中国花360亿建造大型对撞机,到底值不值?

本文为2019年3月23日“我是科学家”年度盛典——科学与你,探寻万物的联结 | 王贻芳 演讲实录:

大型对撞机到底该不该建?“我们愿意把20年所有人的钱集中在一个装置上,所以产生的效益比分成100个研究要高。”大型对撞机是物理学家需要的科学装置,也是通往“理解世界和宇宙的规律”这一人类终极问题的途径。中国科学院院士,中国科学院高能物理研究所所长王贻芳院士为大家带来演讲《为什么我们需要一个大型对撞机?》

我是王贻芳,来自中科院高能物理研究所。我研究的领域叫粒子物理,也叫高能物理。

过去讲故事,开头会讲:很久很久以前,盘古开天地。

当人类文明成长到一定程度,我们就会问:宇宙是什么样的?物质是什么样的?

2000多年前,希腊人就开始思考这些问题了。对于空间,对于物质,他们有很多想法——虽然,这些想法可能跟现在的科学理解不太一样,但事实上,2000多年前他们能提出这些思想,是非常了不起的,表示当时他们的文明达到了非常高的程度。

中国也有,几乎和希腊同时,我们的老子、庄子、左丘明都对宇宙、物质提出了很多思考。

但是,真正的科学,实际上是从300多年前开始:从原子论、分子论,一直到元素周期表,到原子核、夸克。原子核跟夸克是上一个世纪提出的,大约有将近一百年的历史。

我们整个的科学发展,从原子到原子核到核子到夸克,每一个层次实际上都带来了丰富的科学知识、科学成果。

在过去的300多年,我们的科学研究发展,跟我们对物质世界“最本质的研究”相关联。如果没有这样的追求,大概科学也不会发展到这样的程度。事实上,从50年代以来,大约1/3的诺贝尔物理学奖颁给了粒子物理的研究。

我们怎么做物质最本原的结构的研究?

大家可能都用过显微镜,最早我们用眼睛看,用的是光波;但是如果想看的东西比光的波长还要小,就看不到。怎么办?我们用电子显微镜,因为电子的波长比光子要小得多。再小一点怎么办?我们需要用加速器把电子或质子的能量加速到很高的程度。能量越高,能看到的物质的结构越小。

所以研究高能物理或者说粒子物理,到最后就是想尽一切办法,把探针,也就是我们的电子或者质子,加速到非常非常高的能量。

在过去的几十年中,粒子物理有了非常成功的发展。上面这张照片,红线的轮廓是欧洲核子中心的大型强子对撞机(LHC)27公里周长的加速器。

LHC地下实际上是一个隧道,隧道中有两个对撞点。中间这张图所示的是一个大型探测器,也就是“眼睛”。把质子加速到非常高的能量,让它跟另外一个质子对撞,就可以用谱仪看到质子内部的结构。

经过几十年的研究,最终我们对整个物质世界有了非常清晰的了解。就像元素周期表有一百多个元素一样,物质的最深层次,有16种基本的粒子。其中,有6个是夸克(Quarks),有6个是轻子(Leptons);除此之外,还有右边这4个相互作用粒子(Forces)。

这里面,有些粒子跟我们的日常生活密切相关,比如说,传递电磁相互作用的就是光子;我们每天的日常生活都跟电子打交道。其实,这16种基本粒子之外,还有一个非常奇怪的粒子,就是最中间的希格斯玻色子(Higgs粒子,后用英文表示),它给了所有粒子质量。

我们描述基本粒子相互作用的方程式,有一个基本的要求:所有的这些粒子必须是没有质量的。但这显然跟实验事实相违背,因为我们知道电子、夸克、相互作用粒子等等都是有质量的。

那怎么办?

有一个很奇怪的理论:粒子本来是没有质量的,但跟充满宇宙空间的Higgs粒子发生相互作用以后,后天获得了质量。这就是整个基本粒子的“标准模型(SM)”。我们现在都是在这个框架下做研究,来探究物质最本原的结构和知识。

Higgs粒子是一种非常奇怪的粒子。上世纪60年代被提出来时,其实很多人不相信,但最终,科学家们在2012年欧洲核子研究中心(CERN)的加速器和探测器里看到了这个粒子。发现Higgs粒子机制的科学家彼得·希格斯(Peter Higgs)先生,获得了2013年的诺贝尔物理学奖。

看起来,粒子物理标准模型好像是完整了,但事实上还有很多问题。比如说,Higgs粒子给了其它16种粒子质量,但它自己的质量哪来的?

Higgs粒子的质量是125个GeV(eV是电子伏特,1GeV=109eV)。按照现在的标准模型计算,它是由两个大数减出来的,且这两个大数必须精确到1034——世界上怎么会有这么巧的事情?所以这是一个非常不自然的理论,是粒子物理标准模型一个最大的问题。

要解决这个“自然性”的问题,就需要有新的物理,必须出现在1到10的TeV之间。

粒子物理标准模型还有一个问题,如右边这张图所示,横坐标是Higgs粒子质量,纵坐标是顶夸克(即Top夸克,六种夸克中最重的一种)质量。把这两者的质量画在一张图上以后,我们的实验测量发现真空处在一个不稳定的状态:上面不稳定,下面稳定,中间是亚稳态——

很难想象,在不稳定的状态下,我们的宇宙会经历138亿年到现在。所以这个理论显然有问题,我们认为:它绝对不是一个终极理论。

还有很多其他的问题,比如中微子,包括暗物质、反物质等,都没有办法在标准模型的框架当中很好、很清楚、很正确地描述出来。

所以这些问题告诉我们,我们需要向下一步去走,要搞清楚粒子物理标准模型存在的问题,并最终解决这些问题。这些问题都跟Higgs粒子非常有关,所以我们需要建一个Higgs粒子工厂,大量地产生Higgs粒子;来精确地研究Higgs粒子的性质,搞清楚粒子物理标准模型背后的问题,从而寻找一个比现有的标准模型更深一个层次的问题的答案,比如,电子是不是真的还有一个更深层次的结构?

这个加速器我们把它叫做“环形正负电子对撞机(CEPC,后用英文表示)”,它的周长有100公里。

为什么我们做这样一个东西?为什么需要这100公里?

在欧洲核子研究中心,Higgs粒子已经被看见了,我们可以做Higgs粒子性质的研究。但问题在于,看左边这张图,现在的大型强子对撞机,研究Higgs粒子的性质只能到大约10%的精度(图中灰色部分)。10%,在新物理的能标相当于1个TeV左右。如果能够提高精度到10倍,就可以把能标提高到10个TeV,就能解决刚才提到的自然性的问题。

所以我们需要一台能产生足够量Higgs粒子的新机器,使测量能够达到1%的精度,从而摸到上限、把新物理给找出来。同时这个加速器会是世界上能量最高、通量最大的同步辐射光源,所以它的用处非常广泛。

高能物理还有很多作用。它可以帮助我们探寻世界的本质;同时也可以作为同步辐射光源和其他的一些设备。我们研制的乳腺PET(正电子发射计算机断层显像,是核医学领域比较先进的临床检查影像技术)、PET和辐照加速器(产生的高能电子束照射可使一些物质产生物理、化学和生物学效应,从而能有效地杀灭病菌、病毒和害虫),都会有非常多的贡献,造福人类。

回过头来,一个100公里的加速器,它具体有什么用处?

它牵涉的专业领域大约有二、三十个门类:它需要世界上最高精度的机械、最高程度的真空、最好的电子、最快的自动控制系统。这些最后都会使得我们国家,或者说工业和硬科技的能力更上一层楼,真正做到国际领先。

一个科学上领先的装置,它在技术上一定是领先的。所以,把这个装置造出来,就会使我们的技术走到国际最前沿。事实上,我们国内的加速器目前规模还比较小,现在还有一些技术空白,科学和技术都还没有达到世界最领先的程度。

如果要做世界上最领先的加速器,那这些空白都会被填补,比如超导高频腔微波功率源、低温制冷、抗辐照集成电路芯片、超导磁铁等等。同时,大规模的建设也会使我们的企业不光能完成对我们自己的设备供应,还可以占领国际市场。除此之外,它还可以引领关键技术的突破。我们现在正在做的一件事情,就是希望把现在实验室里最多做到指甲盖大小的高温超导材料,做成几千公里、几万公里的高温超导导线。

目前,在科技部(中华人民共和国科技部)、基金委(国家自然科学基金委员会)、科学院(中国科学院)、北京市各方面支持下,我们正在做这些关键技术的预研。我们相信,经过5年、10年的研究——高温超导可能需要20年的研究——我们会把现在实验室的这些技术推广到大型的科学装置上去,然后通过大型科学装置的引领,把它推向社会的方方面面。

我们相信,这样一个装置对中国科学发展是一个重大的机遇。

首先,它有重大的科学意义,刚才已经说过了。

其次,它能改善我们的国际环境,能使中国跟国际上有更好的交流,让中国的国际形象更加高大、对人类的文明有更大的贡献。

同时,根据国际上大量的研究,这样一个大型加速器,一般来说投入产出比大概在1:3左右,是完全值得的。

最后,做这个大科学装置,我们有体制上的优势。我们相信它作为一个国家的科学技术研究中心,对地方的社会经济发展、人才引进和培养国际化的体制建设等等,都会有非常重要的作用。

对我们来说,窗口时间应该是10年:按照现在非常激进的计划,2022年开始建设,2030年完成。我们的竞争对手欧洲核子研究中心,在今年的1月15号公布了他们的计划,几乎跟我们完全一样:2030年开始建设,2040年建成。这就是我们目前面临的一个国际形势:我们有没有可能、有没有胆量参与国际最前沿的科学和技术方面的直接竞争,并能够在这件事情上实现国际引领。我们希望它成为一个中国发起的国际大科学装置。

这是我们的概念设计报告的发布会。国际上类似的装置一共有四个:两个直线对撞机,两个环形对撞机。我们做的是其中的一个环形对撞机,欧洲核子中心有一个直线对撞机、一个环形对撞机,另外日本有一个直线对撞机。我们希望中国在这一次能够在时间上领先。

大家都说这东西很贵,反对的人可能都是因为钱。所以我想给大家算一笔账,为什么说这件事情是可以做的?

这张图是国际上已有的加速器的造价占当年GDP的比例。中国在1984年建设了北京正负电子对撞机(BEPC),造价占当年GDP的0.01%。美国做超导超级对撞机(SSC)的时候,也占0.01%。欧洲核子研究中心在80年代做了大型正负电子对撞机(LEP),27公里,占0.02%。发现了Higgs粒子的大型强子对撞机(LHC),占0.03%。我们如果要做CEPC,在2020年建设,将占当年的GDP的0.005%。

CEPC现在总造价是360亿人民币。

为什么看起来花钱很多?

因为特殊。我们愿意把20年所有人的钱集中在一个装置上,所以产生的效益(获利指数PI=投产后各年净现金流量的现值合计/原始投资的现值合计)比分成100个研究要高。

科学院的人均经费大约每人每年100万。我们算一下,建设 CEPC装置,360亿除以3000人除以20年,得到每人每年60万;再加上工资、运行、研究40万左右。如果按领域平均,现在基础研究经费有900亿,除以6个领域,数理化天地生。我们在物理当中如果只占1/5,一年也有30亿。所以大家可以看到,我们建这样一个装置,能用20年,投入不算多,不超过国内一般水平。这是我们高能物理作为一个重要的基础科学研究领域应该得的钱,是我们特有的研究形式。所以拜托大家支持我们做这样一个装置。

2008年的北京奥运会,大家可能对开幕式印象很深,我们有造纸、毛笔、活字印刷,还有太极,非常震撼;而2012年的伦敦奥运会,开幕式拿出来的是原子核,万维网(WWW)的发明人、欧洲核子研究中心的伯纳斯·李先生——从中可以看到差距:我们的未来应该在科技,我们不能躺在前人的成就上、永远沉湎其中,而是应该有新的东西。

中国现在的大科学装置,数量很多。500米口径球面射电望远镜“天眼”(FAST)10亿人民币,中国散裂中子源(CSNS)20亿人民币,北京正负电子对撞机(BEPC)8.8亿人民币。而欧洲的大型强子对撞机(LHC)项目55亿欧元,发现引力波的激光干涉引力波天文台(LIGO)20亿美元,美国在南极冰立方中微子望远镜(IceCube)10亿美元,我们总体的规模差了10倍,我们的国际领先性不够,在于老说大科学装置贵——其实,我们做很多小型的,不如建一个大型的。

CEPC还可以把广告打到全世界。

这张照片是我在深圳机场拍的,华为说它对上帝粒子的发现有了贡献。我相信,如果我们自己有一个Higgs工厂,会有上百个企业说“我对中国的Higgs工厂做了贡献”。

谢谢大家。

演讲嘉宾王贻芳:《为什么我们需要一个大型对撞机?》

彭凯平:如何建立幸福的亲密关系?这里有来自社会心理学的6个技巧

本文为2019年3月23日“我是科学家”年度盛典——科学与你,探寻万物的联结 | 彭凯平 演讲实录:

你宅?你社恐?但你还是社会人。“没有人能脱离他人和社会存在,即使是鲁滨逊。”作为社会动物,身处社会关系中,我们能获得哪些好处?怎么做可以获得更多幸福?清华大学社会科学学院院长,清华大学心理学系主任彭凯平带来演讲《我理想中的你,真的只能来自星星吗?》

我叫彭凯平,是一位心理学家。

“我理想中的你,真的只能来自星星吗?”——我起这样一个题目,是为了向前面的几位优秀的科学家致敬。他们谈宇宙、谈星空——

而我想谈谈人间。

演讲嘉宾彭凯平:《我理想中的你,真的只能来自星星吗?》

年轻时,我也想做物理学家。1979年考大学时,我报的是北京大学物理学系和地球物理学系。结果没想到,接到的通知是让我去北京大学心理学系报到。

我很诧异,就问招生办老师,为什么要我去学心理学?

老师看了半天我的档案,回答:因为你写了一句话,愿意服从国家分配,所以国家分配你去学心理学。

当时并不懂什么是心理学;我知道很多的物理学,我向往天文学,我向往宇宙学,特别想研究粒子物理,研究很多在中国被认为是真正科学的领域。所以就很不开心。

我说:“心理学我都不懂,你们为什么要我去学?”老师认真地看着我,说一句让我记一辈子的话:“心理学、物理学都是理学,差不多的。”

后来我才知道,这两个学科差太多了:物理、天文、生物学永远是受我们中国人民尊敬的科学;轮到我们心理学,就是大家开玩笑的一个话题“你幸福吗?”然后大家哄堂大笑,都觉得这个问题好简单、好无聊,这个问题真的值得研究吗?

这就是我要讲的:为什么社会科学是我们中国人应该研究的一个学科,为什么心理科学可能是人类21世纪最前沿的学科?因为我们进入了人工智能的时代,而在地球上、在宇宙中间,我们唯一了解的智能不是别的,就是我们自己的智能,也就是我们的心理活动。

我和我的同事们一直在探索用现代科学的方法来改善人类的心理健康,来提高我们的幸福感受,让“你幸福吗”这个问题不再被视为笑话或谈资,而是真的变成一个科学前沿的问题。所以,我在清华大学创建了世界上第一个“幸福科技实验室”。

最近发现,我们幸福科技实验室越来越多地吸引清华大学的年轻老师,还有来自中国各个地方的游客,在这个地方留影、照相。我就很好奇,“你们为什么要在我们这里留影呢?”

他们的回答是:这里三个特别有意义的口号,就是:让科技使人变得更加健康、让科技使人变得更加和谐、让科技使人变得更加幸福——健康、和谐和幸福,三个英文单词分别是Health、Harmony、Happiness,所以我们也把它叫做“3H”实验室,“3H实验室”的目的就是研究到底我们人类要如何在生活中找到真实的幸福。

2014年,有部韩国连续电视剧火遍了中国,主人公叫都敏俊。他颜值爆棚,超级有钱,而且特别温柔,随叫随到,什么都懂——上至宇宙,下至细胞,甚至蛋白质他也懂,还是特别青涩的小鲜肉。你想这样的人肯定谁都热爱,问题是生活中找得着吗?韩国人已经意识到找不着,所以把他叫做“来自星星的你”,也就是说他是一个外星人。

外星人要怎么找?

1961年有人研究过这个问题。一个很有名的天文学家叫做弗兰克·德瑞克,Frank Drake, 他发明了一个公式,关于为什么我们去寻找外星生命,而到现在为止还没有遇到过外星人。

这个研究被英国华威大学的一位数学教师 彼得·巴克斯(Peter Backus)借鉴。这个人有三年没有找到女朋友,所以一气之下他要分析一下:为什么像他这么优秀的科学家,居然找不到女朋友。

他借用了德瑞克方程,仔细算了算,结果发现真的很难。因为在他生活的伦敦,适合他的只有26个人——400万伦敦人,只有26个人,这个概率比寻找外星人的概率要低很多很多。然后他撰写了一篇科学报告《我为什么没有女朋友》,而且登在著名的科学杂志上。

彼得·巴克斯找女朋友真的有那么不容易吗?

他提出了很多前提条件,仔细看一看,好像也并不是特别苛刻——

结果,根据这些条件,最后算出来只有26个人。

真的是只有26个人吗?问题出在什么地方?

第一个,这个人太宅了。空房三年,老在那算题目。人不去主动地寻找关系、寻找爱情,是找不着的。

第二个,很重要,因为他没有学好社会心理学。

社会心理学是第二次世界大战之后人类兴起的一门新学科,希望用一些科学的、数学的、实证的方法来探索我们人是如何建立社会关系,我们人是如何去影响他人,又是如何去成就彼此。

这个学科现在已经成为我们心理学一个主流的领域。社会心理学家其实关心这样的问题、我作为中国的社会心理学家关心这样的问题,不是因为我关心这位数学教师能不能找到女朋友。何况最后他还是找到了女朋友,而且找他的女朋友远远多于26个。所以说明他这个数学方程即使是特别科学,如果你没有一些理性的、科学的、懂人心的前提,你算出来的就是一堆无聊的数字。

我关心这个问题,是因为我们中国社会现在也越来越多地出现了类似彼得·巴克斯的人,公开号称“宅”或者“社恐(社交恐惧)”。2018年中国的结婚率下降到历史上最低,好像现在很多人开始欣赏一种新的生活方式,不愿意建立社会关系,不太愿意与别人来往。

我们中国的心理健康、心理卫生现在也变成特别重要的问题。在我们宏观宇宙、微观细胞的时候,我们往往忘掉了还得内观自己的心——这个问题现在变得真的是越来越重要。

我们社会心理学家坚信,根据我们这么多年科学研究的结论,每个人和其他人的关系其实都比我们想象的要更紧密一些;而我们寻找和建立社会关系的可能性,也比我们想象的更加有效。

我们每个人其实都生活在社会网络之中,我们离不开他人,我们离不开社会。

即使你是像《鲁滨逊漂流记》那样,处于特别极端的孤独状态,你也会找到一个“星期五”。即使是像美国电影《荒岛余生》里这位著名演员汤姆·汉克斯扮演的主人公这样,被遗弃在荒岛上,找不到“星期五”,找不到任何人,他也要创造出一个社会关系:把一个遗失在沙滩上、是美国著名品牌的排球叫威尔逊,然后用血手印给它画了一个脸,每天跟它倾诉心声,最后为救威尔逊差点把命都搭进去了。

这些说明什么?说明人需要他人,人需要关系。没有社会关系的话,人是很难受的,是活不下去的。

不光外国人如此,中国人也一样。我喜欢看金庸的小说,《倚天屠龙记》中就有一个“金毛狮王”谢逊,是个心智失常的人。即使这样一个人,他也需要找人陪伴,每年跑到中原抢一对童男童女。

干什么?

听他骂人。

这说明什么?说明谁都需要其他人,即使疯子也需要其他人。说明人其实是社会关系建设的需求者,也是创造者,我们有一种非凡的能力,特别能跟别人建立亲密的社会关系。

1967年,著名社会心理学家斯坦利·米尔格曼做了一个特别有趣的研究。他在美国特别偏远的两个中西部的州,堪萨斯州和内布拉斯州——那可是美国爆炸原子弹,很偏僻的地方——找了总共296个人,让他们做一件简单的事情:把一封信通过传统的递送方式——不是靠现代邮政,就是靠人与人之间的递送——把这个信交给他们从来没有听说过、也不认识的的两个人,想看一看要经过多少人,才能把信传给对方。

这两个人选择得很随机,其中一个是在波斯顿的银行家,另外一个是美国东北部马塞诸塞州一个神学院研究生的太太。

结果发现,只需要传六次,也就是说,只需要经过五个人倒手六次,就可以把信传过去,这就是著名的“六度分离理论”:我们每一个人和任何其他陌生人之间,最多只隔了五个人,或者说六次间隔。

但这个研究有一个问题:就是当时真正寄过的信,到手大概只有29%,而且参加人也只有296个,体量不够大。

2001年,美国纽约微软研究院的一位社会心理学家邓肯·沃兹(Duncan Watts)决定重做这个实验。

他决定做一个大规模的研究,看看在现代化的通讯条件下,电子邮件要通过多少人能够传给对方。于是,他在全世界60多个国家招募了6万多人,要求这些人把一封电子邮件传给另一个人,最终传给那个他们从来不认识的目标人选。

结果发现,大概有300多封邮件终于传给对方,传递次数也是五到七次,平均就是六次,说明“六度分离理论”在电子邮件的时代也是存在的。

最近还有个新的研究,在一个社交媒体(比如腾讯或脸书)发达的时代,人与人的关系更加紧密。研究者发现,在脸书上,这种分隔大概是4.74,也就是五度分离:隔四个人,你就可以把一个社交媒体的信息传给别人——世界比我们想象得小,人与人之间的关系也比我们想象得亲近。

人是一种社会动物,高度的社交能力、对社会关系的需要,是我们人的天性,也是我们应该使用的一种才华和智慧。

为什么 “人与人之间的联系,人与社会的联系,人与自然的联系”有意义?主要是因为,我们现在发现,社会关系对我们的健康、寿命,对我们的幸福特别有意义。

《时代周刊》2005年1月17日发布了一个封面故事,报道了一个特别重要的新领域的产生,叫做“幸福科学”。

关于人类的健康和幸福,最有意义的研究大多来自于社会心理学的研究。其中有很多研究证明,亲密关系的存在是我们健康、长寿以及幸福的秘诀。

我们有大量的证据证明这一点。比如,结了婚的男人一般比不结婚的男人平均多活七年。为什么?有美好的、亲密关系。所以男人不结婚,到了50岁还做钻石王老五,那是找死的节奏,一定要赶紧结婚。女人结了婚,寿命也会提高,提高多少?两年。所以婚姻其实对男人眷顾更多,全世界愁婚姻的不应该是女性,应该是男人。男人更应该结婚。女人其实靠自己,靠自己的魅力,靠自己的奋斗精神,活得还可以挺好的。

演讲嘉宾彭凯平:《我理想中的你,真的只能来自星星吗?》

那么,怎样才能建立亲密的、稳定的、有意义的社会关系呢?社会心理学长达60多年的研究已经发现了一些特别重要的社交技巧、社交原则。

1、接近

要建立友好的社会关系,一定要接近对方,接触对方。如果从不跟人来往交流,却以为对方会很喜欢你,这是很难的。所以宅在家里,以为自己魅力无限,即使是华威大学的数学教师,也不一定会有人找你。一定要出去,要接触。什么是缘分,缘分就是选择接近他人。不去接触,等缘分是等不来的。

2、相似

要建立特别重要的社会关系,就要增加彼此的相似性。“不是一家人不进一家门”其实还是有一些科学道理的,因为我们喜欢那些和我们相似的人。无论是价值观念,还是幽默的风格,或为人处事的技巧,甚至外貌也是越相似越好。

有位学者罗伯特·扎恩(昵称Bob Zajonc),曾经是我在密西根大学的教授,后来去了美国斯坦福大学,他和他的学生就做了一个有趣的试验:把一些陌生男女的照片和一些夫妻的照片混在桌上,让人去判断谁是夫妻,谁是毫无关系的陌生男女。结果他发现,我们的判断准确性居然高达72%,比50%的随机水平要高很多。

这说明什么?说明不但我们要找和自己相似的人,别人也倾向于相似才好。一朵鲜花插在牛粪上容易引起公愤,为什么?不相似。你要喜欢对方,一定要向对方追求相似性。对方来听我们的演讲,你也跟着来;你去做不同的事情,以为能够建立有效的社会关系,那是很难说的。

3、熟悉

我们人类喜欢自己熟悉的事情,比如你最喜欢的姓名很可能就是你自己的姓名,因为你熟悉,经常写。你最喜欢的日子也很可能是你的生日,为什么?熟悉。这就是我们人类的心理。我们中国人说“日久生情”,讲的就是熟悉性的道理。所以,如果你想追别人,你想爱人,你想建立关系,一定要经常和别人在一起;让对方熟悉你,增加你的曝光效应。

4、互惠互利

人是一种互惠的生物,这并不是自私——虽然自私是我们人身上动物兽性的残余,但是我们人类从来不是靠兽性战胜那些野兽,我们是靠人性战胜。人性是什么?是我们人独一无二的天性,包括互惠互利。

想一想在洪荒时代,孤独单行的猎人很容易被其他天敌吃掉,但是那些成群结队、互相帮助、集体主义精神强的那些人,显然更容易活下来。所以,在座各位身上,也一定是带着先祖们特别强烈的互惠互利的基因。你希望建立友好的关系,一定要让自己变得对别人有意义、有价值。就像亚里斯多德说的,想成为别人的朋友,要给别人快乐,要给别人好处,要给别人道德。

5、沟通

除此之外,我们科学家,特别是社会心理学家还发现,沟通特别重要。

有两位著名的心理学家夫妇,一个叫做约翰·奥伦,一个叫做朱莉·奥伦,他们做过一个有趣的实验:把一对陌生的、从来没有见过面的男女放在一起,让他们沟通交流,谈论36个自我暴露的、涉及个人隐私的问题。在谈完这36个问题之后,让他们互相凝视对方四分钟。结果意外发现,很多人由此产生了感情。为什么?沟通是有魅力的,能够感动人心。

同样,著名心理学家阿瑟·古德曼和他的夫人伊文·古德曼也做过一个研究,他们研究了4000多对夫妻,发现,让夫妻关系受伤害的原因主要是沟通方式不当,而那些夫妻关系稳定、长久、幸福的一定是知道如何去进行沟通和交流。

到底我们人类应该如何去沟通?有没有一些科学方法?社会心理学发现了很多,其中有一个特别有意思的叫做“洛萨达比例”。

洛萨达是美国加州州立大学长滩分校的一位社会心理学教授,她曾经调查了人类一些幸福的夫妻和一些不开心的、闹离婚的夫妻,也调查了一些高业绩的团队、业绩差的团队和中等团队,想看看这些夫妻和团队他们之间到底都说些什么样的话。

结果她发现了一个神奇的“5:1”,也就是,讲五句好话配一句批评建议的话。一辈子都是好话,对方一定厌倦、冷漠、无聊,因为生活中不可能都是阳光灿烂;但你也不能恶语相向,老是坏话,也要讲一些积极的话。骂人一句用五句补回来,表扬人家五句也提些小小的建议,这就是著名的洛萨达比例。沟通其实也要讲科学的。

6、魅力

还有什么建立友好社会关系的方法?我们还发现,“魅力”很重要。

魅力是什么?我们老以为,魅力是一种天生的长相,确实,长相有很大的帮助,但我们不能永远靠长相,也需要靠一些内在的魅力。我们发现,最有魅力的,其实是一个人的文化气质。曾国藩先生有句名言叫做“唯读书可以改变气质”,就是说一个人的谈吐、风度、品味、气质,是特别有魅力的地方。

如果你觉得这些都很难,我们还有一个特别简单的方法,就是学会“真心的微笑”。

什么叫“真心的微笑”?1862年,有一个法国心理学家做了一个有趣的研究,他把自己的邻居们请到心理学的实验室,给他们通上电极,看刺激什么样的肌肉会产生什么样的表情。结果他们发现,有一种特别有魅力的表情,就是三块肌肉的活动。嘴角肌的上扬让你的牙齿露出来,挤迫了颧骨肌要它上提,然后又压迫了眼角肌,让你的眼角肌收缩——如果在笑的时候你能够有这个眼角肌的收缩、鱼尾纹的出现,那就是一种特别开心的笑脸。像右边这位小朋友就是一种典型的、有魅力的微笑,我们科学家把它叫做“迪香式的微笑”。

是不是真的笑,我们可以辨别出来。由于工作的需要,我们很多人可能各种原因会装笑,比如说上图左边那个姑娘她就在装笑。为什么是装笑?因为我们人只能控制嘴角肌和颧骨肌,但控制不了微笑时候的眼角肌,所以很多装笑的时候这个眼角肌是没有鱼尾绞的,所以你一看这姑娘就在假笑,我们把它叫做“皮笑眼不笑”。

还是真笑更讨人喜欢。少一些假笑,多一些“迪香式的微笑”,可以帮助你建立亲密友好的社会关系。

最后我想用我们清华大学老教务长、著名社会学家费孝通先生的十六字诀来总结:“各美其美,美人之美,美美与共,天下大同”。

展现自己的魅力,成全别人的魅力,我们共同美丽,天下一定是和谐、健康、幸福的,何愁和谐不再,何愁幸福不在。

谢谢大家,后会有期。

(作者:彭凯平;编辑:麦芽杨、凝音)

高中老师建议她“远离科学”,而她却引领了一场天文学革命

|· 本文来自“我是科学家”·|

每当夜晚降临,仰望星空之时,你是否想过这样一个问题——宇宙中有没有我们永远也看不到的物质呢?

人们曾经以为,眼睛和望远镜看到的宇宙就是宇宙的全部,是恒星、行星这些天体的集合。

直到20世纪70年代,这个想法被彻底颠覆。人类从此真正意识到,原来宇宙的大部分“内容”都是不可见的。

而这一场哥白尼式的天文学革命的发起者,正是今天故事的主人公:薇拉·鲁宾(Vera Rubin)。

薇拉·鲁宾(1928-2016)和她收集的地球仪。图片来源:参考资料[1]

我能成为天文学家吗?

1928年7月23日,鲁宾出生于美国宾夕法尼亚州的费城。10岁的时候,全家搬到了华盛顿。在华盛顿的新家,她的床紧靠北边的窗户。就是从这个时候开始,她被夜空深深吸引,整晚躺在床上观察星星的移动。当有流星雨的时候,她还会把流星的轨迹都记录下来[2]

鲁宾的父亲是一名电子工程师。虽然他对于天文学的就业前景不太看好,但仍然支持女儿的兴趣,不仅帮助她制作望远镜,还和她一起去参加业余天文学家的聚会[3]。鲁宾也会在写英文作文的时候,选择一个天文学话题。总之,她会抓住各种机会接触和了解天文学。

高中毕业后,鲁宾进入瓦萨学院(Vassar College)学习。瓦萨学院是当时为数不多的女性可以学习天文学的地方,更重要的是,这里有美国历史上第一位女性职业天文学家,也是瓦萨学院第一位天文学教授——玛莉亚·米歇尔(Maria Mitchell)。鲁宾也正是得知米歇尔后,才确定天文学可以作为女性的职业[4]

鲁宾在瓦萨学院学习时,就已经开始进行天文学观测。图片来源:Vassar College

1948年,鲁宾从瓦萨学院天文学专业毕业,前往康奈尔大学攻读硕士学位。但是,无论是在瓦萨学院还是在康奈尔大学,天文学都不是一个传统优势学科,鲁宾在学习过程中也感到自己并未真正融入天文学界。鲁宾在后来的一次采访中回忆道,自己一生中都在试着回答这样一个问题:我能真正成为一名天文学家吗?

不过,鲁宾在康奈尔大学还是找到了相伴她一生的研究。当时,她与玛莎·卡彭特(Martha Stahr Carpenter)一起工作。卡彭特对星系及其内部运动有很大的研究热情,鲁宾也受到了感染。正是在卡彭特的课上,鲁宾对星系动力学产生了兴趣,并从此作为整个职业生涯的研究方向[5]

1951年,鲁宾在康奈尔大学获得硕士学位时,她的丈夫罗伯特·鲁宾已经在华盛顿的应用物理实验室(Applied Physics Lab)找到了一份工作,因此她也随着一起去了华盛顿。在华盛顿,只有乔治城大学可以授予天文学博士学位,因此她就进入乔治城大学攻读博士学位。1954年,鲁宾在伽莫夫(George Gamow)的指导下获得了博士学位[2]

暗物质就是答案

1965年,鲁宾加入了位于华盛顿的卡内基研究所(Carnegie Institution),在地磁学系获得了一个研究职位,并与肯特·福特(Kent Ford)成为长期的合作伙伴。当时,福特改进出一种非常灵敏的光谱仪,由于使用了当时最先进的光电倍增管,这台光谱仪可以帮助使用者以前所未有的精度研究星系的局部区域。

1965年,鲁宾和福特(带白帽子的人)在洛威尔天文台(Lowell Observatory)检查他们的设备。图片来源:Carnegie Institution

有了这样的设备,鲁宾和福特要找到一个合适的研究方向。1963年,天文学家发现了类星体,这很快成为研究热点,鲁宾和福特也尝试进行相关研究。但是,鲁宾发现,由于没有望远镜,无法获得足够的观测时间,他们很难在竞争中有所突破。

鲁宾在基特峰国家天文台(Kitt Peak National Observatory)使用2.1米望远镜。图片来源:NOAO/AURA/NSF

大约过了一两年,鲁宾意识到,这种竞争不是她想要的研究方式。她希望选择一个感兴趣的领域,但又不是那么热门,不会有很多人关注,这样她就可以在取得成果之前安心于自己的研究而不被打扰。于是,20世纪60年代末和70年代初,她尝试去观测仙女座星系(Andromeda Galaxy,代号M31),重新回到星系动力学研究中。

仙女座星系。图片来源:Wikimedia Commons

鲁宾和福特使用光谱仪去研究位于螺旋星系不同部分的恒星的光谱。星系盘上的恒星大概在绕中心的圆形轨道上运行。在观测开始的时候,他们预计会观察到星系的运动和太阳系类似:由于星系的质量大部分都集中在星系中心,而这些质量产生的引力决定了旋转的速度,因此靠近星系中心的恒星运动得快,远离星系中心的恒星运动得慢。

然而,根据观测绘制的旋转曲线大大出乎他们的意料。他们发现,星系中从里到外的恒星的旋转速度几乎相同。他们又观测了其他的星系,发现它们的旋转曲线没有什么区别。他们为此感到震惊,但并不明白平坦的曲线究竟意味着什么。

螺旋星系的典型旋转曲线。根据预测,恒星的旋转速度随着到星系中心的距离的增加而减小,如曲线A所示;但是实际观测结果为曲线B,随着距离的增加恒星的旋转速度几乎没有变化。图片来源:参考资料[6]/汉化:鞠强

鲁宾花了很长时间去理解这些旋转曲线的含义。直到有一天,她在纸上画了一些草图,然后突然间就明白了:如果星系外围存在大量不可见的物质,即有一个暗物质晕的话,那么星系的质量就会在星系中各处分布,而不是集中在星系的中央,因此引力所决定的旋转速度也会各处大致相同。

暗物质这个概念并非最早由鲁宾提出。1933年,瑞士天文学家弗里茨·兹威基(Fritz Zwicky)在分析后发座星系团的星系的多普勒速度时就发现,星系团内的星系的移动速度太快,可见物质产生的引力不足以把这些星系束缚在一起。既然星系团没有表现出分崩离析的迹象,那么一定存在不可见的物质——暗物质——把星系团束缚在一起。但是,当时根本没人在意兹威基的结论,他的发现被束之高阁。

1975年,鲁宾在美国天文学会的一次会议上宣布螺旋星系中的大部分恒星以大致相同的速度绕星系中心旋转。这个结果暗示,要么牛顿引力定律在宇宙各处中并非普遍适用,要么就是存在她推测的暗物质晕,提供支持外围恒星高速运动所需的引力。既然找不到修正牛顿引力定律的理由,那就只有暗物质这一个选项。

虽然目前天文学家仍然没有直接捕捉到暗物质,因此也不清楚暗物质究竟是什么,是一种粒子还是多种粒子,亦或是其他未知的作用机制,但是除了星系动力学外,包括宇宙微波背景辐射和引力透镜在内的其他天文观测也都支持暗物质的存在。在接下来的数十年里,大量的观测证据都支持鲁宾的结论[7]

根据目前的观测,宇宙中可见的普通物质只占大约5%,另外有26%的暗物质和69%的暗能量。在宇宙演化的过程中,这一比例也在发生变化。

宇宙目前的能量分布,可见物质约占5%(不同研究给出的数据略有不同)。图片来源:参考资料[8]/汉化:鞠强

暗物质的发现彻底改变了人类对宇宙的认识。暗物质被嵌入到宇宙演化的模型中,成为组成星系的重要成分。人们终于意识到,如果没有暗物质的束缚,也许的银河系早就分崩离析,也许人类根本没有机会仰望星空。

与性别歧视抗争

和很多同时代的女性科学家一样,鲁宾从读书的时候开始就不得不去面对不公和轻视,而她却始终没有因此屈服。

在她高中毕业的时候,她告诉物理老师,自己拿到奖学金,可以去瓦萨学院读书。物理老师只是说:“只要你远离科学,你就能做的很好。”幸运的是,鲁宾并没有听从他的建议[2]

鲁宾在研究生涯的初期,曾经有一次前往位于加州的帕洛玛天文台(Palomar Observatory)访问,她是最早被允许进入这座天文台的女性之一。但是她发现,那里并没有女洗手间。于是,鲁宾去自己的房间,用纸剪出一个裙子的图案,然后把它贴到了洗手间的门上。她告诉同行的普林斯顿大学的天文学家妮塔·巴科尔(Neta Bahcall):“这边请,现在你有女洗手间了。”巴科尔回忆说:“鲁宾就是这样的人。”[5]

加州的帕洛玛天文台(Palomar Observatory)。图片来源:Wikimedia Commons

虽然一直致力于为女性、特别是天文学界的女性争取权利,但鲁宾也有感到疲惫的时候。她的女儿也是一位天文学家,有一次去日本开会,回来告诉鲁宾说,会上只有她一位女性。鲁宾因此感到有些沮丧,因为从她到她女儿,过了整整一代的时间,情形似乎并没有什么大的变化[2]

数据比名望更重要

鲁宾一生获得了很多荣誉。1996年,她获得皇家天文学会金质奖章,是历史上第二位获得这一荣誉的女性天文学家,而此时距离上一位女性天文学家获奖已经过去了168年。第5726号小行星以鲁宾的名字命名,火星上也有以她的名字命名的地貌[4]

但在众多荣誉中,却不包括诺贝尔奖。尽管很多人认为她对暗物质的开创性研究足以获奖,并且生前也是获得诺贝尔奖最有力的女性候选者。但就像其他很多杰出的科学家一样,鲁宾的工作不必一定要用一个奖项来衡量。或许正如华盛顿大学的天文学家埃米莉·勒斯克(Emily Levesque)所说,未曾获得诺贝尔奖不会有损鲁宾的成就,却是诺贝尔奖的遗憾,因为它会永远缺少对如此杰出的成就的认可[5]

1990年,鲁宾在接受《发现》(Discover)杂志的采访时就说到:“名望转瞬即逝。对我来说,我的数据比我的名字更重要。如果天文学家在接下来的一些年里继续使用我的数据,那就是对我最大的褒奖。”[9]

薇拉·鲁宾一生都沉浸在自己挚爱的兴趣中。图片来源:academcity.org

鲁宾的4个孩子全部拥有博士学位,除了女儿成为天文学家外,还有2个成为地质学家,1个成为数学家。他们认为,是母亲让科学看起来充满乐趣而令人向往,这也激励了他们投身科学[4]

2016年12月25日,鲁宾逝世于美国新泽西州普林斯顿,享年88岁。她曾经说过:“在我的生命里,没有什么事情能和每晚注视夜空一样有趣。”即使没有获得诺贝尔奖,鲁宾仍然是一个非常幸运的人,因为她的一生都沉浸于自己挚爱的兴趣之中,正如她所希望的一样。

她化作永恒的星光,照亮了充满暗物质的宇宙。(编辑:Yuki)

作者名片

参考文献:

  1. https://www.si.edu/newsdesk/snapshot/vera-rubin-lifelong-astronomer
  2. https://www.aip.org/history-programs/niels-bohr-library/oral-histories/33963
  3. https://www.amnh.org/learn-teach/curriculum-collections/cosmic-horizons/profile-vera-rubin-and-dark-matter
  4. https://en.wikipedia.org/wiki/Vera_Rubin
  5. http://www.astronomy.com/news/2016/10/vera-rubin
  6. https://www.e-education.psu.edu/astro801/book/export/html/1863
  7. https://en.wikipedia.org/wiki/Galaxy_rotation_curve
  8. http://chandra.harvard.edu/resources/illustrations/darkmatter.html
  9. https://www.aps.org/publications/apsnews/201312/physicshistory.cfm

AirPods电池寿命短,但换不起、又不能扔……

“能借下耳机吗?待会儿我得开个电话会议。”

“你的AirPods呢?”

“又没电了……”

图:giphy

两年前,朋友就成了“耳机患者”,像佩戴助听器那样时刻戴着刚买的AirPods。而现在呢,竟然沦落到需要借用传统有线耳机的地步。除了身边的一些朋友,网上对AirPods的电池寿命问题表示不满与无奈的人也有不少。

为此,Apple Insider专门做了个测试——对比了新老两副AirPods的续航时间,其中一副是2016年12月的,另一副是2018年8月的。影响电池使用时间的因素有很多,比如,AirPods接听电话时耗电更快、播放的音量越高也越耗电……为了方便对比,在测试中,耳机都只放音乐,不打电话。测试结果显示,老耳机的续航时间的确更短,总共也就撑了2小时。

仅用了1小时19分钟,2016年的那副就有一只耳机开始出现烦人的低电量提示音;

两个小时后,2018年的那副左边剩67%、右边还剩62%,而2016年的电量剩余情况如下:

2小时6分钟之后, 2016年的那副AirPods就不行了。图:Apple Insider

3月20日,苹果宣布即将发售新款的AirPods,并表示这一世界上最受欢迎的无线耳机变得更好了。然而,苹果这个小机灵鬼并没有明确说明,新款的电池寿命是否也会变得更好。

AirPods的电池是怎么回事?

AirPods共有三块锂离子电池,分别位于左右两只耳机里、以及配套的充电盒里。

随着电子产品的快速发展,锂离子电池充电时间变短了,续航时间变长了;而且相对其他类型的电池,锂离子电池能用一个小空间储存更多的电量。但与此同时,它们也老化得更快,常常几年后就报废了。你每充一次电,它就老化一些。

而AirPods的电池又都很小,每只耳机的电池约为苹果手机的1%。一个小小的损坏,对手机电池而言也许没有什么,却可能会给小电池带去很大的影响。苹果公司内部有人表示:“电池可不会长生不老。电池越小,死得越快。(Batteries aren’t forever, and the smaller they are, the less eternal they are)”【1】


每只Airpod电池容量为93毫瓦,图:iFixit

电池不行了,那就换电池?

既然电池寿命不给力,勤俭节约的你可能会想:我不买新的,自己换电池。

很遗憾,在这个社会,省钱也没那么容易。锂离子电池还有一个烦人的特点——遇到破损,可能会爆炸。当锂离子电池被压扁、刺穿、撕碎或掉落时,会产生“热事件”(Thermal Event)。电子产品为了追求小体积,使得锂离子电池内的膈膜变得非常薄了,也就更容易破损。一旦出点小问题,就会导致正负极短路、发热,从而引发爆炸。

所以,科技公司设计出一个天衣无缝的产品外型,一方面是为了美观,另一方面是在想方设法提高用户拆卸、更换电池的难度

拿精巧的苹果产品来说,其讲究的产品设计意味着电池被焊接在内部的元件上。我们一睹电池的真容都很难,更别说自己DIY换电池。AirPods就被造得严严实实,拆出电池的唯一方法是拿刀先把塑料外壳割开【2】……非常危险。

锂离子电池被破坏后很容易引发火灾,图:The Washington Post

即使对专业人士而言,拆换锂离子电池也有风险。既然操作如此复杂、危险,收费肯定也不低。苹果官网显示,AirPods的电池维修或更换费用为389元一只——但很多人怀疑,就算是苹果自己也无法“维修”AirPods,他们可能就是简单地为你更换一只新的而已。

危险、麻烦、昂贵……想换电池的人,最后都打退堂鼓了吧。于是乎,大家的处理方法一般都是——直接丢进垃圾桶。

丢掉的AirPods会被回收吗?没那么简单

很多人估计都没注意到,AirPods的外包装其实有提醒标志,表示该产品不能被直接丢入垃圾桶,而是应该被当作“电子垃圾”进行回收处理。

废弃电子电机设备指令,Waste Electrical and Electronic Equipment Directive, WEEE

传统的有线耳机,回收时可以先将其搅碎、后送入熔炉焚烧,里面的铜会被融化。可是,对使用锂离子电池的AirPods等电子产品进行回收处理时,可不能直接倒入粉碎机,而是需要先把电池拆卸出来,这还是因为那个问题——锂离子电池若是有什么损坏,可能会引起火灾。

另外,如今的电子产品越来越小巧了,随便往垃圾桶一扔似乎没什么大不了的。但在垃圾回收时,越小的东西就越难被筛选出来,因此,其回收的难度、引发火灾的可能性也就更高。

美国加州,一台分拣机在运作时,锂离子电池起火了,造成850万美元的损失。

就算是被回收了,人们还得先费劲把锂离子电池取出来,而苹果的产品貌似更难处理,比如一个废弃的iPad,受过训练的专业人员取出电池都要花大概30分钟。“如果满分是10分的话,iPad的难度有8或9分,”在电子垃圾公司Cascade做回收工作的弗洛雷斯-赫尔南德斯(Flores-Hernandez)说。【3】

把元件粘在一起、把电池藏到内部——这样的设计对电子垃圾回收公司而言,不仅仅是个安全问题,还会降低回收工作的利润。上岗前的培训、安全保护措施、把iPad的电池小心翼翼的拆出来……这些都是不小的成本。假如成本超过收益,iPad、AirPods等电子产品就会成为一个“完全不值得回收”的存在。

“不能弯曲、不能戳破,只能尽量慢慢来。” 图:The Washington Post

电子垃圾和资源开采问题,愈加严重,却不被重视

鉴于Iphone 7 取消了3.5 毫米耳机插孔,AirPods可能标志着苹果的未来将更多采纳无线设计。苹果也能借此推动客户购买更多的产品。苹果表示,穿戴式产品(包括AirPods、Apple Watches)最近的销量相比去年同期增长了50%。

然而,对于AirPods等产品的电池寿命问题,苹果似乎并不认为这是当务之急。毕竟,对于他们而言,卖的越多才能赚的越多。延长产品的寿命,与保持公司利润增长的目的并不一致。并且,客户扔掉一副电池老化严重的耳机,苹果并不需要就此负什么经济责任。所以,科技公司目前都没有很强的动机去研究如何延长电池的寿命、让它们更耐用。

而面对寿命越来越短的电子产品,我们很多人都是“喜新厌旧”。德国的一个环保机构发现,2004年,购买新产品以替代有问题的老产品的比例只有3.5%,而到了2012年,这个比例升到了8.3%。

2012年,美国有340万吨的电子垃圾产生,其中只有29%被回收了。而中国的电子垃圾产量也非常庞大,据一份2010年的报告估计,中国产生了约230万吨电子垃圾,仅次于美国。【4】

美国电子垃圾的产生、回收情况

简言之,电池寿命不行、又很难更换电池的电子产品越产越多,也越扔越多。在回收并不乐观的情况下,大量的电子垃圾将得不到处理。这样下去,环境和我们的钱包,都将面临严重的威胁。

甚至一些不怎么买电子产品的人也将受到影响。

锂离子电池的需求在增加、回收力度又不够,这就需要开采更多的有限自然资源,以制作更多的电池。其中,钴是锂离子电池的重要组成部分,而世界上60%的钴是由刚果供应的。曾有记者调查发现,刚果矿场的工人,包括童工,都在极其恶劣的环境下工作。【5】

在刚果,一男孩正扛着一袋含钴的泥土和石块,图:The Washington Post

一个看似简单的AirPods电池续航问题,其实涉及到了方方面面:科技公司设计产品时欠考虑;不重视电子垃圾的回收;人们习惯随意丢弃废旧的电子产品;政府也没有出台详细的环保应对措施;媒体只顾宣传酷炫的新产品,而忽略了如何让产品更持久耐用的诉求……但是,归根到底,这是科技公司产品设计带来的环境问题

Airpods电池寿命的问题,不知何时才能得到解决,但这值得我们重视。身为普通用户,我们可以从电子产品的回收处理开始。苹果公司设有“以旧换新”的项目,客户可以用符合条件的设备进行抵价换购,如果设备不符合折抵条件,苹果公司也承诺可以帮忙免费回收处理。

图:apple.com

就算电池是个硬伤,身边佩戴Airpods的人还是肉眼可见地越来越多……

除了让人不再担心耳机线缠绕的问题,Airpods简约又时尚的外形也讨人喜欢,虽然也有人调侃说它像个牙刷头,但这似乎并不影响人们对它的追捧。

再说了,有些人甚至都不需要面对Airpods电池老化、如何回收的问题,因为没用几次,它们就不知道掉哪儿了。(编辑:游识猷)

图:knowyourmeme.com

参考链接:

  1. Here’s why your AirPods battery life is getting worse, and what you can do about it. William Gallagher. https://appleinsider.com/articles/19/03/11/heres-why-your-airpods-battery-life-is-getting-worse-and-what-you-can-do-about-it
  2. Your AirPods Will Die Soon . ALANA SEMUELS. https://www.theatlantic.com/technology/archive/2019/03/your-airpods-probably-have-terrible-battery-life/585439/
  3. The explosive problem with recycling iPads, iPhones and other gadgets: They literally catch fire. Geoffrey A. Fowler. https://www.washingtonpost.com/technology/2018/09/11/explosive-problem-with-recycling-ipads-iphones-other-gadgets-they-literally-catch-fire/
  4. Urgent Need to Prepare Developing Countries for Surge in E-wastes: UN. https://unu.edu/media-relations/releases/urgent-need-to-prepare-developing-countries-for-surge-in-e-wastes-un.html
  5. Apple cracks down further on cobalt supplier in Congo as child labor persists. Todd C. Frankel. https://www.washingtonpost.com/news/the-switch/wp/2017/03/03/apple-cracks-down-further-on-cobalt-supplier-in-congo-as-child-labor-persists/?noredirect=on&utm_term=.f36209929318
  6. https://www.reportsanddata.com/report-detail/lithium-ion-battery-market

题图来源: trustedreviews.com

张双南:科普的正确打开方式

· 本文来自“我是科学家”·|

3月30日,“我是科学家”第七期科学家科普能力培训班在果壳霍金会议室举行。在本次培训班中,中国科学院粒子天体物理重点实验室主任、中国科学院高能物理研究所研究员、“慧眼”天文卫星首席科学家、“科普中国”形象大使张双南为到场的科研工作人员及科普工作者分享了自己做科普的故事和经验,为你打开正确的科普方式。

“我是科学家”第七期科学家科普能力培训班,张双南为大家分享《科普的正确打开方式——为什么?普什么?怎么普?》

培训视频:

为什么中国特别需要科普?

中国古代的文化和技术都远远比西方发达,但是为什么没有产生现代科学?

中国古代的造纸术、指南针、火药和活字印刷术非常伟大,但是它们都不是科学发现,而只是技术发明。我们的祖先没有刨根问底地去研究这些技术背后的规律,因而这些技术没有发展成科学。

什么是科学?科学就是刨根问底!

培训活动现场

尽管中国近代逐渐开始重视科学,但是中国的教育体系至今也只传授科学知识,不进行科学教育。关于科学的目的、精神和方法这三个要素,在中国的教育体系里面几乎从来都不涉及,这是中国民众科学素养偏低、中国社会普遍缺乏科学精神的一个重要原因,这也是中国迫切需要加强科学教育和科学普及的原因。

科普需要普及什么?

科学教育和普及不但要传播科学知识,更重要的是要教授科学的三要素:

(1)科学的目的,即发现各种规律。比如说为了发现天体运行的规律,我们有了牛顿力学,有了万有引力理论;

(2)科学的精神是质疑、独立和唯一;

(3)科学的方法是逻辑化、定量化和实证化。

培训活动现场

怎么做科普?

就科学普及而言,尽管形式多种多样,但是讲故事、接地气和抓热点是基本技巧。

首先是讲故事,我想讲关于“什么是科学”的故事。

我在清华大学读完本科后,到高能物理所读了两年研究生,之后到英国留学。在留学期间突然发现一个问题,我不知道什么是科学。我的老师、同学和同事们讨论研究工作的时候,常常嘴里挂着一句话:你做这件事的科学是什么?我常常不知道这句话是什么意思。我知道什么是物理、化学、天文,但就是不知道什么是科学。为什么会出现这样的情况呢?因为中国的教育体系普遍教科学知识,但是我们不教什么是科学。所以我知道什么是科学家,也知道科学的门类,但是一直到英国留学,才听说了“科学”这个概念。这个故事说明“什么是科学”本身也是要讲的。

其次是接地气,一是我们需要了解中国的社会现实。大家都有很深的体会,谣言骗局、伪科学在中国横行,这也是为什么中国特别需要科学普及,因为我国公众的科学素养还是比较低的。举个例子,2016年美国宣布发现了引力波之后,网上迅速出现了引力波的相关产品,怀孕的同事特别关心这个问题,咨询我哪一款产品防止引力波辐射的效果最好。今天的科学教育一直在教大家科学知识,中国也教得相当好,但是离开学校之后,很快知识就接近清零状态,脑子里面全是伪科学、民科的东西了。所以我认为,中国需要正确的科学普及,也就是既教科学知识也教科学精神和科学方法,使得下一代的公民具有逻辑思维能力、独立思考能力和主动学习能力。二是利用新媒体。我是个机会主义者,我自己没有微信公众号,都是用别人的。哪个平台传播效果好我就用哪个,我就是要抓住各种机会来传播科学。

最后是抓热点,我作为机会主义者,社会上有什么热点我就蹭什么热点,借助社会热点做科学传播。举几个例子,2014年《星际穿越》非常火爆,2015年广义相对论提出一百周年,2016年“引力波”被预言一百年之后又被发现,2017年引力波的发现获得了诺贝尔物理学奖,2019年大火的《流浪地球》,借势这些热点,我把我想讲的科学普及的内容讲给大家。

为什么做科学传播要讲故事,接地气,抓热点?这是有目的的。被科普不是老百姓的刚需,只有讲大家喜欢听的故事,才能在这个过程中给大家传递科学精神。人类的历史就是讲故事的历史,所以讲故事在哪里都有市场。接地气就是要和听的人有关系,有关系了他才会关心。抓热点是因为热点关注度很高,传播效果就会比较好。

学员认真做笔记

本次培训干货满满,分享结束后,现场的学员们踊跃提问,讲师张双南耐心解答并给出他的看法和建议。第七期科学家科普能力培训班圆满结束了,相信每位学员在今后科研工作中,都能讲出好的科学故事。

黑洞“现形”前,百年天文史上发生过哪些大事?

|· 本文来自“我是科学家”·|

此时此刻,你可能还沉浸在“黑洞现身”的狂喜中,然而国际天文学联合会(IAU)成立百年的庆典也刚刚拉开帷幕,重头戏在4月11日和12日两天上演。

汇集数百名顶尖科学家、官员、天文产业代表等正在布鲁塞尔举行盛大庆典。主题为“在同片天空下”的天文学百年大会,还将在全球范围内相继开展为期一整年的天文学科普与庆祝活动,从而让公众了解天文学在过去100年以来的重大进展与突破。

国际天文学联合会(IAU)在布鲁塞尔举行成立百年的庆典。图片来源:iau-100.org

就在过去这短短的100年里,天文学的突破比以往几千年都要多的多,而且更有趣,也更具影响力。脉冲星、引力波、宇宙大爆炸、类星体、双中子星合并……这些频上热点的天文学大事件,你都了解多少呢?

图片来源:iau-100.org

接下来,就让我们一起来围观下近100年来天文学上的几件大事吧。

1、脉冲星的发现

当你看到科幻片里宇航员操纵飞船的画面时,是否有过这样的疑问:在浩瀚无垠的太空中驾驶宇宙飞船,要如何分清东西南北呢?

其实,太空也有它的“路标”,那就是宇宙“灯塔”——脉冲星!

脉冲星导航艺术想象图。图中星舰为电视剧“星际迷航”中的企业号。图片来源:德国马普地外物理研究所。

脉冲星是在1967年由英国剑桥大学的天体物理学诺贝尔奖得主——修伊什(Anthony Hewish)首次发现的。

修伊什的学生贝尔女士(Jocelyn Bell),在此次发现中承担了重要的观测和分析数据工作。一开始发现脉冲星发射出的电磁波时,她还以为这是外星人向我们发射出的信号,因此,她发现的第一颗脉冲星还被戏称为——“小绿人1号”。

Jocelyn Bell。图片来源:Wikimedia Commons

那么,什么是脉冲星?它为什么能充当宇宙“灯塔”?

脉冲星其实就是高速旋转的中子星,中子星由恒星演变而来:经过“超新星爆炸”之后,就只剩下了一个致密的“核”, 其质量超过太阳质量,而直径仅有几十公里。它的旋转速度很快,有的甚至可以达到每秒1000多圈[1]

中子星构想图 图片来源:ESO/L.Calçada/CC-A

在旋转过程中,由于其超强的磁场和极端的物理条件,在中子星的两极会产生准直性的电磁辐射(包括射电波、可见光、X射线或伽玛射线)。随着中子星的旋转,这种辐射就像灯塔旋转的光束那样周期性地进入和离开我们的视线。

这种强烈的规律赋予了脉冲星最精确“宇宙时钟”的特质,它规则的信号甚至能精确到千万亿分之一!

脉冲星如此稳定的脉冲信号给人类提供了巨大的科学研究价值,一方面可以作为计时的依据;另一方面,将来在进行宇宙空间探索的时候,人们可以利用脉冲星来进行星际导航,帮助人类走出太阳系,向宇宙深处探索。

五十多年过去了,科学家从没有停止对脉冲星的探索。现在,已知的脉冲星超过了2000颗。

我国贵州省黔南,就拥有一台500米口径球面的射电望远镜——FAST,俗称“天眼”,截至2018年9月12日,“天眼”已经发现44颗经过国际认证的脉冲星。图片来源:东方IC

2、引力波的发现

2016年2月11日,激光干涉引力波天文台(LIGO)合作组宣布探测到广义相对论预言已久的引力波,引力波的探测成为了天文学界的热门话题。

目前,人们已经探测到来自双黑洞合并和双中子星合并产生的引力波。在未来也将会有越来越多的引力波得到确认。

截至2018年12月1日,LIGO探测到的引力波。图片来源:LIGO

那么,引力波是如何产生的呢?

按照爱因斯坦的广义相对论,任何有质量的物体都会导致时空弯曲(表现为引力)。当质量分布发生一定变化时(比如两个中子星相互绕转时),由此引发的时空扰动就会以光速传播出去,就像水池中的涟漪。

两颗中子星的并合过程。图片来源:Our Universe Visualized

这里说“一定变化”,是因为并不是所有的变化都会有引力波,比如物质沿着一个方向匀速前进就不会产生引力波。物理上来说,一定要使得物质分布的四极矩发生变化才可以产生引力波。

引力波有哪些特点呢?

引力波在宇宙中普遍存在。它可以提供电磁辐射不能携带的信息,探测到无法用电磁辐射或不具有电磁辐射的天体,比如LIGO之前探测到的黑洞-黑洞合并的引力波事件,就没有电磁信号,为我们描绘出完全不同的宇宙图像。

来源于距离地球14亿光年的两个黑洞的并合。图片来源:iop.org

引力波在传播过程中,基本上不被吸收、不被散射、不被屏蔽,它可以将观测领域扩大到被宇宙尘埃遮蔽,或被其他物质屏蔽的宇宙区域,揭示宇宙真面目。

它可以帮助我们了解宇宙空间中很多引人注目的天文事件,如超新星爆发、星体碰撞、双星并合的信息。也能给我们提供宇宙最早状态的信息[2]。可以说,有了引力波探测之后,人们就多了一双认识宇宙的“眼睛”。

3、宇宙微波背景辐射

 “普朗克”测得的全天宇宙微波背景辐射图,图片来源:ESA

关于宇宙的起源,一直有两种学说分庭抗礼——大爆炸理论和稳恒态理论。

大爆炸理论认为:宇宙经历了初始高温高密度状态快速膨胀(类似巨大的爆炸)的历程。这一快速膨胀过程中的微小幅度的物质-能量分布的起伏造成了现有的各大星系,而各大星系以及整个宇宙总是处于不断变化和发展的过程之中。

然而,宇宙恒稳态理论认为:宇宙的过去、现在和将来基本上处于同一种状态,从结构上说是恒定的,从时间上说是无始无终的。

但当“宇宙微波背景”被发现后,稳恒态理论直接被“K.O”,顿时失去它的了立场。

什么是“宇宙微波背景”呢?

四十年代末,大爆炸宇宙论的鼻祖之一——乔治·伽莫夫(George Gamow)认为,现在的宇宙正沐浴在早期高温宇宙的残余辐射中,由于宇宙的膨胀,辐射的温度已经被冷却到6K。正如一个火炉虽然不再有火了,但还可以冒一点热气,如果可以检测到那一点“热气”,即“宇宙微波背景”,就可以给大爆炸理论提供强有力的支持!

1964年,美国射电天文学家阿诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔森(Robert Wilson)试图用喇叭型天线找到从通信卫星上反射回的射电波时,他们接收到了无法解释的一些噪音。当他们排除了一切可能性(包括天线中的鸽子粪便)后,最终发现这是一些理论学家热切期盼的“宇宙微波背景辐射”——宇宙大爆炸遗留下的热辐射[3]

发现了“宇宙微波背景辐射”后,通过不断发展的望远镜技术,天文学家们能够以更高的精确度测量它,并可以从中精确地测量出各种宇宙学参数。

天文学为我们的生活带来了什么?

除了今天介绍的几个重大突破以外,还有类星体、暗物质、星际有机分子和中微子等重要的研究发现……100多年的天文学发展给人类打开了一扇通往遥远太空的大门,让人类的发展看到了宇宙般无限的可能,并彻底的改变了我们每一个人的生活。

接下来就让我们看看,天文学中都有哪些与我们的日常生活息息相关吧。

01 | 相对论和GPS定位系统

卫星就像坐标系中几个基准点一样,知道基准点之间的距离,就不难计算出我们的坐标。这听起来不过是初中所学的解方程组,可如果对相对论一无所知,可能永远解不出答案。卫星自身的位置如何确定又与70年前我们发现的一类奇妙的天体——类星体(Quasar)密不可分[4]

最开始,GPS仅用于军事项目,而现在已有30多颗导航定位卫星环绕着地球,为我们日常生活保驾护航。

02 | 射电天文与WiFi网络

约翰·奥沙利文(John  O’Sullivan)在1977年合作发表了一篇高效传输射电望远镜图像的文章[5],基本方法就是将信号拆分成不同的频率段来传输,接受器收到信号之后再重新合并起来。

澳大利亚最大的射电望远镜,曾于阿波罗11号登月时负责图像信号接收。图片来源:参考文献[6]

这种技术可以大大降低传输过程中的干扰,获得优良的传输效率。可没想到的是,这项研究成果在10多年后为WiFi带来了关键的技术突破。如今我们每人拿起手机和电脑链接上WiFi那一刻,或许都应该感谢他。

Wifi改变了生活。图片来源:Pixabay

从航天育种改善农作物品质, 到环境和资源管理、计算机技术和许多工业产品;从健康和医学仪器,到新型交通工具、公众安全……[7]天文学的进步带来一系列技术的进步和发展,应用到生产生活之中,产生了巨大的经济效益和社会效益,有力地推动了文明的发展,使我们更诗意地栖居在地球上。

从古至今,人类从未停止探索宇宙的脚步,相信在未来,天文学将会给人类带来更多惊喜和希望!

致谢:

感谢中国科学技术大学天文系薛永泉教授对本文内容的良好建议,感谢孙谋远博士对文章学术性的细致审核把关。

(编辑:Yuki)

参考文献:

  1. 什么是脉冲星?有的脉冲星自转速度竟高达每秒1000转
  2. 王运永, 朱宗宏, R.迪萨沃. 引力波天文学——一个观测宇宙的新窗口[J]. 现代物理知识, 2016, 25(04)
  3. 你知道几个?这10大天文学突破
  4. 天文学:这么近,那么远
  5. Hamaker, J.P.; O’Sullivan, J.D.; Noordam, J.E.(1977), “Image sharpness, Fourier optics, and redundant-spacing interferometry”, J.Opt.Soc.Am., 67 (8):1122–1123, doi:10.1364/JOSA.67.001122.
  6. Robertson, Peter(9 February 2010).  “40 Years of The Dish”.  ABCScience.  ABC.Retrieved 16 June 2014.
  7. 探索宇宙奥秘给我们带来了什么?

作者名片

黑洞那么多,为什么M87最先亮相?| 5位科学家热评首张黑洞照片

|· 本文来自“我是科学家”·|

北京时间 2019 年 4 月 10 日晚上21点 ,人类历史上的首张黑洞“靓照”在全球刷屏。

华丽亮相的M87星系黑洞。图片来源:EHT

这张来之不易的照片,是由全球众多研究团队共同合作,耗时两年,从世界各地望远镜获得的海量数据中“冲洗”出来的。这项意义非凡的研究成果一经公布,就立即在世界范围引起了轰动。

那么,这张黑洞照片和理论中的有何差别?为什么M87星系中的黑洞会最先被拍照?这张照片又有哪些重要意义……围绕这些问题,我们采访了领域内的几位科学家,请他们聊了聊自己的看法。

本期科学家

 

刚刚公布的黑洞照片和您想象的有何区别?是否和理论预期的一样?

 

王爽:

有点出乎意料。原以为人马座A*和M87*的照片会同时放出,而第1张是人马座A*。照片本身倒是和理论预言符合得很好。

孙正凡:

刚刚公布的黑洞照片跟之前的预期还是有差别的,它只放出了M87的照片,另一个黑洞的照片还在处理中。此外,我们现在看到的黑洞照片比之前基普·索恩在《星际穿越》中描绘得更加详细。这说明,现实的观测比理论的预言带给人们更多的惊喜,让人们更加了解黑洞。

张帆:

M87中黑洞的这个图像肉眼看上去和广义相对论的预期几乎是一样的,阴影近似圆形;引力透镜导致黑洞后面的吸积盘也可见;环绕黑洞运动的物质中向着我们地球方向运动的那部分所发射的信号和离我们远去的物质发射的信号遭受的多普勒效应相反,所以图像不对称。

黑洞模拟图。图片来源:astronomy|Avery Broderick, Avi Loeb

为什么首先选择人马座A*和M87 星系黑洞作为拍照对象?

苟利军:

人马座A*是在我们看来是最大的一个黑洞,另外一个相对比较大的就是M87星系的当中的黑洞。这就相当于我们把已有黑洞的大型的黑洞看了一遍,发现这两个黑洞是其中最大的,于是就对它们进行了拍照。

M87是室女座星系团成员之一,M87位在此星系团左下方。图片来源:ESO

孙正凡:

目前只能选择超大质量黑洞作为拍照对象。虽然银河系里有不少恒星级的黑洞,但是它们太小了,现阶段并不适合作为观测目标。幸运的是,在几乎所有星系的中心都有超大质量黑洞,它们适合作为拍照对象。

王爽:

对宇宙中所有的黑洞而言,人马座A*和M87*的视张角是最大的。换言之,这是两个从地球上看最大的黑洞。所以EHT会选择观测它们。

人马座A*。图片来源:EuropeanSouthern Observatory

易疏序:

要挑选一个“看起来尽可能大的”目标作为拍照对象。我们都知道“近大远小”,因此我们需要在“黑洞本身的大小”和“离我们的距离”这两点间找到平衡。选来选去,银河系中心的超大质量黑洞人马座A*和附近一个星系M87中心的超大质量黑洞是最理想的。因为它们非常大,而且离得不算太远。

如何为黑洞“拍照”?最大的困难是什么?

张帆:

黑洞本身不发光,我们只能看到其它东西掉到黑洞事件视界里面之前发出来的信号,所以黑洞在照片里面呈现的形态是个影子,我们必须把黑洞的临近环境看得非常清晰这个影子才能凸显出来(不要忘记宇宙背景本身也是黑的)。但是黑洞其实大小非常有限,一个和太阳质量相当的黑洞的半径只有三公里。而且(幸运的)我们附近也没有已知黑洞,所以没办法,只能看较远地方的一个很小的东西。这就需要极高的角分辨率,把一点点角度尺度上的变化都看清楚。这就是为什么需要全世界多个射电望远镜(射电信号不容易被夹在我们和星系中心间的尘埃遮挡)组成一个干涉阵列。

加入黑洞观测计划的各国天文望远镜。图片来源:EHT

黑洞附近物质所发射出来的信号在到达世界上不同望远镜的时间上稍有不同,而这种延迟的大小与信号方向和连接望远镜间直线的夹角相关,通过干涉的方式这个延迟可以被放大成能读取的信号,进而我们可以非常精确地得知信号源的方向,获得需要的角分辨率。延迟的大小当然还和望远镜间的距离成正比,所以望远镜间离得越远越好(但是得在同一个半球,能同时观测同一片天空)。

王爽:

黑洞本身不发光。所以要想为黑洞拍照,得拍黑洞吸积盘发出的光。难点就在于黑洞的视张角实在太小。就连视张角最大的这两个黑洞,都只有区区几十微角秒,相当于从地球表面看一个月球上的乒乓球。

易疏序:

难度在于黑洞太小,太远了。尽管你可以任意放大一张照片,但如果你要拍摄的物体的像比一个像素还要小,那么无论如何放大照片都是没有意义的。

所以要拍清楚黑洞就要求前所未有的非常高的分辨率。

由于量子力学的测不准原理,任何照片都有一个极限分辨率。相机的口径越大,能达到的分辨率越高。同时观测的电磁波波长越短,能达到的分辨率也越高。

基于上述原因,人们希望把望远镜越建越大。但由于技术和资金的限制,单座望远镜的大小受到限制。科学家们发明了一种技术,通过比较距离很远的几台望远镜记录的电磁波相位的差异,来反推天体的图像(也就是基线干涉技术)。通过这个技术,若干台相距几公里的望远镜可以联合成一个阵列,相当于一架口径几公里的望远镜的分辨率。

为了比较各处电磁波的相位差异,这些望远镜需要非常精确地同步他们的时钟。观测波长越短的电磁波(频率越高)对时钟同步的精度要求也就越高。因此这次的EHT拍摄的图片不是在可见光波段,而是在波长更长的射电波段。当然,观众们在媒体上看到的图片是转换成可见光的图片。为了保持望远镜阵列的相干性,每台望远镜的形状都要精确到微米级别,这对工程技术也提出了不小的挑战。

“看见”黑洞具有怎样的科学意义?

王爽:

首先,提供了黑洞存在的直接证据。其次,提供了一个很好的实验室,来检验广义相对论和各种修改引力理论。再次,让人们能更好的理解超大质量黑洞的吸积和喷流。

张帆:

“看见”黑洞可以直接证明黑洞的存在,并检验它是否符合广义相对论的预期。相对论在弱引力条件(如太阳系内的环境)下被非常精确的验证了,而之前引力波在强场环境中又检验了一下,所以我并不期待有这方面的惊奇。但能够以这种精度观测黑洞周边是非常有意思的,因为超大质量黑洞附近应该是很活跃的天文环境,可以用来学习研究很多复杂的天体物理过程。

易疏序:

现代意义上的黑洞已经被预言了一百年了。天文学家发现了很多,很确凿的黑洞存在的证据。比如黑洞吞噬恒星时发出的光,黑洞碰撞时发出的引力波。但这些都是“间接证据”。尽管主流天文学家都相信黑洞一定存在,但按照大家普遍存在的心理:“无图无真相”,“眼见为实”。真的看到黑洞核心区域,事件视界的剪影,无疑是最直接的黑洞存在的证据。这就好比人类几千年前就通过各种证据知道地球是圆的,但是用人造卫星给地球拍一张照片还是最直接的。

除了证明黑洞存在之外,人们还可以根据黑洞周围发光气体形态,推测出黑洞周围时空的弯曲情况。这有助于人们了解引力理论,比如广义相对论是否在如此强引力的地方还依然正确?就像人们说的“证实了爱因斯坦是对的,是一个诺贝尔奖;发现爱因斯坦是错的,是另一个诺贝尔奖”。

此外,黑洞的照片还有助于我们了解星系中心黑洞的质量,自旋,吸积率,周围环境和磁场,成长历史,以及喷流是如何产生的等等天体物理问题。

超大质量黑洞及其周遭吸积盘。图片来源:Wikimedia Commons

未来我们是否有望拍到更多、更高清的黑洞“靓照”?

易疏序:

未来这两个黑洞的照片越来越清晰是肯定的。更多的望远镜加入干涉阵列,以及更先进的技术都会让分辨率和灵敏度进一步提高。至于不远的未来,能否能有更多黑洞的靓照(M87和人马座A*以外),这个需要望远镜分辨率的大幅提升。可能需要用到今天还没有发明出来的技术。

张帆:

要拍摄更清晰的“靓照”需要相互距离更远的望远镜,EHT 里面现在已经基本上达到地球直径了,要达到更远距离可以用上海天文台叶叔华院士提议的太空射电望远镜,或者干脆在月球背面造一个。当然,数据传输、分析等等方面能力的增强和在更高一点的频率上进行观测也会有很大帮助。

苟利军:

我觉得有可能还是先局限在这两个黑洞。但是随着更多望远镜的加入和灵敏度的进一步提高,我们可能会获得更多的细节。所以未来再观测同样的黑洞时,应该会拍到更为清晰的照片。(采访、编辑:Yuki,文字整理、排版:小爽)

这次给黑洞拍照片,我们用了地球那么大的望远镜

一项国际合作的研究,公布了足以载入史册的观测结果——人类首次拍到了黑洞的影像

史上第一张黑洞照片 | EHT

事件视界望远镜”(Event Horizon Telescope EHT),是一个行星级别的望远镜阵列,由位于世界各地的8台地基射电望远镜经由国际合作而构成。今天,在全球范围的联合新闻发布会上,EHT的研究者宣布他们已经获得了成功,揭示了超大质量黑洞及其黑洞阴影的首个直接视觉证据。

这一重大突破今天也在《天体物理学快报》特刊上以6篇论文的形式公布。这幅影像揭示了室女座星系团中M87星系中心的黑洞。这个黑洞距离地球有5500万光年,质量是太阳的65亿倍。

EHT将全球各地的望远镜连接起来,形成了一台口径与地球直径相当的虚拟望远镜,具有前所未有的灵敏度与分辨率。EHT是国际合作多年的成果,在首次验证爱因斯坦广义相对论的历史实验恰逢百年之际,它为科学家提供了一种全新的方式,来研究这一理论所预言的宇宙中最为极端的天体。

美国哈佛-史密森天体物理中心的项目主任Sheperd S. Doeleman说:“我们拍摄了第一张黑洞的照片,这是超过200名研究人员组成的团队完成的非凡科学成就。”

黑洞是一种极其不寻常的天体,质量大到无以复加,尺寸却很小。黑洞的存在,以极端的方式影响着它们周围的环境,弯曲了时空,同时又将周围的一切物质加热到极高的温度。

“如果黑洞处在一个明亮的区域,比如一个发光的气体盘中,我们预期会看到它在其中形成一个暗区,类似于阴影——这曾被爱因斯坦的广义相对论所预测过,但我们从来都没有亲眼见过。”EHT科学委员、荷兰拉德堡德大学的Heino Flacke解释说,“引力弯曲和事件视界捕获光线,产生的这样一个暗区,揭示了此类迷人天体的大量特性,也让我们能够测量M87中心黑洞那巨大的质量。”

利用多种校准方法和成像方法,这项观测揭示出了一个环状结构,中间有一个黑色区域,这便是黑洞的身影了。在EHT进行的多次独立观测中,黑洞的身影始终清晰可见。

“一旦确信拍到了这个阴影,我们就能把观测结果跟计算机模型进行比较,把弯曲空间、超热物质和强磁场等物理过程都考虑了进来。我们观测到的影像,有很多特征都跟理论对应得很好,好得惊人。”EHT委员会成员、东亚天文台台长Paul T.P.解释说,“这让我们对观察结果的解释、以及估计黑洞的质量,都很有信心!”

创立EHT不是件轻松的事儿,需要升级和连接一个全球范围内的网络,这个网络包含了8个高海拔地区的射电天文望远镜阵列,充满各种意想不到的挑战。来看看它们在哪儿吧:夏威夷和墨西哥的火山、美国亚利桑那州和西班牙的山区、智利的沙漠,以及……南极

EHT采用的是一种被称为甚长基线干涉测量(very-long-baseline interferometry ,VLBI)的技术。它能让世界各地的射电望远镜一起工作,并利用地球的自转,使这些望远镜变成了观测波长为1.3毫米、有地球那么大的射电望远镜。这项技术能达到20微秒的角分辨率。这样的精度,足够让一个人从巴黎的街边咖啡馆,看清纽约路人手里的报纸了。

此次做出贡献的望远镜是ALMA、APEX、IRAM 30米望远镜、麦克斯韦望远镜、大毫米波望远镜、亚毫米波望远镜阵、亚毫米波望远镜,以及南极望远镜。望远镜多达数PB(1PB=1024TB)的原始数据,则由高度专业化的超级计算机整合处理。这些计算机由德国马普射电天文学研究所和美国麻省理工学院海斯塔克天文台提供。

EHT的构思,以及今天公布的黑洞影像,是数十年来观测、技术和理论工作的集大成者。这是国际团队合作的典范,需要来自世界各地的研究者密切配合。13个合作机构在现有的基础设施和各种机构的支持下,共同创造了EHT。重大资金支持由美国国家科学基地(NSF)、欧洲研究委员会(ERC)和东亚的基金机构的提供。

“我们取得的这项成果,在上一代人看来还是不可能的。”Doeleman这样总结道。“科技的进步、全球最好的射电望远镜之间的合作,以及创新的算法,共同为我们了解黑洞与事件视界打开了一个全新的窗口。”

编译来源:

Astronomers Capture First Image of a Black Hole

https://eventhorizontelescope.org

翻译:Antares、Luna、李小葵、东风、劈柴

人类复杂的小情绪,人工智能分得清吗?

|· 本文来自“我是科学家”·|

早年间,人工智能(Artificial intelligence,AI)还仅仅存在于天马行空的科幻电影当中,如今它已在生活各处崭露头角——波士顿动力开发出了能跑能跳的机器人,Google开发的AlphaGo因战胜众多围棋高手而名声大噪,升级版AlphaGo Zero更是在不看任何棋谱、自我对弈40天后就超越了所有旧版本。如此“聪明”的AI在面对人类复杂多变的情绪时,是否也能准确辨认呢?

AlphaGo Zero超越了所有旧版本

不存在的“基本情绪”

20世纪90年代初期,情绪科学中的主流观点认为存在六种基本情绪:恐惧,伤心,愤怒,开心,惊讶和厌恶。世界上每个人都亲身经历过这些情绪,并且可以清楚地分辨它们。提出这一观点的是心理学家保罗·艾克曼(Paul Ekman),他还主张人类表情的意义是具有普遍性的,不会因为文化或者地域不同而有所差异。

《头脑特工队》剧照

基于艾克曼的模型,自体心理学专业的博士生莉莎·巴雷特(Lisa Barrett)针对情绪对人类自我感知的影响展开了一系列研究,却得不到设想的结果。经过实验对比和反复论证后,她终于发现艾克曼的模型是错的——根本就不存在所谓的六种“基本情绪”,人类的情绪要远远复杂得多。

如果艾克曼对于情绪的定义是错误的,那么究竟什么是情绪呢?这不仅是一个学术问题,更是关乎未来的核心问题——我们以后能制造出一个像人类一样感知情绪的AI吗?

“情感”机器人Pepper。图片来源:Unsplash

巴雷特的研究让我们看到:情绪不再是稳定的。就像我们即使穿越回古代,由于不同的生活和历史背景,也很难设身处地地想人所想。与此同时,情绪的普遍性也受到挑战——心理学研究中一直存在着“WEIRDs”问题,即白人(White),受过教育的(Educated),来自于工业化(Industrialized)、富裕(Rich)、民主(Democratic)的国家。这些都是典型北美或欧洲心理学专业本科生的真实写照,由于他们不仅是研究者,也是实验被试的主力军,因此大量的心理学研究结果都存在偏见,也大大降低了人类表情、声音音调以及其他行为的多样性。

为了解决这个问题,巴雷特与另一位心理学家詹姆斯·罗素共同建立了“心理学情绪建造”模型。这一模型的理论是基于情绪的产生机制:大脑先提取包括感受、外部世界的状况、家庭和文化的影响等等众多因素,经过进一步加工,最终“建造”出情绪。这使得与情绪相关的表情、声音和行为不仅仅会随着文化不同而改变,甚至在人与人之间都存在着微小的差异。

AI能否“身临其境”?

那么我们真的能建造出一台机器来识别人类的所有情绪经历吗?情绪历史学家托马斯·迪克森(Thomas Dixon)对此表示很乐观,他认为对于AI来讲,情绪产生的机制可能类似于对大脑提取的众多因素进行加权计算。因此只要想办法弄清不同文化、不同个体各因素的权重系数,“情绪公式”也就迎刃而解了。

然而,情绪并非仅是简单的静态加成运算。人类大脑对于他人情绪的识别是通过观察他人的身体动作和面部表情,并结合当时的场景来完成的。这就引入了“情境”这个动态因素。

比如,看看下图中这个人的面部表情和举起的胳膊。

挥拳头和皱眉头的司机

光看照片,你觉得他是有路怒症?还是在为心爱的球队得分而挥拳庆祝?如果将来我们的自动驾驶车辆中配备了情绪识别AI,能够在感知到司机路怒时强行停车,那么问题就来了:为了庆祝而高举的拳头可能会把我们困在路边。

为了避免路上堵满愤怒的司机,一台情绪处理AI的必备技能就是要理解事情发生的情境及其背后的价值。司机对于挥拳头和皱眉头的记忆;对车的记忆;对于不同运动的记忆和反应;司机支持的球队难得进球的记忆;他对这支队伍的感受;对于司机开车的分析;理解那是喜极而泣而不是悲伤(或生气)等等……这些乱七八糟的总和就是情绪,而AI需要的不是把这些信息简单地储存下来,而是将所有这些融入理解的情境当中,通过动态整合做出准确的判断。

精准的机器 vs 模糊的大脑

尽管AI可以精准地记住东西,但是有时情绪是模糊的、琢磨不透的。一台机器可能认为皱眉和拳头代表着威胁,但同时又在数据库中记录着司机并不是一个暴力的人。当两个信息出现冲突时,它该对哪个信息作出反应呢?大脑可以处理许多矛盾数据来让我们搞定新的情境,但对于AI的逻辑就完全行不通了。

人的记忆并不是一种单纯的记录仪器,而是一个“动态分类”系统,然而目前还没有任何研发团队将动态分类应用于AI的开发当中。当人们给AI植入记忆数据库时,无形之中也对它产生了限制,使它在辨识情绪时带有一定的偏见。

给AI植入记忆数据库。图片来源:Pixabay

退一万步说,即便哪天AI真的可以通过动态分类系统识别情绪,它也只是一台冰冷的机器,无法与人类共情。因此,我们建造一个情感AI的最后一步就是引入感受。只有当我们真的感知这个世界,才可能理解周围事物存在的价值。如果没有嗅觉和味觉,我们可能很久前就死于误食腐败食物;如果没有欲望,我们就不会与另一半坠入爱河、繁衍生息;没有惊慌,我们在看到尖牙利爪的老虎时也不会逃跑求生。我们的内部感受纷繁众多,在心理学中称之为情感(affects)。

情感并不是情绪,它是身体对于愉快或不愉快的感觉的评价,因此情感不能脱离实体而存在。就像巴雷特说的“一个没有肉体系统来平衡的空洞大脑,它是没有身体感觉去理解的,也是无法感受情绪的。”一台感受机器的身体不一定非要像“银翼杀手”一样是个有血有肉的人类复制品,它可以是一个完全基于代码产生的虚拟身体。

《银翼杀手》剧照

反观当下众多的刺激反射AI,比如对视觉、听觉和压力等简单刺激做出程式化反应的机器,我们就知道创造一台真正能够感受情绪的机器还有许多路要走。

随着AI行业的日新月异,许多人也曾对它的发展提出过担忧。特斯拉CEO伊隆·马斯克曾表示“应该有一些国家甚至国际层级的监管,来确保我们不做任何傻事。我觉得有了AI我们就在召唤恶魔。”而世界著名的物理学家史蒂芬·霍金给出了更加悲观的态度:“人工智能的完全开发可能导致人类的灭绝。”

如何让人类从AI的开发中获益又不受制于AI的发展,或许是未来很长一段时间内需要深入思考和探讨的问题。(译者:郭怿暄;编辑:大庆;审核:Yuki)

原文链接:https://howwegettonext.com/emotion-science-keeps-getting-more-complicated-can-ai-keep-up-442c19133085(本文由storythings供稿)

参考文献:

  1. https://howwegettonext.com/emotion-science-keeps-getting-more-complicated-can-ai-keep-up-442c19133085
  2. https://www.forbes.com/sites/bernardmarr/2017/07/25/28-best-quotes-about-artificial-intelligence/#74bbf8a4a6fc

贸易战下想弯道超车?材料学博士告诉你有多难

|· 本文来自“我是科学家”·|

有这样一位博士,她的日常工作就是寻找又听话又便宜又容易和其他现有存储芯片常见材料不打架的材料,你以为她是玩磁铁的?那么,真实的材料学博士是什么样子?她的生活还有哪些趣事?一起来看看材料学博士的日常吧!
(**专栏中所涉及的内容为嘉宾自身的经历,仅供参考,不同院校/专业/研究方向的博士在研究和生活方面都会有不同的体验哟**)

芯片,我们到底行不行?

要说去年最大的事件,中美贸易争端必占其一。在这场看不见硝烟的战争中,我们能有些印象的大概就是在太平洋上全速航行的那船大豆和被禁售电子零部件的中兴通讯。由此而来的国产芯片制造领域,在我大A股2018年一片“蕉绿”的哀嚎中异军突起,全面翻红。而那些依赖进口芯片的上市公司却大幅下跌。

芯片都是是什么呢?图片来源:Pixabay

那么,让资本市场如此巨幅波动的芯片到底是什么呢?其实,芯片这个名词涵盖的领域非常广,几乎所有的半导体元件都可以叫芯片。不同的芯片种类对应不同的应用场景,比如说传感芯片、计算芯片、存储芯片、通信芯片等等。这些芯片中,有一部分是利用磁性材料的极性来实现0和1的数字存储或者计算的,我的专业方向就是研究这类材料。

我们人类从结绳记事开始,用语言、图像、文字,直到现在数字科技时代,利用不同的介质保存自己的文明创新。还记得小时候周杰伦出新歌立马跑到新华书店去买磁带的经历吗?还记得小学第一台电脑用的是3.5英寸的软盘吗?(暴露年龄了)。随着科技的进步与发展,一台手机可以解决大部分的多媒体问题。这就要依赖于背后高集成度的芯片来进行计算和存储。

如今一台手机就可以解决大部分的多媒体问题,这依赖于背后高集成度的芯片来进行计算和存储。图片来源:Pixabay

那么我们到底和发达的半导体技术差多远呢?客观的说,目前我们从原材料到设备到分析软件到从业人员的能力经验积累,都落后于美日韩等发达半导体国家。毕竟人家有几十年的各方面积累,有一茬一茬的年轻人为此而奋斗。但是,可以看到的是我们的国家正在为此而努力改变。在武汉、合肥、大连、福州、成都、杭州、无锡等城市,都有芯片产业的布局。我在新加坡的一位前辈曾经说过:“国家肯大力投入这个领域,哪怕是有些公司最后没有把产品做出来,也为这个领域在国内的探索和尝试留下了经验、培养了人才。”而他本人,也就在16年回到了祖国投身芯片领域的建设。

我们组的研究重点

接下来简单介绍一下我们组的研究:基于自旋轨道矩的磁性翻转——SOT-MRAM的基本结构。

早在2007年,诺贝尔物理学奖就被授予发现巨磁阻效应(GMR)的Albert Fert和Peter Grunberg。这个效应简单来说就是下图这样[1]:

巨磁阻效应示意图。图片来源:参考文献[1]

简而言之就是:当上下两层磁性朝向相同时,通过该薄膜的电阻较低;当上下两层磁性相反时,通过该薄膜的电阻较高。之后更早期发现的隧道磁电阻效应(TMR)也引起了大家的注意。随着磁记录材料的发展,磁性隧道结(MTJ)发挥了越来越重要的作用,在硬盘的读头中,一些高精度的磁性传感器中都有应用。这便是传感器芯片以及磁性随机存储器的基石。

那么我们如何利用这个磁性隧道结呢?首先,我们把下面这一层通过各种方式固定起来,现在常用的方式是人工反铁磁结构。当我们得到下面这个固定的磁性朝向后,我们通过电或者磁来让上面这一层材料的磁性翻转,于是乎可以得到高电阻态和低电阻态。这两种状态可以天然的作为0和1来进行运算。SOT(自旋轨道矩)就是利用重金属的某种特质来对下面的磁性层进行翻转的过程。枯燥的内容不说太多,我们来看看下面我的小心得小体会。

站在分叉路口做选择:要不要读博?

要不要继续接受教育这个事情吧,在各大论坛上都有争论。有些人说,年代不同啦,职场竞争压力大,研究生找工作都不好找,当然要读个博士咯。当然也有人说博士毕业工作也不好找的。有些人说,读博士好啊,你看深圳不是有个孔雀计划吗,只要是QS排名前150的学校毕业的博士来深圳工作,都可以拿到一笔不少的钱。当然也有一些人说,应届博士工资并不比应届研究生高多少的……

我觉得吧,其实读博这件事情主要看自己对将要做的领域有没有兴趣,耐不耐得住寂寞。可能有些学弟学妹们要问,我其实不知道自己对这个有没有兴趣。那么我这里有个粗略的判断方法:你可以看一下可能会攻读博士的导师个人首页上他的研究方向,然后去搜索一下相关行业信息。如果你觉得搜了好多天,越来越多的信息你都想知道,那么很明显,你对此是感兴趣的。如果你搜了半天时间就觉得很枯燥乏味,那么很明显你对此并没有什么兴趣。

如果你搜了半天时间就觉得很枯燥乏味,那么很明显你对此并没有什么兴趣。图片来源:Pixabay

博士出来的工资未必有你研究生毕业工作几年之后拿到的工资高,所以如果只看收入的话,很难去界定哪一条路更好。目前来看,如果有志于加入自旋电子学这个方向的话,就业前景还是可以的,毕竟国家大力发展这个方向。

我的博士生活日常

新加坡大概7点钟天亮,于是我差不多是9点起床(咳咳)。之后去教研室吃个早餐打开电脑看一下有没有邮件并做一下今天的计划。差不多10点就去实验室啦,吭哧吭哧做到饿了就去吃个午饭接着回来继续做实验,一直到饿了再去吃饭,然后回来吭哧吭哧(差不多是猪一样的生活)。

基本上不是处于需要做实验的状态就是处于需要看文章、写文章、数据分析的状态。当然,也有可能互有穿插。比如说周一早上有个数据需要补充一下,我来生长一下样品,但是周三下午才有测试的机时,于是我就必须在周一下午到周三上午这段时间把生长好的样品处理成可以测试的状态。

在一个项目进行中的正常情况下是休息很少的。但是呢,我校有21天假期(除了公共假日之外的)足够你在项目瓶颈期或者项目结束好好度假放松一番。毕竟马来西亚、泰国、印尼是辣么辣么近。刁曼、兰卡威、普吉、巴厘的海水是辣么辣么蓝。总之,理工科PhD的时间还是比较自由哒。只要项目能做成,其他都是自由时间。

认真学习,努力搬砖。供图:搬砖小蚂蚁

泡一泡图书馆上个自习什么的当然也是很开心咯。当然体育锻炼也必不可少咯。(此处必须放上我们新的泳池!)

供图:搬砖小蚂蚁

关于申请学校的二三事

关于申请学校,我的观点是:funding>导师>专业>学校排名。因为好的导师可以带你成长带你飞,差的导师就……咳咳,你懂的。但是一切没有钱没有资源就等于啥也没有。另外一个就是对于海外高校而言,语言真的是很重要的一关。毕竟平时大多数时间的学术交流,课程都是以英语为主。你一定要会利用这种语言表达自己才能与人相互学习。还有就是,如果有可能的话,尽量做这个组比较擅长的领域而不是新领域。毕竟如果是有经验积累,那么无论是设备还是数据分析,都会比较快的上手。如果是新的领域,那么可能买个设备都要个一年多呢。

关于找工作的二三事

NUS(新加坡国立大学)有个专门辅导学生如何找工作的部门叫career center(职业技能辅助中心)。这个部门会有老师教你如何优化自己的简历,面试的小技巧甚至会有专门的教女生化妆的课。当然这些开课的时候你需要去选啦。另外就是,这个部门每年会组织两次大型的招聘会,那个时候你会看到各大公司来我们sport center这里摆摊。当然咯,如果有公司需要单独开一场招聘会,career center也会群发邮件给大家哒。找工作方面,我觉得还是很容易的。

关于生活上的杂七杂八

(1)住宿:对于从中国来到NUS的博士,在学校的第一年和最后一年是肯定能申请到宿舍哒,下附utown(其中一个宿舍)图一张,对!没错!有屋顶泳池!

供图:搬砖小蚂蚁

当然咯,如果中间两年你并没有申请到宿舍,也可以在校外租房子的。西海岸,金文泰附近租房子的中国学生是非常非常多。

(2)饮食:饮食上也不用担心,虽然不如国内丰富,但是华人餐厅还是很常见的。另外还有印度菜,西餐,马来菜,日韩泰料理可供选择。是不是想来尝一下新加坡的肉骨茶呢?

(3)交通:新加坡的公共交通是非常的发达,几乎没有公交和地铁到不了的地方。当然,出门打个uber或者grab也是可以的。

(4)商业:购物不用担心,乌节路的各大奢侈品牌足以满足你败家的冲动。另外还有其他的商场和outlets(打折村)。

(5)奖学金:QE(中期考核)之前是2000新币,QE之后是2500新币。

最后的最后,祝大家早日进入自己心仪的大学啦。文末我大NUS镇楼。(编辑:Yuki)

参考文献:

  1.  Journal of Applied Electrochemistry 37(5):549-555,2007

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