2010年3月4日星期四

科学松鼠会

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怎么让父母玩到暴力游戏,同时让孩子玩不到?

Thu, 04 Mar 2010 15:02:59 +0800

一项研究分析了130个研究报告,涉及超过13万人,证实暴力视频游戏确实让孩子们更好斗、不关心他人。美国爱荷华州立大学教授Craig Anderson表示这可能是他最后一次分析暴力游戏,因为这回的结论很确定。

研究者分析了暴力游戏对青少年行为、思想和情感的影响,接受测评的人年龄从小学生到本科生都有。有趣的是,无论游戏是第一人称还是第三人称,施暴对象是人类还是非人类,都不会造成差别。

年轻人好斗的思想和行为增加,同情心和亲社会行为降低,暴力游戏要负部分责任。无论东方还是西方,男性还是女性,年龄段如何,暴力游戏带来的影响都差不多。暴力游戏会同时增加短期和长期的攻击行为可能性,并且降低人们的亲社会行为。

研究人员中包括来自日本的顶尖视频游戏开发者。

决策者不需要再问"暴力游� �真的会造成严重影响吗?"这个问题已经被回答了1次又1次了。对于家长来说,暴力游戏带来的风险则相对比较容易应付,至少比贫困和遗传结构带来的风险要好对付。 Anderson觉得,现在应该推进到更有建设性的问题,如"怎么能在文化、社会和法律允许的范围内,让父母能容易地玩到暴力视频游戏,而同时让孩子健康地度过童年?"

小编个人感想:

这个问题确实已经被回答了1次又1次,这回连研究人员都说不会再进行更多的分析了,但其实这个问题还是值得继续讨论,目前关于视频游戏与攻击行为的关系依然存在争议。

另外,3月16日,战神3这个被很多人认为极度暴力的游戏就要发售了,小编倒是很期待…

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我们在晚上为什么不渴?

Thu, 04 Mar 2010 12:57:29 +0800

当我们晚上睡觉时,为什么就不怎么喝水呢?然这个问题还可以这么问:为什么我们一晚上基本不怎么上厕所?如果你起夜的次数同白天一样频繁,那说明你该去一趟医院了。

当我们睡觉时的消耗小出汗少肯定是一个原因,但我们白天即使就坐着什么也不干也得喝水,所以肯定还存在其他什么原因。

科学家们早就发现当我们睡觉时,一种叫做血管加压素的激素水平会升高,这种激素能使身体更好保存水分(其实就是让你不怎么小便),但是人们一直不知道其中的机理。最近科学家们在小鼠身上做了一组实验,发现当掌控日夜周期的生物钟神经元(clock neuron)细胞活跃时,水分不容易保存,该神经元不活跃时,水分更容易保存。

但生物钟神经元和夜晚又有什么关系?既然人家是掌控日夜周期的神经元,我们不难联想到,晚上该 ��经元肯定是不活跃的。

小编强烈怀疑这个结论只针对正常人,对广大夜猫子群体,生物钟神经元在晚上恐怕比在白天还活跃吧……人家科学家说了,因为只是在小鼠身上得出的结论,未必能推广到人类这来,大概人家早就充分考虑到咱们无奇不有的人类有多特殊了。

消息来源:科学美国人2月28日报道《自然—神经生物学》论文

图片来自corbis

肖谦 编辑

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近看图灵碗 (8. 我就是上帝) (下)

Thu, 04 Mar 2010 12:09:44 +0800

高德纳近照

上一篇我们讲到,高德纳计划要写一套七卷本的《计算机程序设计艺术》,没想到刚刚写完第三卷,就被ACM授予了图灵奖。这在图灵奖历史上是从没有过的事。我们还记得巴黎会议上的诺尔吧,他的图灵碗比他的获奖成果迟来了整整45年,他等这个碗时间,比高德纳获奖时的岁数还要长。但是,高德纳在获此殊荣之后,再一次令世界大跌眼镜:他宣布从此歇笔了,因为排版工具太差,破坏了这套书的美。

高德纳的这一动作让外界十分震惊,可以想见,他遭到了排山倒海的怀疑。有人说,高德纳肯定是江郎才尽,拿了图灵碗,见好就收;有人说,图灵奖对前三卷的评价过高了,高德纳无力面对这么大的压力,只好找个理由撤退;还有人说,获奖之后停止写作,充分体现了� �写书的目的就是为了功利。他们纷纷质疑,这个图灵碗是彻底发错了人。

然而,如果我们真正翻开TAOCP读一读,就不难理解这是为什么。我觉得,对于算法的研究,可以分成三层境界。第一层是分析算法的复杂度,这是计算机专业的大学生普遍掌握的技能,达到这个境界,可以说是入了算法的门;第二层境界是改进算法的复杂度,在分析之后继续思考,想办法去降低它,这就可以算是懂算法了;第三层境界,就是寻找算法的最优复杂度,不但要改进它,而且要改到什么程度呢?就是要证明出来,我改完的算法就是最优的,你无论如何都不可能再改进了,再改进就违反宇宙规律。

高德纳,就是典型的第三种人。诸位不妨看看,TAOCP里面给出了多少最优算法,高德纳是铁了心,要当算法世界中的上帝。高德纳就是这么一个极致地追求极致的 ��,他强迫自己把每件事都做得不可逾越。那么他怎么能够容忍,这套被他视为毕生事业的书,被糟糕的排版技术束缚?于是,无论别人怎样质疑,他最终还是把写作晾到了一边,开始全力以赴地研究字体和排版。高德纳让我们领略了什么才是真正的个性,个性绝不是打18个耳洞,或在牛仔裤上抠36个窟窿。个性,就是在所有岔路口都追随自己的心,让所有影响你追求梦想的障碍统统跪倒。

高德纳这一歇笔,就是十年。在这不务正业的十年当中,对极致的追求像只看不见的手,推动他创造了三个响亮的成果,其中影响最大的,就是排版系统TEX。如果大家用MS Office Word写过论文,就会体会到那份求死不得的心:不断地调整字号、行距、缩进、分栏,如果这还不算什么,你再写几个数学式子看看?但是在TEX中,这些麻烦几乎完全不存在,你唯一需要做的,就是把你想写的内容告诉它。如果说时间就是生命,那就可以认为,TEX每天都在拯求科学家们的生命,说它推动了科学的发展也不为过。TEX是一场出版界的革命,直到现在仍是全球学术排版的不二规范,它所排出的文字之美,特别是数学式子的美,让人们由衷感叹:啊,一毫米都不能再挪动了。

除了功能上的美之外,TEX作为一个软件产品,也令人叹为观止。它的版本号不是自然数列,也不是年份,而是从3开始,不断地逼近圆周率(3.14,3.141…目前最新版本是3.1415926)。高德纳再一次用行动宣告,我这个东西,不可能再有什么大的改进了,最多只能小修� �补,使其趋近完美。他还专门设立了奖金:谁发现TEX的一个错误,就付他2.56美元,第二个错误5.12美元,第三个10.24美元…以此类推。我们都知道,传说某个国王就因为这种指数游戏失去了江山,高德纳作为算法大师,更清楚指数增长的可怕性。然而他却敢立此重赏,结果直到今天,他也没有为此付出多少钱,可见TEX经过了怎样的千锤百炼。这个耗费十年打造的玩具,让当初质疑图灵奖发错了的人们全部闭嘴了,他们甚至改口说:哦,为了这个TEX,不妨再给高德纳一个图灵碗吧。

第二个成果,就是METAFONT,这是一套用来设计字体的系统。对于它的价值,一句话就能概括:计算机界最懂字体的两个人,一个是苹果的乔布斯,另一个就是高德纳。

第三个成果,就是文学化编程(Literate Programming),它把程序设计的艺术性展示得淋漓尽致。高德纳说,一段好的程序,不仅仅是要清晰易读,而且要能够读出美感,读出意境。天呐,意境,一排一排的计算机代码,要像诗歌一样充满意境。高教授,你疯了?

高德纳说,你才疯了呢,看我给你们露一手。于是,他在C语言的基础上,开发了一套CWEB系统,除了用它写出了TEX程序之外,竟然还用它写了一本叫作《Stanford Graphbase》的书。高德纳微微一笑,我都能用编程语言写书,何况有意境的程序了,我的口号是:程序员也能得普利策奖(这是全球新闻写作领域的最高奖项)。

文学化编程还为高德纳报了一个小仇。我们第6章中讲过的迪科斯彻,当年提出了一个"结构化编程",提倡不要在编程时使用"goto"语句,高德纳偏要唱反调,结果被迪科斯彻称为"没结构"。这下可好,高德纳狡黠一笑,嘿嘿,如果你不跟我混,你就是"没文化"咯(literate也有"文化"之意)。

歇笔十年的高德纳,手捧这三项成果重出江湖,打消了一切质疑。这时他才对十年前的歇笔事件做了一个轻描淡写的解释:一个人要想把事情做得漂亮,就必须要跟上帝保持和谐,现在,上帝终于让我去写四卷了。

他的笔,又拿了起来。在写作第四卷的过程中,为了帮助读者打好 ��学基础,以便面对TAOCP中的数学高峰,他又专门撰写了一本《Concrete Mathematics》。这本书有中文版 ,翻译为《具体数学》,我一直觉得稍有不妥。Concrete到底是什么意思呢,高德纳说,意思就是我不教那些软绵绵的数学,我要教的是扔到地上能砸个响儿的数学。据说,他在课堂上说完这番话,有好几个同学扭头走出了教室──他们是土木工程系的学生,还以为高德纳是讲混凝土的呢(Concrete在土木领域意为"混凝土")。说到高德纳的教学,还有个趣闻,他批改作业的时候只抽查第314页,就能判断出这份作业的质量。为此,我们这本书的第314页用来向高德纳致敬。

1992年,高德纳为了专心写作,宣布提前退休,并停用电子邮箱。高德纳一共带了28位博士生,他觉得28这个数字很好,于是便宣布不再收学生了。尽管如此,他仍然为想要师从于他的人们留下了一个盼头:他开了一门叫做Computer Musing的公开课,每次会提出一个问题,如果谁能快速解出来,高德纳就会为他的博士论文签名。不知道哪位后起之秀能够获得如此殊荣呢,我们拭目以待吧。

2008年,在TAOCP的前三卷面市30年之后,第四卷终于千呼万唤始出来,而高德纳,却已是白发苍苍的古稀老人了。一句话,一辈子,一生情,一杯酒,他对计算机科学的热爱,使他为这套丛书耗费了一生的心血。在这一章的最后,我想用一个词,来形容这位天才的计算机科学大师,但是思前想后,我只能想到唯一的一个词:God。

我想,尽管高德纳是一位虔诚的基督徒(他还专门写过关于圣经研究的书),但他一定会欣然接受这样的形容。正如当年Linux的作者Linus说:上帝在梦中告诉我,我做出了最优秀的操作系统。

高德纳回答说:我可没这么说过。

(\end{第八章})

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[科学女士]李宝会:高分子电脑游戏怎么玩?

Thu, 04 Mar 2010 10:52:58 +0800

【印象】

如果有些人一辈子都会像少女一般的腼腆,她就是我面前这个一开口就会微笑的女人。话说回来,这就是小庄念念不忘的"高分子人"的骄傲吧…… 番外广告:科学的逃兵可以在科学松鼠会重温往日美好回忆 & 科学松鼠会招募进行中!——松鼠会办公室实习生淳子

李宝会:高分子电脑游戏怎么玩?

文/小庄    协助采访/淳子

在把李宝会称为一位"高分子人"之前,还是有必要来和大家说一下什么是"高分子",一个听起来很高端的术语,但其实,它所涵盖的内容每天甚至每时每刻都出现在你我的生活里——最常见就是那些塑料、橡胶、纤维。我相信,大街上许多人穿的H&M基本上是化纤,许多人在用的Apple产品也都离不开塑料,更不要说手机、饰品、各种各样的包装盒、器皿……如果有一架功能较强的放大仪器,把以上物品所使用材料拿到下面去透视一番,就会发现搭建它们的基本单元是有着简单重复链段的大分子——分子量在1万以上,此即高分子。

近一个世纪以来,高分子材料工业飞速发展,各国科研界也逐步建立了关于高分子物理与高分子化学的学科研究,特别是最近这些年,具有特殊功能的生物医用高分子、光电磁功能高分子、高分子分离膜等 ��材料不断涌现。与此同时,高分子物理的基础理论也得到了较快的发展。正是在这一背景下,2001年,参加完一个上海交大组织的学术交流会归来,南开大学物理系教授李宝会放弃了原来的研究方向,转而做起了高分子物理。在更高的层次上,高分子被归类于软物质。

"做这改变挺难的,因为确实是完全不同的领域,但考虑到原先的方向有点窄,还是下定了决心。"如此选择不可不说相当明智,在恩师丁大同教授的鼓励和支持之下,她在接下来数年中综合运用"软凝聚态物理方法"以及"分子模拟技术"阐明了典型软物质—嵌段共聚物自组装材料的微观形态结构及其演化规律,为可控制备新型纳米器件、纳米反应器等提供了有力的理论依据,并对"软物质体系"中的一些基本问题进行了探讨,在国际刊物发表SCI论文50余篇,得到国际同行 ��高度评价。

1月26日,在"青年女科学家奖"颁奖现场见到这位成绩斐然的女教授时,我们惊讶于她的柔弱外表和好似女大学生一般的腼腆,但展开交谈即发现外表仍很年轻的她有着经过历练而来的亲切与耐心。后来的采访中,她娓娓将自己从外界眼中看来颇显高深的工作为我们做了一番深入浅出的解释,听起来也是十分好玩——犹如一款电脑游戏,只不过,角色设定为一条条链状聚合物。

3年多前,明尼苏达大学教授、同时也是高分子领域内重量级期刊Macromolecules的主编Timothy Lodge领导的研究团队所做一项工作引起了李宝会等人的注意,Lodge组通过实验对一种星形三嵌段聚合物在稀溶液中形成的胶束进行了研究,发现它们会自组装形成大量有趣的形态,有的是有横向结构的囊泡,有的是碗状的半囊泡,还有的呈现为多边形的片层,甚至有的长得如同节虫,有的如同汉堡,有的如同树莓,这个小组不仅对这些形态进行了详尽的总结,并就此展开了理论方面的探讨。"因为这个体系和我们当时在做的蛮接近,只不过我们的还只是两嵌段,所以受到了启发,想到也去组建一个三嵌段的模型来进行计算机模拟,看看会出现什么样的结果。"于是李宝会和同事、学生们一起就这个想法提炼出了一些建模的元素,继而编程测试,调整参数,确立了这个课题——对杂臂星形三嵌段聚合物在溶液中的自组装行为进行了模拟研究。

� 型聚合物由一条"亲溶剂"嵌段和两条"斥溶剂"嵌段所组成,不同嵌段之间互不相容。这就决定了在不同嵌段之间以及嵌段和"溶剂"的作用过程中,会因为"亲"和"斥"两股力量之间的缠斗,而出现复杂的表现形式。由于是计算机模拟,和实际合成还是有很大不同,比如为了避免将运算变得过度繁复,模型中不使用真实的单体,而只选择一些具有代表性的链节,"这是一种粗粒化的处理,每个链节对应于多个单体的组合。"实验中每种嵌段可以有不同的化学成份,还可以有不同的溶剂,模型中就表现为嵌段之间、或嵌段和周围环境的不同相互作用,大约在2008年初,他们看到了第一个"胶束","过程还是比较顺利的,也没有过度惊喜,因为基本上也猜想到了就会是这样。"

这个工作最终发表在2009年5月的《美国化学会志》(the Journal of the American Chemical Society),文章中预言了大量形态各异的胶束,除了Lodge组已经观察到的那些,还有一些实验中没有报道过的。他们还发现了一些规律:胶束形态在很大程度上由"亲溶剂"嵌段所占比例所控制,胶束内部的结构则和两条"斥溶剂"嵌段的长度之比有关。李宝会希望自己的工作可以找出一些好的体系,以及预测一些更有趣的胶束,启发做实验的人去观测,去实现。这项工作是非常有意义的,如纳米级囊泡状胶束目前被认为有极其广阔的应用前景,它具有中空结构,如果能在其中置入药物,就有望成为很好的"药囊"机器人,此外,许多科学家也看好它作为纳米反应器的可能。

而她接下去的一项工作也相当有意思,设想是模拟一些带电高分子,"我们把静电的作用考虑进来,这样就会非常接近生物大分子体系。" 高分子链单元上有些离子基团在诸如水之类的极性溶剂中被解离,释放出反离子并使高分子链带电,比如说带正电荷的基团脱落下来,那么剩下的长链就带上了负电,这叫做"聚电解质"。大多数生物大分子都是聚电解质。由于相同电荷之间会互相排斥,相异电荷之间会互相吸引,于是一定能观察到不同的聚集形态。其实"聚电解质"方面的工作一直以来都有人做,应该说这个体系此前已经受到了很大关注,但"大家各做各的,没有统一起来",即使对聚电解质单链体系,也还没有一个系统性的理论来描述。多链的则更加复杂,目前尚没有统一的理论描述。,这种群雄逐鹿的局面让李宝会跃跃欲试。

每年要招收1~2名博士生,一个人支撑一个偌大的实验室,繁忙工作之余,李宝会还要照顾12岁的可爱女儿,对于这样一位"物理学家妈妈",小� �孩是怎么看待的呢?"她倒没有显出多么敬佩我,虽然有时候来到我办公室,也表现出一点点好奇。我们是做计算机模拟的,也就是对着一台电脑,现在的孩子啊,早就开始用电脑了,觉得这算什么嘛!"

Q:您对女性美怎么看?

A:美不仅是外在的天赋的美,还是内在的气质。

Q:这次入围中国青年女科学家奖想感谢谁?

A:想感谢的人很多,一路成长来的老师尤其是研究生导师,丁大同教授,还有张光寅教授,他们教会了我如何敬业、如何奉献。

Q:过去一年里你的领域内最令人激动和兴奋的进展是什么?

A:过去一年这个领域内有许多令人激动和兴奋的进展,如与DNA相关的自组装以及模仿生物体系的复杂多极自组装等。和我的研究最相关的是利用嵌段共聚物自组装的形态结构实现纳米尺度刻蚀。

Q:从你的领域� �发,幻想中的未来是怎样呢?

A:能用计算机模拟更复杂和更接近真实的微观世界,为更多新材料的设计和制备提供系统的理论预测;人类有一天或许能够通过分子模拟再现生命的复杂自组装过程,从而揭示生命的奥秘,促进医学的发展。

【李宝会简历】

南开大学李宝会教授1984年考入南开大学物理系固体物理专业,后攻读物理系凝聚态物理专业硕士、博士研究生,于1994年留校任教。自2001年至今,李宝会任南开大学物理科学学院物理系凝聚态物理教研室主任,先后获得国家自然科学基金、教育部高等学校骨干教师资助项目、教育部新世纪优秀人才支持计划和国家杰出青年科学基金的资助。

【松鼠办公室实习生淳子小姐对李宝会的印象】

西装衬得人很娇小、格子衬衫、羞涩、朴实、安静、温婉地笑、近处聊天时注意到很特别的项链闪闪发光、在谈到自己领域的时候显得很高兴、但不是一个天生侃侃而谈的talker。显然,她是一个实干者。喜欢侍弄些花花草草。做家务活的时候,心里面也在想着科学的问题。她坦承第一次出席这样的媒体发布会有些不习惯,但也� �为这样推广科学的方式未尝不可一试。经历了数次电话邀约以及此次诚恳的面谈,这个骨子里其实执拗的女人终于答应接受我们的采访。

【背景链接】

"中国青年女科学家奖"由中华全国妇女联合会、中国科学技术协会、中国联合国教科文组织全国委员会、欧莱雅(中国)有限公司共同设立,旨在表彰奖励在科学领域取得重大和创新性科技成果的女性青年科技工作者,激励广大女性青年科技工作者为建设创新型国家、构建社会主义和谐社会贡献力量,鼓励引导更多的女性从事自然科学工作。该奖每年评选一次,从今年起获奖者年龄不超过45周岁,名额不超过6名,其中至少1名为在西部地区工作的女性科技工作者。

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抢稿小红猪

Thu, 04 Mar 2010 06:33:00 +0800

RedPig-shadow

请继续关注小红花制度!新年还没过,来看看《人们是如何行动的》,嗯,内容远比题目有趣嘛!

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)

图片有点怕人的《关于睡眠的二三事》;以及,关于人类大脑问题的《读取心智》。

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[小红猪]人们是如何行动的?

Thu, 04 Mar 2010 02:17:06 +0800

原文 Sonia,缪瑾   校对:桔子  小红花等级:3.5

对于人体构造这一问题的研究已历时数个世纪,然而到目前为止仍有为数不少尚未解开之谜。Roland Ennos说,想要揭开这些未解之谜的神秘面纱,关键在于是否问对了问题,并能觉察到那些常规答案背后的东西。

看完这一段后,请放下你手中的杂志,四处走动一下。首先,像平常那样行走,手臂自然地挥动就行。接着,试着在行走的时候把手臂固定不动。最后,同手同脚地行走,手和脚同时往前或是朝后,犹如钟摆摇动那样。不用理会过路人会向你投来怎样异样的眼光,毕竟,你是为了探索运动力学才这么做的。

如果你进行了上面这个小小的实验的话,你可能会发现,按照第二种和第三种方式去行走会非常困难。为什么呢?正如生物力学中的许多重要问题的答案那样,这一问题的答案也远比你想象中的复杂得多。大多数生物物理学的研究往往着眼于如何借助物理学家的参与,来推动生物学家们对细胞运动的理解(详见2009年7月《物理世界》特刊)。从许多方面来看,这也并不足为奇。探究微观及纳米层面上微粒的运动形式时,� 湛的生物物理学技术常常是必不可少的,一些代谢过程甚至可能受到量子效应的影响。

较这些微观层面上的东西而言,人们可能自认为已经对各个器官以及整个生物有机体,尤其是人体,是如何行动的这一问题有了全然的了解。毕竟在宏观层面上的运动和力,相对而言还是比较容易直接进行测量的,它们符合的是经典物理学的规律。而且,人体解剖已有成百上千年的历史,并一直沿用至今,而广受关注的人类基因组测序项目不过只有十年的历史。然而使人感到惊奇的是,生物力学研究——这个汇聚了生物学和物理学专家们的领域——不断揭示出有关我们自身的许多秘密,填补了迄今为止我们甚至不曾料想到的一些问题的空白。

想要了解我们的身体究竟是怎样行动的,关键在于转变我们的思路:要用新的眼光来看待这个世界,敢于提出� 解答新出现的奇怪问题。例如,我们在行走的时候,手臂为什么是一前一后挥舞着的呢?我们的牙齿上表面又为什么是锯齿状的?我们为什么要咀嚼食物呢?指甲断裂时,为何不是纵向的?我们又为什么会有指纹?这些只是生物力学研究人员近年来提出的一系列问题中的一部分。这些问题的答案看似显而易见,甚至无足轻重,但进一步深入的思考并加以实验验证后显示,我们的世界要远比我们之前以为的精彩得多。

 

我们为何要挥舞手臂?

行走的基本过程已被公众所了解。每走一步,我们都会以那条相对固定的直立腿为支点,另一条腿向前跨出一步,整个行走过程犹如钟摆摇晃那样,身体亦跟着上下移动。行走所需的能量被减到最低,因为在行走的过程中,不断进行着动能和重力势能的转化:开始迈开一步的时候,身体先往上提升,此时脚步减速,完成了前半步,而后,身体又下沉,此时脚步加速,一步才算完整地完成了。在脚步与地面发生碰擦的时候,有一小部分能量不可避免地会以热量以及声音的形式流失,但基本上说来,我们还是可以确保行走过程的连续进行,只需要脚稍稍推离地面,行走就可以自如地进行。

关手臂什么事呢?如此看来,挥动手臂不是白白地消耗能量吗?美国密歇根大学医用工程力学系的Steven Collins和他的同事曾提出了这个问题(就在离今不久的2009年)。他们轻而易举地提出了两种假设。一种假设是这样的,手臂的挥舞有助于减少行走过程中人体重心垂直方向的移动,进而减小脚尖处的动力作用。另一种假设是,手臂的挥动可以帮助抑制腿部的惯性作用,以防身体在垂直轴方向上产生力矩。

要想检验上述两种假设的准确性,就要用到我在本文开头部分提出的那三种行走方式:手臂自然地挥动;手臂保持固定不动,阻止其前后摆动;同手同脚地行走。Collins团队的研究人员对十个对象的行走过程进行了拍摄,并同时测算了每一种行走方式的耗氧量,还有为此特别设计的,安装在地板下方的三维测力板系统(force plates)则可用来测量在脚尖处产生的动力作用。这套系统通过使用电子变形测量器来测量各个维度下产生的瞬间作用力,并能捕捉到身体在垂直轴方向上发生偏转的时刻。

三维测力板

对耗氧量的测试结果显示,行走时不挥动手臂要比正常行走自然地挥动手臂多消耗10%的能量,而同手同脚地行走则要多消耗26%的能量。下一步轮到解释其中的原因了。对行走过程的拍摄没有显示出三种行走方式下身体和腿部运动的任何差异,但测力板记录的数据则显示,当三种行走方式中受力一致时,不挥动手臂行走时在身体惯性轴方向上产生的力矩是正常行走时的两倍大,而同手同脚行走则将产生三倍大的力矩。因此很明显,走路时挥动手臂可以降低产生的力矩,并可抵消腿部的惯性作用力,从而减少行走过程中消耗的能量和膝盖处受到的扭转力。

 

我们的牙齿上表面为何崎岖不平?

关于吃东西过程中的力学原理,则是另一个需要我们转变思维的领域,问对问题显然有助于我们做到这一点。人们经常会说起锋利的门牙、伤人的虎牙以及那麻烦的臼齿。但这些说法都很模糊,我们也无从获知牙齿的形状和它们所能分解的食物种类之间究竟有何关系。要想对牙齿有更深入的了解,就要象乔治华盛顿大学人类学系的Peter Lucas在他的著作《牙齿功能形态学》(Dental Function Morphology)(2004,剑桥大学出版社)中陈述的那样,我们绝对有必要对不同食物的力学构造和断裂机制有一定的了解。例如,门牙比较适合分解肉类和蔬菜类那样柔软而韧性十足的食物,但骨头或者坚果类的东西则会使门牙变钝,而这类硬而易碎的食物比较容易由臼齿来分解,它们先受到臼齿的挤压而变弯,而后突然断裂。还有一些坚硬并且韧性良好的生物材料,比方说木材,就不太可能由牙齿进行分解,事实上,大多数动物也很少把它们当作食物。

这些解释听上去似乎很有道理,可为什么大多数切割牙齿,包括我们自己的前臼齿在内,上表面是锯齿形的呢?这里又可以提出两种假设。凹凸的表面或许有利于衔住食物,或者防止食物在遭到牙齿切割后被压平,也有可能是这种结构便于牙齿将食物进行斜向切片。这两种假设所产生的效果都是为� �减少切割食物所需的能量。

为了检验上述两种假设,英国布里斯托大学地球科学系的古生物学家Philip Anderson以鲑鱼和芦笋这两种食物为对象进行了试验。他拿来两把锋利的刀具,以四种不同的方式对容易变形的鲑鱼和相对而言不易变形的芦笋进行切割,并测量了切割这两种食物所需的能量(如图)。在第一种方式中,两把刀的刀刃相互平行;在第二种方式中,位于上方的那把刀倾斜成与地面成30度角,以便于对食物进行斜向切割。在第三种方式中,两把刀仍然互相平行,但此时食物不会被切扁,因为这时,食物两边被两把刀之间两片直立刀背固定住了。第四种方式则是把上面的那把刀截断码成倒V形,这样就既能斜向切割,也能垂直切割。

四种切割食物的方式

图 牙齿的四种切割食物的方式

第一种 第二种

 第三种 第四种

通过上述试验,Anderson发现,用倒V形切口的刀切割两种食物中的任一种,都会大大地降低切割所需的能量。对于鲑鱼而言,部分原因是这种切割方式避免鲑鱼的变形:第三种固定住食物的切割法同斜向放刀一样节省切割能量。而对于芦笋而言,斜向切割降低的能量与用倒V形切口的刀进行切割效果是一样的,这也进一步说明了只要在切割过程中有一个倾斜面,就足以降低所需的能量。下次当你面对美味的鲑鱼和芦笋时,可以事先琢磨一下究竟是臼齿还是门牙比较善于处理这些食物。

我们为何要咀嚼食物?

那么我们吞咽之前又为什么要把食物碾细剁碎呢?大多数教科书是这样解释的,这么做是为了增加食物的表面积,从而加速消化过程的进行。同时,剁碎的食物也便于人体的吞咽而不至于造成食物在食管口的堵塞。但这种说法却在20世纪90年代中期遭到了质疑,当时供职于香港大学解剖系的Jon Prinz和Lucas就对前面的这种说法提出了挑战。他们指出,哺乳动物在吞咽时,食物一路径直到了胃里,如果食物的碎颗粒没能沿正确的路径进入人体的话,那么很有可能会有窒息的危险。因此,他们认为,咀嚼的过程就是在舌头的帮助下,在嘴巴上方将食物碾压成一小块一小块的,即我们平时所吃的丸子类的形状物,此时食物就可以被安全地吞咽下去了。

为了验证这种新的观点,Jon Prinz和Lucas召集了一些志愿者,并让他们吃下切成丁的胡萝卜以及果仁,并记录下这些志愿者在吞咽下两种食物之前咀嚼的次数。随即,他们又通过测算为分解更小的食物颗粒所需的粘稠力,来模拟经过不同的咀嚼次数之后食物碎末之间的黏着力。他们发现,对于胡萝卜和果仁这两种食物而言,起初随着咀嚼次数的增加,食物丸内部的黏着力变大,这是由于越小的食物颗粒往往具有更大的表面积,这意味着正是由于逐渐增大的黏着力的作用,才使得食物丸的小颗粒之间的相互作用更为紧密。然而随着咀嚼次数的继续增加,更多的唾液进入了这些食物丸中,最终加大了这些小颗粒之间的距离,进而削弱了彼此之间的黏着作用,直至最终破坏食物丸内部的黏着力。如果这些志愿者是在不受那些爱刨根问底的研究人员的干扰下,象平常一样咀嚼食物的话 ��很多人很可能就在食物丸黏着作用最强的时候,就一口气吞下去了,也许这将给Prinz和Lucas的理论以更有力的支持。

我们的指甲断裂时为何不是纵向的?

问对问题确实是一种重要的研究方法,这一点也在我位于英国曼彻斯特大学的研究中得到了印证,类似地,用这种研究方法同样可以使我们对于指甲构型的理解发生革命性的转变。我们所有的人要么曾经咬过指甲,要么有过指甲发生断裂的经历,然而指甲却几乎从不会纵向朝着肉里的方向断裂,相反,指甲横向折断,然后自己就掉下来了。这是为什么呢?十年前当我第一次提出这一问题的时候,这似乎完全是一个全新的事物,然而今天在这里,当我再一次说起这个问题时,它已是一个人人都曾经历过的普遍现象,只不过还没有人对此进行过深入的研究。

我把这个问题抛给了一群生物系二年级的本科生,他们很快给出了答案。事实上,指甲中央大部位的角蛋白纤维,是与指甲基部那块半月形平行排列的,因此原本指向指甲基部的� 裂则会沿着偏向指甲边缘方向发生偏斜。为了弄清楚沿着不同的方向剪指甲各需要消耗多少能量,我们随后又进行了一系列试验。在这些实验中,所用到的剪刀和指甲刀被连接在一台多用机械测量仪上,实验结果显示,正对着指甲基部半月形向下剪所花费的能量,是剪侧面所需能量的两倍多。

然而,如果指甲仅由与半月板弧线平行的纤维组成的话,那么指甲就会经常发生断裂。为了防止这种情况发生,指甲上下还有一些薄层,这些薄层上的纤维是沿着各个不同的方向排列着的。这些沿指甲边缘处包裹着的薄层纤维,赋予了指甲一定的曲张力,这在一定程度上起到了第一时间保护指甲免受断裂的作用。指甲的这一三明治式的精巧构造只有一处结构上的缺陷:由于最外层的边缘没有纤维层,因此在最外层处发生的断裂可以沿着各个方向进行。这 ��是为什么最外侧的指甲容易纵向劈开,导致指甲边缘处流血,并常伴有疼痛。

我们为何会有指纹?

现在来谈一谈手指的另一面。众所周知,每个人的指纹各不相同,这一特性在犯罪侦察时显得非常管用。还有一点目前也已取得了长久的共识,至少在编写医学教科书的作者中已获得了普遍的认同,那就是指纹有助于我们抓紧物体,它增大了手指与物体间的摩擦系数。

然而,研究相对运动中相互作用表面的科学——摩擦学却告诉我们,粗糙的接触面并不会增加如橡胶、皮肤这种柔软材质的物体的摩擦力。这是因为,橡胶类材料的物体与接触面之间产生的摩擦力的大小,并非象硬质材料的物体那样,取决于接触面的粗糙程度。相反,这些柔软的材质易于变形,成为某种不规则的形状,因此,橡胶与其他材料的物体之间发生的摩擦作用,是由于两者分子之间近距离的相互吸引或是范德华作用力而产生的。这意味着对于这些柔软材质� 物体而言,摩擦力的大小是与接触面的大小成正比的,而不是与接触面上受到的法向力成正比,这一点与硬质材料的物体不同。(译者注:在经典物理学中,摩擦力的大小等于接触面的摩擦系数与物体对接触面施加的作用力的乘积。)

为了验证手指与其他物体接触时是否如橡胶那样,我们的研究人员运用了控制变量的方法,通过分别改变物体在接触面上的受力,以及接触面面积的大小,来测定指尖与丙烯酸质的玻璃纸之间摩擦力的大小。在此过程中,手指握住玻璃纸时,与玻璃纸平面所成角度各不相同,由此产生的摩擦力大小也不尽相同。我们发现,摩擦力的大小随着接触面面积的增大而增大,这表明手指的确如橡胶那样,摩擦力的大小取决于接触面面积的大小。而指纹的存在实际上是减小了接触面的面积,显然也将减小摩擦力咯。

� 我们为什么还要有指纹呢?目前我们正对好几种假设进行了验证。结果可能是这样的,即指纹确实可以增加手指与粗糙表面的摩擦作用,但不能增加其与如玻璃那样光滑表面的摩擦力。更有趣的是,指纹会象轮胎的胎面那样,自行赶走上面的水滴以增大在潮湿环境下与地面的摩擦力。此外,指纹还增加了皮肤组织的柔韧性,因而有助于预防皮肤上起水泡。

起初的一些实验已表明,手指与接触面之间的摩擦力实际上是随着接触面粗糙程度的增加而减小的。这不由使人对第一种假设产生了怀疑,当然,手指越光滑,产生的摩擦作用可能会更小。比利时鲁汶天主教大学从事人体医学研究工作的Thibault Andre也对这一问题进行了研究,其研究结果显示,适当的皮肤润泽度是最有利于手指紧握住物体的,这说明去除手指上的水分确实可以增大摩擦力。然而,手上没有指纹的地方往往更容易起水泡,这又说明指纹的抗水泡功效也很重要。也许只有经过一定的时间以及从事更多的试验研究,才能帮助我们了解更多的真相。

更多奇怪的问题

以上这些实例很清楚地告戒了那些从事物理学和生物学跨学科研究的科学家们,对于我们人类自身,尚有很多值得进行深入挖掘的东西。我们也有必要从其他生物体中汲取一些知识:壁虎是怎样爬上墙的?蛇是如何在地面上滑动的?我们还在收集这些问题的更多相关信息。人们正在对这些动物进行广泛的研究,有很大一部分原因在于我们可以利用这些研究成果,进行更多仿生学应用。例如,我们可以制作无需粘胶的"壁虎胶带",还有可自由滑行的人工关节。自从人们模仿钩住动物的种子发明了尼龙搭扣,仿生学的研究领域还在不断拓宽,并已从自然界中汲取了不少新的灵感。

当然,进行仿生学应用也并非开展此类研究的唯一原因:在研究过程中获得的纯粹的快乐享受,亦是一种巨大的收获。与物理学中的其他领域不同,这类� 究无需昂贵的花销,也无需高深的数学功底。事实上,任何思想足够开明的物理学家都可以进行此类研究。只要你有那么一点好奇心,一些独创性,并敢于提出一堆奇怪的问题,就足矣。

作者Roland Ennos是英国曼彻斯特大学生命科学院生物力学教授

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