黎): 我出国是随大流,算是北大数学系的传统。因为我本科过的混沌,身无长技,只是跟风考了寄托,然后就顺理成章出国了。专业选择也是属于干一行爱一行的那种. 因为我在本科后期觉得做纯数学研究似乎很难,最好是天才型的人或者至少是需要高度专注的人才可以。而我自觉天分中上,但还不到天才的高度。而且念完本科后关注的话题兴趣有些过多,无法专注到一个方向精耕细作。所以就挑了相对更应用一些的统计来学,在那个时候,也属于典型数学系毕业生赴美的选择。所以总体来说,我选择出国以及专业跟很多类似背景的人并无二致。

夏:之后觉得这个跟风的选择对么?

黎: 统计学得久了就愈发有感情了,也兴趣日浓,虽然还是一如既往地被很多别的兴趣分心而无法专注。而且从我后来的际遇以及我个人的期望来看,我觉得当初误打误撞的运气还不错。

夏:那么,你还有什么其他兴趣呢?

黎: 勉强算附庸风雅附庸文艺。听古典乐,网球滑雪等一些运动,最主要是被一些乱七八糟的阅读给蹉跎了,我主要关注政,经,史之类的话题,当然还有很多当下社会八卦。。。对于很多非专业的兴趣,我通常连票友都算不上,纯属自娱自乐。我个人的性格特征也传导到我的研究模式上了。我在研究上也是喜欢四处八卦,结果就是都会一点但不深刻。所谓左右逢源的结果就是左右支拙吧。所以松鼠会找我实在不合适,我不是个合格的科学研究者。。。。

夏:从加州伯克利毕业后,为什么选择回国?06年是个投行风生水起的年代,许多学生(特别是统计)都转行奔华尔街了寻高薪了。

黎:是的。我很多同学去做了quant。对我来说,一是还是觉得在母文化更自在惬意一些吧,母文化是个大坑,包括很重要的饮食。还有最重要的原因是我太懒。我读博士比较幸运,导师对我慈祥放羊,导致我草草毕业的时候水平不济,因此我若毕业后留在美国学界混预期会很辛苦的。因为我觉得tenure之前的初创阶段还是太累,压力太大。而且旅美中国人只能在高端竞争,我们终究是外来之人。但我自己没什么事业野心,更看重轻松自由,所以肯定愿意比较悠闲的呆在学院内。

夏:那么海归后,为什么不继续做统计学研究,而转向经管作为回国的专业呢?

黎: 事实上,我一直主要还是在做统计学研究,所以不能说是转了专业。当然我也做一点经济管理的实证研究。这对我其实是比较理想的情形。我对社会科学,政经话题兴趣一直比较大。兼顾方法论和应用是统计学研究的理想状态。 无须讳言,我来经管学院就职的很重要原因里还包括薪酬考量。
夏:现在看起来,对于当时的选择满意么?有不满的地方么?

黎:还可以。没有尽善尽美。学术方面主要就是内部晋升机制不合理,非学术方面就是房价哈。还有更宏大一点的关怀就是保守主义抬头权贵资本主义突飞猛进。不过我的境况比别的专业的还是相对好很多,所以也不会那么愤了。而且我本来也比较喜欢混日子,心态好,加上运气还可以,就没什么太多抱怨的了。

夏:作为过来人,对将归未归的海带们有啥建议么?

黎:海归群落迥异,因为国内的学术市场没有像美国那样制度明晰化,有各种各样的特区和计划,制度以及收入差距可以非常大。所以基本上海归的境况是千人千面。不同的学校,包括同一个学校内的不同的院系可能相差甚远。我对有意海归的留学生的建议是:学界海归一定要遵循两条,要么就去海归有一定规模效应的地方,要么就得攒点资历搞百人计划什么的。因为国外体面生活的门槛比较低,但凡有个工作可保有尊严的生活。但国内不然,必须是相对高薪的群体才可能体面的生活进而心无旁骛的进行研究。因此对于初毕业的学术海归来说,除非是经济商科专业,基本上都会比较难吧,尤其现在生活成本高涨的背景下。所以如果呆在国外就可以随便混混,但若想全职海归就要细致准备以及调研。总体来说,新人理想海归的可能性很低,而真� �海外熬成了老人,各种羁绊就更多了,也再难归了。所以在这个意义上,我说留学基本上是一条不归路。恐怕这么说有些太负面,怕冷了青年才俊的报国热情。呵呵。

统计学的科普

夏:能不能向我们的读者,还有我这个数学白痴,介绍下你的工作?

黎:我泛泛而谈统计学的研究吧。有问题我们随时可以往回一些,就像Sheldon给Penny介绍物理学那样,呵。。。。统计可以说属于一种信息科学,这跟传统的自然科学和社会科学不一样。天文学家研究星球,地质学家研究岩石,生物学家研究细胞,经济学家研究金钱(收益),那些都是比较具体的东西。统计学家的工作对象就是来自于各个领域的各种各样的数据,包括数字,图像,音频,人口统计特征,等等,基本上数字化的各种信息在统计学家眼里都可称之为"数据"。现实生活中观察到的数据(所谓样本)通常只是我们所关注的对象(总体)的一部分。统计学的工作目标就是从观察到的有限的有代表性的信息中发掘出我们所关注的对象的数据产生机制,从而可以对既有现象作出解释,或者对未来进行预测。关于统计学更多的科普性介绍可以� �加国内的一个社区网站:统计之都http://cos.name/

夏:就是根据现有数据进行一些趋势上的分析,这么说对么?

黎:不完全准确,我前面的描述就是试图做到准确,呵呵。更简单说来,就是我们看到的数据或者信息只是我们关注的。东西的一些代表,如果这些代表有足够的代表性的话,我们理应能够窥探一些其背后的运行机理。统计学建立在概率论的基础之上,我们假定数据是通过某种随机机制产生的,因此统计学家的结论往往是用概率表示,依然带有某种不确定性。但是统计结论的描述本身是很严格的。这么说估计还是罗嗦了,呵呵。

夏:不会啊,非常清楚~黎老师我好喜欢和你说话。。就是很熟悉的那种讲话都要抠得很严谨的说话方式。老师继续。

黎:谢谢。所以可以看出来统计学好像是万金油一样,呵呵。事实上,这一定程度上是一面双刃剑,我们可以介入几乎是任何领域,包括生物医学心理经济金融大气天文地震等等。但是同时有时候我们学科的主体地位会受到冲击。不过这种特性比较适合我这种性格的人啦。

夏:那么是不是得说统计模型的建立过程了?

黎:嗯。说模型。大致来说,我博士论文的话题有些过于古典,就是关于统计模型的检验问题。你知道量化研究基本上都离不开所谓模型的,统计也不例外。对问题的分析推断大抵就是 建立在假想模型的基础之上。但是很多统计模型的提出很可能是建立在涉及到抽象简化的理论研究的基础之上,或者更多的是出于便利以及因循传统,因此对所提出模型的正确性进行评估是必须的。我当时的工作就属于这一分支,毫无疑问这肯定是比较古老的问题,我在博士论文里考虑了更近一些的模型以及技术手段。

夏:(。。。仔细琢磨上边一段话中)那么,你现在的工作重心呢?

黎:我现在主要关注的领域是高维统计问题。现代的存储设备和计算能力的快速提高使得数据的收集和存储愈发廉价,这也给当代统计研究带来了极多新的问题和挑战。因为是上述原因,现代统计研究通常要针对包括数目众多变量的大规模,也就是业内所说的高维统计问题。具体的例子包括微列阵基因数据,海量气象数据分析,庞大金融资产组合投资等等。

夏:也就是说。。现在我们有了计算机,采集数据很容易,所以数据太多了,原来的统计模型不好用了?

黎:这个问题很好。很大程度上是这样的。传统统计很大一部分是建立在经典大样本理论上的,也就是通常假定维数(也就是变量个数)比较小,而样本量相较于维数比较大。如此也就是说问题的复杂性比较小,但是我们所获得的信息是比较多的。传统统计定量的告诉我们随着信息量的增长我们可以越来越精确的还原未知的数据产生机制并对未来进行具有相当准度的预 测。但是当代统计面临的问题经常涉及到非常多个变量,有时候甚至超过样本量,如生物学中微阵列数据。用相对非常有限的信息直接来估计复杂度过高的模型基本上是不可能的,好比"巧妇难为无米之炊"。因此传统的理论范式在许多的高维情景中变得不再适用了。高维统计分析就是试图提出新的统计分析方法和范式来处理当代无所不在的高维问题,因此成为当下统计界的研究最热点。这甚至可以被视为自统计成为一门独立学科以来的最大革命性的风向变化。

夏:所以现在的热点就是,弄个可以搞定更多信息的统计模型?。。我一再把你精确的语言低俗化。。

黎:我之前也许说的不太精确,传统统计里的"信息量"增多主要是指样本量的增多。而当代统计里的信息量增多是变量个数的增多,有时候也伴随大样本量。维度是样本里涉及到的变量的个数,比如金融投资组合的例子里就是组合涉及到的资产个数,它通常决定统计模型的复杂程度。因此,现代数据信息量的一个维度的增长也就是维数增长是一把双刃剑,它通常也意味着模型的复杂性的快速增长。可是要估计一个复杂度很高的模型通常需要极多的有代表性的样本,也就是需要极为庞大的样本量,而在现实里这往往是不可能的。这个问题也通常被称为"维数诅咒",可以类比我们通常所说的"资源诅咒"。

夏:再举个例子吧

黎:好比想判定一个病人是否得了某种病,医学仪器可以测量关于这个病人的各种医学指标数据,包括血压,血脂浓度。。。(不懂医学。。。),还有病人的年龄,病史等等各种数据信息,甚至还可以有基因信息。这些所有的指标的个数就是维度,而既往病例里面包含的病人个数就是样本量。最有名的就是肿瘤的判定,尤其是现在基因信息维数很多,就是指标个数多了,一名研究者可获得的案例数比起来通常不太多。关于那个高维的例子就说好比用基因信息诊断是否得了前列腺癌。有一个有名的研究中收集了102个疑似病人的12600个相关基因信息。这里12600是维数,102是样本量。可以看出维数相较于样本量是非常大的。

夏: 那么,你们怎么解决这个问题?

黎:回到前面,所以我们面临的问题就是可能需要处理一个过度复杂的模型。而那在现实里通常是不现实的。因此当代高维统计分析的核心任务就是降维,也就是降低真正有用的模型的复杂度。其中的策略主要有两个,一个就是变量筛选,就是我们假定有些变量也许对我们关注的问题无关,好比上面的癌症诊断例子,12600个基因中也许很多基因与前列腺癌其实是没有关系的,那我们就可以把那些变量从我们的分析中直接扔掉。也就是说,那些无用的信息好比噪音,我们应该弃之如敝屣。这样我们的模型复杂度相应的就被大大简化了。

夏:这个解释很好啊~

黎:另一个策略就是发现涉及到的诸多变量相互关系中的某种"稀疏性",也就是虽然模型涉及到的变量个数比较多,但是模型的复杂度也许并没有我们想象的那么高。好比一个涉及到100个金融资产的投资组合,为了得到最优投资组合,我们希望得到资产价格两两之间的相关性,这个问题的复杂度是非常高的(它们的协方差矩阵里有5050个未知参数)。但这100个资产价格之间的相关性很可能主要可以由少数几个关键因子解释,这几个主要因子可能是宏观经济因素,行业板块因素,政策因素等等。也就是说刻画两两相关性的模型也许比我们想象的简单的多。如果我们能巧妙的利用这种合理的简化,那么模型的复杂度也会被极大的降低,统计分析从而也就成为可能了。当然,如何合理的筛选变量或者发觉模型中的某种稀疏性需要严格的统计理论以及 ��体的应用领域理论来支撑。这些也大体就是高维统计研究的主要问题。我这一大段话是试图画一个大的图景,而我自己只是这个研究洪流中的微不足道的一支,只是做了一点点工作。

经济学研究获麦肯锡奖

夏:能谈谈你在经济管理方面的工作吗?
黎:我做过的经济学实证研究方面的内容主要是与同事合作分析中国的城镇居民收入数据,涉及的议题包括性别收入差距和总体的收入差异变迁等。(记者注:此研究获得首届麦肯锡经济学奖http://www.mckinsey.com/locations/chinasimplified/mckonchina/news/economics_award2008.aspx)我也在做一些管理学中的实证研究,涉及质量控制,信息系统采纳对公司绩效的影响等等,不过都还只是在起步阶段。
夏:哇,这个有啥猛料可以爆的么?

黎:我与我的同事迟巍教授合作写作了《玻璃天花板还是黏脚的地板?——调查中国城市男女性别收入差距(1987-2004年)》的论文。我们的主要发现是:在过去20年里,中国城市劳动力性别收入差距快速扩大,而这一差距在低收入阶层中更为明显。这一发现和国外发达国家的情况有很大的不同:国外的研究通常发现"玻璃天花板"的作用更大,也就是高端女性面临的性别收入差距与低端女性相比更大。我们进一步的研究结果表明,性别歧视比教育背景、工作经验等其他因素更多地造成低端男女收入差距的日益扩大。

夏:那为啥在中国,是在低端更大呢?在国外中产阶级力量较大,是么?

黎:因为低端劳动力供应过剩啊。高端具有相对稀缺性,所以没有太多歧视的空间。发达国家居民整体教育程度高专业技术水平高。就是说如果企业有更大的选择空间的话,就很可能表现出在雇佣选择以及升迁决策方面的歧视性倾向,而那会反应在数据当中。这个议题不算太有意思啦,其实。我们只是使用了更加现代合理的计量方法,使社会现象通过数据以及更合理的数据分析得到印证。

夏:那么解决的方法是什么?

黎:对于中国目前的低端歧视问题,或者更广泛的对于中国就业市场中的各种歧视,我们的书生化的建议还是冀望于严格的立法和执法,以及由此推动的对个体尊重的社会良序。我想歧视的解决之道只此一途吧。一种例子是可以比照美国,看具体的员工性别比例之类的。国内招聘以及晋升当中有很多明显的歧视啊,只是根本没人管。在中国,约束企业歧视方面无法可依或者有法不依依然是普遍存在的。这也导致普通民众对歧视性的政策和现象习以为常。

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《风声》中的莫尔斯码

Thu, 28 Jan 2010 19:00:39 +0800

第五期征文作品赏析(八)

作者:Albert JIAO   二等奖

看过热播的谍战电影《风声》的观众都会对影片中反复提到的莫尔斯码(又称摩斯码)印象深刻:在译电组李宁玉、顾晓梦每天的工作中,在吴志国大队长在受了六爷残忍的"针刑"之后躺在手术台上唱着曲子中,在他身边潜伏的护士的手指下,在顾晓梦衣服上缝补的长短不一的线条中……

那么,片中无处不在的莫尔斯码到底是什么?它又有怎样的神秘力量?

从烽火台说起

莫尔斯码的产生首先要从通信的历史说起,在古代,无论通过语言还是文字,人们传递信息的能力都非常低下,小小县城内的县官想传一个人到堂,没有扩音器,也没有电话,要靠衙役们一个接一个的大声喊;如果皇帝想下一道圣旨,寄一封书信到远方,要靠快马加鞭、日夜不停的传递,即使这样,仍然要耐心等待十几天甚至上月的时间。这样的通信方式对于一丝一毫战机都不可贻误的战争场合是致命的,于是人们想了一些其他办法,出现了"飞鸽传书"、"烽火台"一类的方法。"飞鸽传书"的书信上可以写很多内容,可是飞鸽需要一段时间飞到目的地,而且常常有去无回;烽火台的浓烟可以在短时间内使远方看到,可是烟火的有无只能表示"有敌情"、"没有敌情"这样非常简单的信息。

那么大胆想象一下,用一个烽火台的焰火可不可以向远处传递复杂的信息,比如一个英语单词"apple"?

设法使烟火台的浓烟在空中产生几个字母的图案?这一定是一个很愚蠢的方案,在空用焰火产生字母图案对于现代的烟花工程师都是一个大难题,更何况对于古代的士兵。

先将烽火台点燃,然后再将烽火台弄灭,然后再点燃,让烽火台点燃次数的多少来代表不同的字母,例如烽火台烧一次代表字母a,连续烧26次代表字母z?这是一个理论上可行的办法。但是我们还有更好的办法,可以这样:先让烽火台烧一刻的时间,然后将烽火台熄灭,再将烽火台燃起,两刻的时间,再灭掉,用燃烧时间的"一短一长"来表示字母"a",对于其他的字母也可以用连续二三次或者四五次燃烧时间长短交替的烽火来表示,这样不必为了表示一个字母烧烽火台十几次、二十多次,节约了平均时间,这正是莫尔斯码的构想。

但是以上的方案对于烽火台在实际中都是不可行的,古人可能单单为了收集木材、取火就要花上大把时间,一次次熄灭了再烧起,不知要花费多少时辰。或许传递一句"How are you",用方案二要一天一夜时间,用方案三也要大半天。

电报与莫尔斯码的诞生

直到18世纪的欧洲,人类最伟大的发明之一——电的诞生才使人们的通信方式带来跨时代的变化,上文提到的设想(费力地将烽火台点起再熄灭)只需在电线的一端轻轻按动开关来实现,信息在瞬息之间就可以传送到遥远的地方。

1832年秋天, 41岁的美国画家莫尔斯,有线电报发明者,也是莫尔斯码的发明者,在一艘航船上听一位游客讲起电学知识,被深深吸引的他脑中突发灵感,决定改行研究起如何用电线中的电流来通信。

12年后,经过无数次的试验,他的设想终于实现,在1844年5月,莫尔斯将相隔六十多公里的华盛顿国会大厦联邦最高法院会议厅和巴尔的摩城用电线连接,当他在操纵着华盛顿的发报机上开关时,电路中时断时续地产生着电流,在巴尔的摩城的收报机中的电磁铁也因电流的变化而不停地接通和断开,持续产生着"嘀"、"嗒"声。

在发报时,发报员如果使连接发报机与接收机的电路接通时间长一些,接收机就会产生一声"嗒",如果接通时间稍微短一些,接收机就会产生一生"嘀",这样交替着发送长短信号(分别用"━ ","."),几个信号连在一起就可以代表一个字母和符号,当然,信号和信号间,字母和字母间也要有一定时间间隔,否则就会使接收方无法辨认,混在一起。

以下就是莫尔斯对字母和数字用"嘀"、"嗒"的表示方法,也就是传说中的莫尔斯码:

A ·━

B ━··

C ━·━·

D ━··

E ·

F ··━·

G ━ ━ ·

H ····

I ··

J ·━ ━ ━

K ━·━

L ·━··

M ━ ━

N ━ ·

O ━ ━

P ·━ ━·

Q ━ ━ ·━

R ·━·

S ···

T ━

U ··━

V ···━

W ·━ ━

X ━··━

Y ━··━

Z ━ ━··

1 ·━ ━ ━ ━

2 ··━ ━ ━

3 ···━ ━

4 ····━

5 ·····

6 ━····

7 ━ ━···

8 ━ ━ ━··

9 ━ ━ ━ ━·

0 ━ ━ ━ ━ ━

? ··━ ━··

/ ━··━·

( ) ━·━ ━ ·━

- ━····━

。 ·━·━·━

其中,E和T分别是莫尔斯电码中最短的两个编码,一个是"·",一个是"━",恰巧是外星人电影《E·T》的片名。

对于一段滴滴嗒嗒声或者一张写满了" ━····━━··━━··━━━·━━····━···━····━"符号的纸,普通人要与莫尔斯码表一个一个比对才能得到原文,不过李宁玉、顾晓梦这样的经过专业训练的译报员,听"嘀"、"嗒"声就如同听人在讲话一样,可以一边听一边在脑中将这些滴嗒声"同声传译"地转换成文字。

有人会想一个问题,英语只有26个字母,容易用长短信号表示,那么千奇百怪的汉字怎么用莫尔斯发明的电码进行传送?其实解决方案在《风声》片中提到过,就是用四位数字,每个数字再分别用长短信号表示。四位数字最多可以表示10000个汉字,这对于常用的汉字已经足够了。

莫尔斯码虽然是为了电报通信而发明,但却未必一定要用电信号来传递,《风声》中的节奏变幻的曲子、衣服上长短不一的线都可以成为莫尔斯码的载体。

不信邪的马可尼

在随后的历史中,电报技术也在戏剧性的不断向前发展着。

19世纪50年代,英国海岸的一些渔民时常会打捞到一些长长的黑色物体,起初他们以为捕到了"大王黑乌贼"的爪子,但是将这些黑物体切开一看,里面是些铜线——原来此时英美之间开始铺设大西洋海下电缆,莫尔斯码的滴答声开始跨越了两个大洲之间。

在19世纪后期,麦克斯维等科学家逐渐弄清楚了在空中以光速传播的电磁波的原理,但是当时人们认为地球是圆的,而包括光在内的电磁波都是以直线传播的,电磁波不可能在两地间传递信息。电磁波的发现者赫兹也公开表示"电磁波不可能用于通信"。

可是几年后,意大利发明家马可尼不可思议般地成功发送了世界上第一封跨越大西洋的无线电报,让赫兹等人大跌眼镜。后来人们才知道他成功的原因——在距离地球表面数十公里的大气层中存在着电离层,直线传播的电磁波会被反射回地面的另一点,而不是射向茫茫宇宙。

尽管很多人对于马可尼完成了这个"不可能完成的任务"深感诧异,这项新发明还是很快被广为接受,无线电报逐渐取代了需要长距离铺设电缆、耗资巨大的有线电报,但莫尔斯码仍在使用着。

在此后的两次世界大战中,无线电报在军事中得到了广泛应用,但是空中的电磁波也可以被敌方接收到,如何使信息保密是一个难题。

莫尔斯码是国际通用的代码,每个人只要手中有一份莫尔斯码表,就可以对电报进行翻译,没有保密性可言,《风声》中的"莫尔斯密码"实际是一个错误。如果希望更加安全的发电报,就需要用某种方式进行加密,例如莫尔斯码中"短长"表示"a","长短短"表示"b",在加密的电报中,"短长"表示"b",而"长短短"表示"a",当然,这种简单的加密方式很容易被李宁玉这样的密码天才所识破。对于一些复杂的加密电报,除非找到记录着每一个字母或文字对应代码的原本,否则很难破译。

莫尔斯码的余光

在二战后,计算机、有线电话、手提电话、互联网先后走进了人们的生活,电报逐渐退出了历史舞台。在计算机和数字通信中,无论是眩目电脑游戏画面,还是悦耳动听的音乐,背后都是由一个个"1","0"的二进制代码进行计算和传输。有人曾设想在计算机中继续使用莫尔斯码,将电报中的长和短分别换成"1","0",但不幸的是,莫尔斯码中代表每一个字母和数字的代码长度会不同,有的只有一个,有的却长达六个,这种方式不方便于计算机的运算,于是设计出了一种新的标准——ASCII码:

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所有的大小写字母、数字、符号都统一使用八位二进制数字(两位十六进制数字)表示。

到1999年,莫尔斯码不再继续作为一种国际标准使用,正式退出了历史舞台。不过很多领域中,它仍然发挥着余热。

最著名的例子要数SOS求救信号了,在莫尔斯码中,字母S是三声短,字母O是三声长,从二十世纪初到今日,"嘀嘀嘀, 嗒嗒嗒, 嘀嘀嘀"一直作为作为国际通用的求救信号。

在电影《尼罗河上的惨案》中,主人公大侦探波洛发现身边有一条眼镜蛇时,不敢大声求救,而轻轻地敲击墙壁,敲出类似于"嘀嘀嘀,嗒嗒嗒,嘀嘀嘀"的声音来通知隔壁的上校军官来救他。

在一些海难中,遇险的船员也会用手电筒通过光闪烁时间长短来发出SOS信号,向远处的船只求助。

带有某种神奇力量的莫尔斯码也经常出现在人们的巧妙创意中。

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几个月前,莫尔斯码曾经现身在了谷哥的主页上,google的六个字母以一种特殊的方式展现在了它的粉丝面前:

在诺基亚手机的一些短信铃声中,也常常有来自于莫尔斯码的灵感,如,名字为"Special"的短信铃声,就是莫尔斯码中的"SMS" (短信服务)三个字母的声音。

而在美剧《The Big Bang Theory》的一集中,莫尔斯码成了笑料。有些书呆子气的天才物理学家Sheldon一天夜里在思考科学难题中遇到困难,去敲隔壁房间的墙,被Sheldon吵醒的Leonard问他要做什么,Sheldon说:"我在敲莫尔斯密码向你求救,这样就可以跟你隔墙通话,比如敲一点再敲长一点,就是A,敲……" "可是你现在不就已经跟我说话了吗?"Leonard不解地说……

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大脑欺骗之旅——从西洋镜到阿凡达

Thu, 28 Jan 2010 14:30:59 +0800

第五期征文作品赏析(七)

作者:打破的管道   二等奖

一切还要从混沌初开、任嘛没有的创世纪说起…… 上帝说"要有光!",于是就有了光。

上帝说"晚上也要有!",于是有了爱迪生,很快爱迪生就奉旨发明出了晚上的光。

上帝说"要让人们看到我!",于是便有了画家和雕刻家。 上

帝说"要能动的,笨蛋!",于是有了电影。

我记忆中看的第一部电影就是讲的耶稣受难,是外婆带着我去的天主教堂。在当时,教堂是为数不多的能自主放映影片的场所。因为年龄太小的缘故,已经记不起太多影片细节了,只觉得色调昏暗,故事沉闷,片中人物个个衣衫褴褛。但有一处印象深刻,我当时真就以为那是耶稣本人!而这电影嘛,一定是耶稣受难时现场拍摄下来的。(后来我才知道原来还有演员这种职业-_-|)

西洋镜与左轮枪

1999年,胡安导演的一部《西洋镜》把观众带回到慈禧太后时期的中国,回顾了电影在当时的中国如何艰难起步。一时间,西洋镜这个旧时候的物件又重新走进了中国百姓的视野。 西洋镜是上海人的叫法,北方叫拉洋片,说的都是一回事。就是一个可以旋转的鼓,内壁上贴着一圈"连环画"(这才是名副其实的连环画,因为真的连成了一个环)。通过一道狭长的切口,可看到鼓内侧的图片一张张地闪过,就像动起来一样。

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西洋镜

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西洋镜里的图画

为了表现出连续的动作,要求连环画中每相邻的两格相差不能过大,这样重复度就很高,一转圈下来也表现不了多少内容。因此一般都把影片设计成可循环的,即让最后一张与第一张的动作衔接起来。西洋镜虽然简陋,但它所使的"骗术"和现代电影是一样的,都是利用了人眼的视觉暂留特性。 先看一下什么是视觉暂留。光一旦在视网膜上成像,大脑视觉系统就会把这一瞬的视觉维持一段时间。根据光的强度不同,维持的时间也不一样,对于中等亮度的光刺激,大约为0.05秒到0.2秒。我们把一幅静态的图像叫做一帧,电影通常的播放速度是每秒24帧。也就是说,你所看到的影像不是绝对的连贯,而是间断的24张照片在一秒钟之内轮番闪过。 也许你已经明白了,摄影机无非就是一台高速连续拍照的相机。其工作原理也没什么神秘,胶片感光、换下一格胶片、再进行感光,如此循环往复。可即使原理如此简单,在电影诞生之初,实现起来也相当的麻烦。看看在1878年,人们是怎么笨手笨脚地把一匹奔跑的马拍进电影的吧。首先,在马的跑道两侧密集地架设起多台相机,每隔21英寸就有一台。当马从相机前经过时,马腿会扫到一根绊线,由这绊根线来触发相机快门完成拍摄。最后再把胶片从多台相机里依次取出,按顺序拼接成电影胶卷。 这样的拍摄代价显然太大,不仅需要的相机数量过多,还要设计好如何在恰当的时间触发相机快门,另外收集和拼接胶片也是个麻烦事。于是后来就有人用轮子进行了改进。赞美轮子吧!自轮子之后,人类就再没有过真正像样的发明了。

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造物主啊!太像了简直!这一个盘子六个眼儿的神圣徽记!也只有蜂窝煤能与之媲美!

clip_image005

像吧?

不要受上图误导,其实放映机轮子上的窟窿眼并没有什么实际用途,是我忍不住才将它俩放在一起。不过放映机的原理与左轮枪的确有着异曲同工之妙——感光、下一格胶片、再感光、再下一格,这是放映机;嘭!下一发子弹!嘭!再下一发!这是左轮枪。它们都借助了转轮,使得某个重复的步骤自动化,从而大大加快了速度。 速度!还是速度!有道是"天下武功,唯快不破"。很多事物本身并不神奇,可一旦速度快到一定程度,便能像电影那样,骗得我们一愣一愣的。很多魔术戏法也是靠速度取胜,快到使人看不清看不见。当然了,练就一双魔术师的快手需要下很大功夫,而一秒钟拍24张照片也是要付出代价的。我们不妨来算一下,按照这个速度拍摄,胶片的消耗量有多大。 普通的摄影机每拍摄一秒钟,也就是24张画面,需要消耗45.75厘米长的胶卷,那么拍一部两小时的电影,就是45.75厘米每秒×7200秒=329400厘米,大约是3.3公里。摄影机如此大的弹药消耗量,再拿左轮枪来和它比较,显然有点儿跟不上了。要说门当户对的,还得是美国陆军M134型机枪,每分钟6000发子弹的射速可不是盖的。

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M134机枪的外形和摄影机十分相像 难怪在英语中摄影和射击是同一个词(shoot)

M134虽然威武,但越往高速领域,机械运动的先天劣势就越发明显。白展堂的葵花点穴手"指如疾风、势如闪电",可就算风再快,也终究快不过电。这时候,电子器件的优势就显现出来了。高速摄影机就好比摄影器材中的高射速机枪。目前主流的高速摄影机,每秒1000帧已经不在话下。然而它的快,恰恰是为了拍摄慢镜头。若以1000帧每秒的速度拍摄,然后以25帧每秒的正常速度播放,那么从观看者的角度,影片中的时间流逝速度只有现实中的1/40。 当时间慢下来,我们会发现一些平时根本无法察觉的现象。尽管这些现象其实天天在我们眼前发生,可看起来仍像是奇迹一般。你可以看清子弹穿过苹果的瞬间,气球爆开时的形状,以及火花是如何慢慢变成一团火焰的。探索频道还专门为此制作了一个系列节目《暂留时空》,目前已经播到第三季。

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高速摄影机拍摄的肥皂泡破开的瞬间

终于,摄影机为自己正了名。它除了会蒙骗我们的大脑,有时候也能揭开一些真相。但并不是所有人都对高速摄影表示欢迎,其中最有怨言的,恐怕就是被拆穿了西洋镜的魔术师们。

Cameron的Camera

卡梅隆(Cameron)!注意不是卡梅隆·迪亚兹,而是詹姆斯·卡梅隆(James Cameron)!这电影圈里总算轮到技术派露一回脸了!如果世界不像现实中这么浮躁,哪怕只一点点,那么詹姆斯·卡梅隆,这位拍摄了《终结者》、《泰坦尼克号》和《阿凡达》的导演大师,名气上也绝不该输给一个靠身材和脸蛋吃饭的女明星。 要问导演们的最钟爱之物是什么,排在最前的答案一定是摄影机(Camera)。另一位大导演斯蒂芬·斯皮尔伯格这样给人讲起他的导演生涯"我的第一部影片,我永远记得,是16岁那年,我用那架8毫米摄影机……"可见导演对摄影机的情愫,就好比战士对待枪一样。

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都是爱"枪"人 詹姆斯·卡梅隆(中)长期占据着电影技术的制高点

自《泰坦尼克号》以来,卡梅隆足足有12年没什么大的动作。不过这位加州大学物理系毕业的技术狂人一刻也未曾停下脚步。他在探寻,在等待,探寻更好的电影特效技术,等待更多的影院安装上3D银幕。 有人说,神作《阿凡达》的问世,可将电影史从此划分为"阿凡达前"和"阿凡达后"。从电影制作技术的角度讲,这种说法并不夸张。卡梅隆十年磨一剑的坚持,给3D电影制作工艺带来了无数改进。弱水三千,只取一瓢,来看一下电影是如何拍成3D的。 3D的D是维度(Dimension)的开头字母,3D就是三维立体的意思。我们平日看的电影是二维的,多出来的第三维是干嘛用的呢?二维与三维的关系其实就像平面几何与立体几何的关系(有同学说,两者的关系就是立体几何比平面几何更难考及格-_-||)因此不难理解,多出来的那一维,就是三维坐标系里冲你指过来的Z轴。 只睁一只眼能精确把握前后距离吗?不妨做个小实验,把一支笔横在面前,取下笔帽装进口袋里,然后闭上一只眼,取出口袋中的笔帽,尝试套回到笔上。通常一只眼的时候很难一次成功,但两只眼都睁开就要容易得多。 人是通过两眼所见景象的细微差别来判断前后距离的。物体离你很近时,这差别会很大,而当它逐渐远离你的时候,这差别会越来越小,直到两只眼睛所见几乎一样。观察者离得越近,对距离就越敏感。这就解释了为什么眼前站着的两个人虽然相隔很近,也能轻易判断出谁前谁后,而远处的两座高楼可能相隔很远,却拿不准哪座在前。眼睛对远距离的敏感度不如近距离细腻,俗语"望山跑死马"就蕴含了类似的道理。因此在3D电影里,近景镜头有着先天优势,难怪导演们对火车扑面而来这一类近景冲击镜头偏爱有加了。 拍摄3D电影,需要两台摄影机分别模拟左右两眼的视线,同时拍摄下略有差别的两份影像。在放映时,将这两个影像叠加在一起投射到银幕上,观众须戴上特制的3D眼镜,令左眼只能看到左边摄影机拍下的影像,右眼只能看到右边的。这样一来,就还原出两个摄影机眼球在现场拍摄时的所见,给人以身临其境的距离感。 欣赏3D电影时,观众仿佛置身其中,而非只作为一个旁观者。因此3D电影的早期尝试较多出现在恐怖片和情色片,毕竟对这两类片子而言,身临其境的第一人称视觉体验实在叫人难以抵挡。 3D电影对大脑的欺骗提高了一个层次,但也带来了副作用。头晕恶心是最为常见的一种。也许你的大脑还不太习惯上这样的当——以为自己在山谷中急速翱翔,但事实上却坐在影院一动不动。这副作用尽管不是人人皆有,而且詹姆斯·卡梅隆的工作组也极力从技术上将其降到最低,但仍然没有根除。 万灵药未出,小偏方横行。下面这个偏方就专门预防3D眩晕,不敢说药到病除,但也能减轻不少症状。本偏方在此免费奉上,请记住七字诀"老老实实跟镜头"。一般镜头焦点对准哪里,哪里的图像就最清晰,而且也一定是导演希望观众注意的地方。不要对焦点以外的事物产生好奇,紧跟导演的思路,否则难受起来我这儿可没有治后悔的偏方。 clip_image015 蒙骗大脑的技术在不断升级,也许未来的终极影院就只是摆在客厅里的一张躺椅。只要舒舒服服躺下,给脑袋接上电,各种感觉就源源不断地向你涌来。不光能听能看,还能感受到爆炸的冲击波,女主角身上的香水味,甚至可以让彩色的声音尝起来是甜的,cool!! 要是高兴了,就来上一大口味道可调节的虚拟爆米花,如果你愿意分享,身旁依偎的虚拟女友也将手伸进爆米花袋,无名指上还带着你刚刚为她虚拟出来的五克拉钻戒。 这想象中的未来影院就没有副作用吗?09年出品的科幻电影《未来战警》给出了一种回答——有!而且远不止头晕这么轻描淡写。先抛开这类科幻题材惯用的耸人听闻的阴谋论不说,光是存在这样一个虚拟天堂,就是对人性的极大挑战。当人的一切愿望都能通过电子虚拟的手段轻易满足,谁还愿意从美梦中醒来?躺在那样的椅子上沉睡,人类剩下的唯一有意义的部分,不过是一团连接着导线的脑组织。 从西洋镜到阿凡达,一路匆匆走过,这趟大脑欺骗之旅终要告一段落了。心里还在惦记情色3D电影?忘掉它吧,看在詹姆斯·卡梅隆的份上! (巧得很,JC除了是James Cameron的缩写,还是……没错,耶稣基督Jesus Christ.)

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抢稿小红猪

Thu, 28 Jan 2010 12:17:00 +0800

RedPig-shadow

请继续关注小红花制度!请看小红猪翻译小分队新一期:《对气候系统实施地球工程》。

请到以下英文全文抢稿贴后留言抢稿(手头有未完成翻译稿件者不得重复抢稿)

人是操线小木偶吗?我们的行动机制到底是什么样的?《人类是如何行动的》;以及《马路噪音从哪来

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病得哼哼唧唧的恐龙们

Thu, 28 Jan 2010 08:00:52 +0800

史前的病房里,空气中弥漫着垂死的气息,令人屏气凝神。密密麻麻的病床上,躺着的全是一排排的哼哼唧唧,连着导尿管、氧气罩、输液管,嘴巴微张,双目似闭非闭的恐龙们。床头资料卡上写着各自的病名,随便瞅瞅,轻重症状倒也泾渭分明:不算严重的有趾骨应力性骨折、痛风、减压综合征;比较麻烦的是糜烂性关节炎、肿瘤、血管癌。

这些病症眼熟吧?其实这些病症发生在人类身上亦很常见,比如减压综合征就出现在毛毛躁躁的潜水者身上,趾骨应力性骨折则是一种过度使用骨骼造成的损伤,比如姚明的左脚脚踝骨裂就属于此种症状。

当疾病发生在古生物身上,就成为了古病理学。对化石中的疾病进行系统研究的第一人是罗伊·默迪(Roy L. Moodie)。默迪是上世纪初美国堪萨斯大学一位杰出的古生物学家,于1923年写出《古病理学》。尽管由于年代久远,他的鉴定结果存在时代的局限,但这无疑是古生物学与病理学一次伟大的交叉。从那之后,才有了古病理学。

很多人质疑,这门学科也忒不靠谱了吧?的确,古病理学的知识具有极大的局限性,有些疾病我们也许永远无法知道。一般来说,只有导致骨骼畸形和骨骼脓肿的疾病,如梅毒、结核病、雅司病、骨髓炎、脊髓灰质炎和麻风病等才能够被识别出来。但这些"有限"的疾病信息却能够给我们带来大量不为人知的古生物信息。

尽管烦人的疾病困扰着恐龙,但这却为我们了解恐龙的"坎坷一生"提供了另一条途径。古病理学家借尸诊病,忙得不亦乐乎。

加拿大一位古生物学家发现,鸭嘴龙的尾椎化石上有形状奇特的损伤。这枚可怜的尾椎碎裂且扭曲,看上去像是被很大的重力压碎后愈合的。于是,古生物学家猜测这会不会群居的鸭嘴龙突遇骚动,粗心莽撞的小伙子踏伤了身旁小甜甜的尾巴?!

同样是加拿大的鸭嘴龙,它们不少肋骨化石都存在断裂后又愈合的情况。由于这种情况相当普遍,不太可能是偶发的事故造成。学者认为这些肋骨伤可能是雄性鸭嘴龙彼此格斗后留下的印记。这些看似面善的大块头为了争夺配偶和王位,打起架来可一点也不含糊,雄龙会一个劲地用后脚跟猛踢对方。

不光恐龙饱受疾病折磨,恐龙的亲戚也被病魔缠身。沧龙,这种形如巨蜥、长达9米的海生爬行动物就得了严重的减压综合症。潜水员们都知道,这种减压综合症的起因是溶于水中的氮在血液中很快释放出来形成气泡,破坏了各器官的正常供血。美国古生物学家马丁和病理专家罗斯柴尔德用X光检视了一批上白垩统时期的沧龙脊椎化石,发现它们普遍存在血管坏死的症状,这表明沧龙在追捕猎物的过程中很可能潜入很深的海水中,然后又快速上浮,久而久之,沧龙就得患上了突然减压引起的"减压综合症",这可是印证了古海洋中肉弱强食的惊险场面哦!

去年,我游历到四川自贡恐龙博物馆,蒙副馆长彭光照大师兄的悉心关照,我得以漫游到该馆的私密库房中,一览化石珍宝。眼前的一件永川龙肩胛骨立即抓住了我的眼球,这是一种体长7至9米的大型兽脚类恐龙,凭着庞大的体型成为该动物群食物链的顶端,犹如北美同时期的异特龙,或晚白垩世的霸王龙。只见它的肩胛骨中端鼓起了一个大包,很像骨折后又得以愈合的情况。不过,肩胛骨折是非常罕有的,要知道,在世界上兽脚类恐龙已统计的50例骨折中,肋骨断裂最为普遍,其次为小腿腓骨,肩胛骨骨折则要少得多,这个现象也同样存在于人类骨学中。

随后,我邀请了泸州医学院的董辉讲师驱车来到自贡,他是我在成都读研时的好友,也是古生物的骨灰级玩家。董辉不愧是病理学的熟客,他认为这块肩胛骨隆起的地方有明显的成角畸形,骨皮质不连续,这些都是骨折的典型表现。从愈合情况上看,由于骨折发生在非承重骨,附着肌肉众多,受力方向复杂,原始骨痂形成后,缺乏稳定、持续、强大的应力诱导,所以才会形成如此明显隆起的巨大骨痂。

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永川龙

那么,这个巨大骨痂是不是暗示着永川龙遭遇了不寻常的袭击呢?在人类骨学中,肩胛骨骨折一般发生在重大钝性外伤的情况下,永川龙很可能也是如此!在与永川龙同时代的各种对手中,最有可能造成永川龙出现这种严重伤害的无非是各种蜥脚类恐龙——马门溪龙、大安龙、峨嵋龙和自贡龙。其中要数马门溪龙最为典型,于是我将其定为分析对象。

马门溪龙是中国恐龙的明星,耀眼到时任中国科学院院长郭沫若都为其亲笔题名。此龙长达20余米,最大的特点是脖子特别长,相当于体长的一半,而且其尾巴末端还有"冠状"的尾锤。我们制作了三维的永川龙和马门溪龙的重建模型,如果将它们放在一起,你可以发现,永川龙的前部躯体恰好处于马门溪龙尾锤的打击范围之内。

永川龙的肩胛骨

永川龙的肩胛骨

更巧的是,我的另一团队曾经利用有限元分析研究过马门溪龙的尾锤,认为其尾锤的左右摆动比上下摆动更有效,尾锤的最佳击打部位为中部神经棘区域,该处最大击打载荷约为450牛。这相当于46公斤的力。马门溪龙14吨的体重,7米长的大尾巴,在高速挥动之下,这个尾锤能发挥出较大的威力!以永川龙肩胛骨骨痂的位置来说,应当是垂直于骨皮质方向的暴力造成的,这恰好符合马门溪龙尾锤的点打击!虽然这一巧合并不能说明永川龙的骨折就是由马门溪龙的尾锤所造成,但毕竟提供了一种有趣的解释,谁说不是呢?

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[小红猪]对气候系统实施地球工程

Thu, 28 Jan 2010 07:08:39 +0800

2译者:Fima

此文被小红猪们评定为五朵小红花

美国气象学会政策声明
(2009年7月20日颁布)

人类需要对过去半个世纪中明确记录在册的全球平均温度升高承担大部分责任,这一点已成定论。继续排放温室气体,特别是通过燃烧化石燃料释放二氧化碳,极有可能进一步推动广泛的气候变化,预计将对大部分国家造成严重的负面影响[1]

三种防患于未然的策略可能有助于减少气候变化的风险:第一,减缓,即减少排放;第二, 适应,即通过提高我们的应对能力来减轻气候影响;以及第三,实施地球工程,即慎重地操纵地球系统的物理、化学或生物特质[2]。本政策声明主要涉及对气候系统实施地球工程以限制温室气体排放增加的后果这方面的大规模努力。

地球工程有可能降低温室气体浓度,为减少气候变化的某些影响提供备选方案,或者,在其他办法无法阻止突然的、毁灭性的或其他人类无法承受的气候变化后果时,提供最后不妨一试的解决策略。然而,现有的研究尚无法确定是否存在能够产生显著收益的大规模地球工程方法,或者这些收益是否能够大大超过其造成的损害。的确,必须谨慎看待地球工程,因为操纵地球系统的做法存在激发难以预测的不利后果的巨大风险。

地球工程提议至少可大体分为三类:第一,通过大规模的操作来减少大气中温室气体的含量,如海洋施肥或使用非本地物种造林;第二,通过反射阳光来对地球产生降温作用,如在大气中置入具有反射作用的颗粒,增加地表反射率,或者改变云的数量和特性;第三,旨在减少气候变化或其影响的其他大规模操作,例如,在海洋中修建纵向的管道以增加向下的热传输。

不同的地球工程提议在减少气候变化的影响、产生新的风险和在国家之间重新分配风险方面的潜力差别很大。直接从空气中去除二氧化碳的技术可能会给全球带来益处,但也可能会对局部地区产生不利影响。反射阳光可能会降低地球的平均温度,但也可能改变全球的循环模式,造成潜在的严重后果,如改变风暴的轨迹和降雨规律。就像人类无意间造成的气候变化一样,反射阳光对不同的国家和人民来说造成的后果几乎肯定会有差异,由此将引发法律、道德、外交和国家安全方面的顾虑。

对于地球工程策略的探索也会带来潜在的风险。存在快速而且貌似并不昂贵的地球工程解决办法的可能性也许会分散公众和政策制定者的对于急需采取行动减少温室气体排放和增强社会抵御不可避免的气候影响的注意力。开发包括地球工程在内的任何新能力都需要资源,这可能会导致资源的分流,影响到一些更具成效的资源利用方式。地球工程技术一旦开发出来,可能引发短视、不明智的部署决定,造成难以预见的潜在恶果。

即使在总体上具有合理的效果和益处,地球工程也不可能减轻温室气体排放增加产生的所有严重影响。例如,增加太阳热反射并不能减轻二氧化碳浓度增加导致的直接后果,比如海洋酸化或者生物系统结构和功能的变化。

尽管如此,气候变化的威胁是严重的。迄今为止所采取的减缓措施力度有限,执行得不够坚定,而且不足以将气候变化的速度降低到能够避免潜在严重影响的程度。即使能够大刀阔斧地减少未来的排放,也不能避免过去排放造成的危险的气候变化,因为二氧化碳能够在大气中存在很长时间。而且,仅通过适应手段来应付气候变化的全部影响也不大可能。因此,应该对地球工程可能的益处予以考虑,同时应理解其局限性并避免不妥当的部署,这才是明智的做法。

因此,美国气象学会提出以下建议:

一、 加强对地球工程影响气候系统的科技潜力的研究,包括对各种预期的和超出预期的环境反应进行研究。

二、 协调开展有关地球工程的历史、道德、法律和社会影响的研究,这样的研究应综合国际、跨学科和跨世代的问题和角度,并应包括从过去改造天气和气候的尝试中汲取的教训。

三、 设计和分析可行的政策,以增进探索地球工程备选方案过程中的透明度和国际合作并限制操纵气候系统的鲁莽尝试。

地球工程不能替代大刀阔斧的减缓努力或未雨绸缪的适应措施,但它有可能成为延缓气候变化以及减轻其部分不利影响的综合风险管理战略的一部分。地球工程帮助社会应对气候变化的潜力以及可能导致不利影响的风险都意味着有必要对其进行充分的研究,采取适宜的监管,并且进行透明公开的审议。

〔本声明的有效期持续至2012年7月,除非美国气象学会在此之前颁布新的替代声明。〕

[1]例如,预计产生的影响包括全球变暖、海平面持续上升、降雨强度增加、旱灾更加严重和普遍、热应激事件增多、海洋酸化以及许多生物系统受到干扰。这些影响可能导致沿海地区被淹没、恶劣的天气和生态系统功能丧失及其他严重后果。

[2]这些风险管理策略有时存在重叠,一些具体的行动很难明晰地归类。如果某种地球工程能够提高社会应对气候变化的能力,可被认为是适应手段。与此相似,尽管地质固碳技术需要对地球系统进行操纵,但仍被许多人认为是一种减缓手段。

图片出处:t0m_ka

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