4G通信

    就在3G通信技术正处于酝酿之中时，更高的技术应用已经在实验室进行研发。因此在人们期待第三代移动通信系统所带来的优质服务的同时，第四代移动通信系统的最新技术也在实验室悄然进行当中。

    那么到底什么是4G通信呢？

    有人说4G通信的概念来自其他无线服务的技术，从无线应用协定、全球袖珍型无线服务到3G；有人说4G通信是一个超越2010年以外的研究主题，4G通信是系统中的系统，可利用各种不同的无线技术；但不管人们对4G通信怎样进行定义，有一点人们能够肯定的是4G通信是一个比3G通信更完美的新无线世界，它可创造出许多消费者难以想象的应用。4G最大的数据传输速率超过100Mbit/s，这个速率是移动电话数据传输速率的1万倍，也是3G移动电话速率的50倍。4G手机可以提供高性能的汇流媒体内容，并通过ID应用程序成为个人身份鉴定设备。它也可以接受高分辨率的电影和电视节目，从而成为合并广播和通信的新基础设施中的一个纽带。此外，4G的无线即时连接等某些服务费用会比3G便宜。还有，4G有望集成不同模式的无线通信——从无线局域网和蓝牙等室内网络、蜂窝信号、广播电视到卫星通信，移动用户可以自由地从一个标准漫游到另一个标准。

     4G通信技术并没有脱离以前的通信技术，而是以传统通信技术为基础，并利用了一些新的通信技术，来不断提高无线通信的网络效率和功能的。如果说3G能为人们提供一个高速传输的无线通信环境的话，那么4G通信会是一种超高速无线网络，一种不需要电缆的信息超级高速公路，这种新网络可使电话用户以无线及三维空间虚拟实境连线。另外由于技术的先进性确保了成本投资的大大减少，未来的4G通信费用也要比3G通信费用低。

     4G通信技术是继第三代以后的又一次无线通信技术演进，其开发更加具有明确的目标性：提高移动装置无线访问互联网的速度。据3G市场分三个阶段走的发展计划，3G的多媒体服务在10年后进入第三个发展阶段。在发达国家，3G服务的普及率更超过60%，那么这时就需要有更新一代的系统来进一步提升服务质量。

    为了充分利用4G通信给人们带来的先进服务，人们还必须借助各种各样的4G终端才能实现，而不少通信营运商正是看到了未来通信的巨大市场潜力，他们已经开始把眼光瞄准到生产4G通信终端产品上，例如生产具有高速分组通信功能的小型终端，生产对应配备摄像机的可视电话以及电影电视的影像发送服务的终端，或者是生产与计算机相匹配的卡式数据通信专用终端。有了这些通信终端后，手机用户们就可以随心所欲的漫游了，随时随地的享受高质量的通信了。

数学归纳法与《道德经》

张奠宙

    数学，犹如雨后初霁的天空，一尘不染，阳光万里，然而未免稍觉单调。人文则如漫天云彩，白云苍狗，丰富多变，又会令人眼花缭乱。若得二者相配，蓝天白云，何等赏心悦目？那么，设想数学与人文之间如能获得沟通，又将会出现怎样的深邃意境呢？

    数学归纳法在古希腊数学中已有萌芽。但真正作为一种重要的数学方法，是19世纪皮亚诺提出“自然数公理”前后的事情。现在，纯西方的“数学归纳法”真的遇上了《道德经》以及《愚公移山》等东方经典故事。

    如今高中课程中的数学归纳法，目标是要证明对所有的自然数n，命题P(n)都成立，一个也不能少。教学中，则常以多米诺骨牌作喻。意思是，推倒第一块，接着便会推倒第二块、第三块，直至成千上万块。然而，多米诺骨牌无论制作得怎样精致，总有结束的时候。能够推倒的，毕竟只是有限块。可是数学归纳法所要面对的是自然数全体，要求从有限跨入无限的大门。如此看来，多米诺骨牌对数学归纳法来说，只是形似，没有神似，差得很远呐。

    于是，中国经典《道德经》登场了。“道生一，一生二，二生三，三生万物”，这十三个汉字，尽显无限本色。原来，所谓“万物”泛指的“无限”，乃是不断“生”出来的啊。更进一步，“愚公移山”故事里的一段妙语构造了一个“生生不息”的无限思维模型。愚公说：“

    虽我之死，有子存焉；子又生孙，孙又生子；子又有子，子又有孙；子子孙孙无穷匮也，而山不加增，何苦而不平？”

    这里，愚公高调宣布了用“无限”战胜“有限”的胜利。既然愚公家族的序列可以做到“无穷匮”，那么用于任何命题列P（n）行不行呢？这就要看P(n)能不能具有愚公家族序列的特性了。如前所说，愚公模型之所以能达到无限，是因为神话人物愚公自动地获得了他的子孙世世代代必定都能够“生”的特殊保证。至于P(n)的每一代能不能“生”？那就需要检验了。事实上，数学归纳法本身正是在做这样的检验!

    首先，数学归纳法的第一步是要验证n=1时P(1)成立。这相当于P(1)的正确性必须像愚公自己一样要能“生”出来，即有子存焉。其次，要验证已经具有正确性的P(n)是否如愚公的每一代子孙那样都能“生”，即对任意的n，由P(n)的正确性能生出P(n+1)是正确性来。一旦这两步都成立了，P(n)的正确性序列能够一代代地“生”出下一代了，就可以像愚公家族一样地达到“无穷匮”，无一例外地全部都成立。

    从《道德经》的三生万物，愚公的生生不息，到“野火烧不尽，春风吹又生”，东方经典的无限观一直和“生”联在一起。一个“生”字，终于使得数学归纳法不再神秘。记得在中学课堂上，学生们对那两步检验的来历往往不知所云。如果读了愚公移山的故事，大概就会“会心一笑”，觉得那不过是在进行能不能“生”的检验而已!

    这种数学与人文的沟通，初接触时会觉得有些出乎意料，但是细细想想，却又在情理之中了。现在提倡“文理不分”，真希望“文科生”“理科生”，大家都来关注这样的沟通。

（摘选自《教师博览》2017年第4期，有删改）

生物发光的奥秘

    说到生物世界里的发光现象，人们首先会想到萤火虫，但是除了这种昆虫外，还有许多生物也能发光。人们发现，不同的生物会发出不同颜色的光来。所有的植物在阳光照射后都会发出一种很暗淡的红光，微生物一般都会发生淡淡的蓝光或者绿光，某些昆虫会发出黄光。仔细地划分一下，生物发光可分两类：一类是被动发光，如植物，那些微弱的红光不过是没能参与光合作用的多余的光，这种光对植物是否有着生物学上的意义目前还是个谜，但一般的看法是这种光无意义，就像涂有荧光物质的材料经强光照射后再置于黑暗中发光那样；另一类是主动发光，尽管有一些主动发光的意义目前还未全部认识清楚，但有一点是可以肯定的，绝大多数生物的主动发光是有用途的。光是一种能量，主动发光是对能量的一种消耗。生物的生存策略有一个最基本的共同点，那就是在维持生命的正常活动中最大限度地去节省能量，因此主动发光必定是主动发光生物生存的一个重要手段。

    1885年，社堡伊斯在实验室里提取出萤火虫的荧光素和荧光素酶，指出萤火虫的发光是一种化学反应。后来，科学家们又得到了荧光素酶的基因。经过科学家们的研究，萤火虫的发光原理被完全弄清楚了。我们知道，化学发光的物质有两种能态，即基态和激发态，前者能级低而后者能级很高。一般地说，在激发态时分子有很高并且不稳定的能量，它们很容易释放能量重新回到基态，当能量以光子形式释放时，我们就看到了生物发光。如果我们企图使一个物体发光，我们只需要给它足够的能量使它从基态变成激发态就行了。但生物要发光则需要体内的酶来参与，酶是一种催化剂，并且是高效率的催化剂。它可以促使化学反应的发生，给发光物质提供能量，且能保证消耗的能量尽量少而发光强度尽可能高。在萤火虫体内，ATP（三清腺酸苷）水解产生能量提供给荧光素而发生化学反应，每分解一个ATP氧化一个荧光素就会有一个光子产生，从而发出光来。目前已知，绝大多数的生物发光机制是这种模式。不过在发光的腔肠动物那里，荧光素则换成了光蛋白，如常见发光水母的绿荧光蛋白，这些绿荧光蛋白与钙或铁离子结合发生反应从而发出光来。

    时间如风，星移斗转，天道无穷。节气是自然时令，它依据的是地球围绕太阳公转过程中，因所处位置的关系，接受阳光照射角度、时间的不同，而带来的一系列天文物候变化。中国人很早就根据自然时间节律，发明了“二十四节气”时令体系。它起源于黄河流域，以黄河流域的天文物候为依据。早在春秋以前，人们已用土圭测日影的方法，测定了春分、夏至、秋分与冬至四个节气点，后又推算出立春、立夏、立秋、立冬的时间。战国时期，“二十四节气”已经出现，在《逸周书》中有完整的“二十四节气”序列，只是个别名称位置不同罢了。

    “二十四节气”时令是我们先民认识天地自然时序的时间框架，它是中国古代社会人们生产生活的时间指南。古人认为“二十四节气”运行的内在动力是阴阳二气的流转，不同的节气时令，阴阳二气在天地中处于不同的位置。由于阴阳二气分别代表寒冷与温暖的气候属性，万物的生命周期亦与节气时令相关，春生、夏养、秋杀、冬藏是“天之道”，围绕着这一天道信仰，不仅圣人要“副天之所行以为政”，以春庆、夏赏、秋罚、冬刑来对应天道，就是普通人的生活起居也要依照四季时令的阴阳特性来安排，因此形成了针对特定节气时令的信仰、禁忌、仪式等。

    在节气时令中，饮食保健的内容令人注目，它是我们祖先岁时生活的经验总结。传统时令饮食原则是：必先岁气，毋伐天和。《黄帝内经》认为：春省酸增甘以养脾气，夏省苦增辛以养肺气，长夏省甘增咸以养肾气，秋省辛增酸以养肝气，冬省咸增苦以养心气。即按照四季阴阳二气升沉流转与五行属性，调整饮食性质、内容。

    节气时令是自然节律，也是传统中国人亲近自然的季节提示。人们依照春夏秋冬的天时，安排着四季的活动。如霜降，霜降之后秋收结束，农人停止劳作。《礼记·月令》：“霜始降，则百工休。”这既是顺时，也是因为天冷不便于工程或手艺制作。

    冬至之后进入酷寒时节。这对保暖条件简陋的古人构成了严重威胁，人们是掰着指头度日的。为了纾解在冬寒胁迫下出现的心理危机，挨过漫长冬季，从寒冬看到春日的希望，人们很早就发明了“数九九”的游戏。从宋元开始，《九九歌》就流传于南北各地，至今流传的“一九二九不出手，三九四九冰上走，五九六九沿河看柳，七九河开，八九雁来，九九加一九，耕牛遍地走”就是这一歌谣体的延续。

    “二十四节气”是中国人通过观察太阳周年运动，认知一年中时令、气候、物候等方面变化规律所形成的知识体系和社会实践。作为中国人特有的时间知识体系，“二十四节气”世代相传，深刻地影响着人们的思维方式和行为准则，是中国传统历法体系及其相关实践活动的重要组成部分，也是中华民族文化认同的重要载体。对于当代中国人来说，“二十四节气”具有生活节奏的提示与生活方式的调节的指导意义。我们应自觉地传承这一文明财富，尊重自然时间，尊重生命节律，从机械的物理性的钟表时间中解放出来，享受色彩斑斓的自然时间生活。

（摘自萧放《“二十四节气”与民俗》，有删改）

材料一：

嫦娥六号的任务是在“鹊桥二号”中继星的支持下，实施月球背面采样返回。嫦娥六号任务总设计师胡浩介绍，作为嫦娥五号的备份，嫦娥六号的生产时间比较长，执行任务之前，科研人员对产品的质量和 可靠性进行了深入梳理，使整个系统能够更健全、可靠。嫦娥六号任务顺利完成之后，嫦娥七号、嫦娥八 号按计划推进。嫦娥七号任务主要是对月球南极部分资源做勘察，嫦娥八号将对月球资源的原位利用开展技术验证。

       20年来，在工程领导小组各单位的大力协同下，参与探月工程研制建设的全体同志强化使命担当，“一张蓝图绘到底”，一步一个脚印稳扎稳打，实现连战连捷。中国探月工程汇聚了全国数千家单位、数万名科技工作者，形成重大科技工程实施的成功模式，走出了一条高质量、高效益的月球探测之路。务实高效的国际合作也是嫦娥六号任务的一大特色。本次任务搭载了欧空局月表负离子分析仪、法国氡气探测仪、意大利激光角反射器、巴基斯坦立方星等4个国际载荷，“国际范”满满。

(摘编自喻思南《嫦娥六号实现三大技术突破》)

材料二：

2020年底，嫦娥五号已经从月球取得1731克月壤样本，那么这次嫦娥六号再次取样1935.3克，又会刷新哪些认知呢?从地质结构来说，嫦娥五号在吕姆克山附近着陆。吕姆克山是月球正面西北部的一座火山，着陆位置是火山活动形成的一片玄武岩漫溢区，地质年代非常年轻。当然，虽然说年轻，但也已经20亿岁了。而嫦娥六号的着陆地点是南极—艾特肯盆地，这可是整个太阳系中最大、最深、最古老的撞击盆地，撞击力度可能穿透月壳直抵月幔。

我们可以期待嫦娥六号取得与嫦娥五号迥然不同的结果。比如说，从嫦娥五号取得的月壤样本中，通过铀一铅同位素测年法，中国科学家确实发现了20.3亿年前才从熔岩中结晶而成的矿物晶体，将月球冷却、岩浆活动停止时间延后了8亿年左右。而从嫦娥六号这里，我们却会努力寻找形成于大约42亿一43亿年前的古老岩石，尽可能地了解月球形成早期的历史。在撞击盆地的月球表面也可能有从月幔翻出来的深处物质，如果嫦娥六号能够幸运采集到的话，也会大大推进人们对月球内部结构的了解。

从空间环境来说，月球的正面和背面也有点不一样。虽然从地球上只能看到月球的正面，看不到背面，月球始终以同一面朝着地球。满月前后，也就是月球正面正对太阳的这段时间，月球会被地球磁层的长尾罩住。这段时间，月球感受到的太阳风“风力”会锐减，而从地球大气逃逸的粒子却有机会到达月球，这就是所谓的“地球风”。而在初一前后，月球走到太阳和地球之间，背面正对太阳，此时的月球则是毫无遮挡地遭受太阳风的轰击，也不再有地球风的吹拂。因此，和正面相比，月球背面是个被地球关怀更少、受太阳折磨更狠的地方。在月背的月壤中应该更难找到水或含水矿物，而氦-3(一种清洁核聚变能源)的 储量则应比正面更丰富。

月球背面具有独特的环境，它几乎没有受到地球的影响，是天文学家用来观测宇宙更有利的地方。假如未来在月球建立科考基地的话，能源、水和氧气这些资源信息都是我们要摸清的，所以通过月壤来了解正面和背面的差异，不光是具有学术上的意义，更具有实际意义。

(摘编自“科普中国”《人类首次月背采样返回，为何嫦娥又要奔月挖土?》)

材料三：

“此次月背采样是先钻取后表取，一次钻取多次表取的方式，提高了采样的可靠性和多样性。”中国航 天科技集团金晟毅介绍，两种采样方式的侧重点各不相同。钻取需要采集一定深度的月球次表层样品，让样品种类更为丰富。钻取采样装置有外钻杆、取芯管和取芯袋三层结构，当钻头向下钻进时，取芯袋也会跟随着取芯管向下运动，而钻取到的月壤则会被顶进袋内，整个过程就像“穿袜子”。而表取采样则是在一片区域里进行多次采样，主要采样目标是月球表面的风化层样品。两种方式实现的技术途径、采集的月球样品种类不一样，科学价值也不同。

金晟毅表示，嫦娥五号采样的每个过程都需要地面发送指令，再让机械臂去执行相应的动作。而嫦娥六号则采用了智能化采样技术，一部分固定动作交给探测器去执行，实现近端闭环控制，有效减少了与地面交互的环节，提高探测器的预见处理能力，有效缩短采样时间。

(摘编自李思雨《嫦娥六号如何“月背挖宝”》)

材料一：

  6月25日，嫦娥六号回家了！

    从月球高速飞向地球可谓风驰电掣，如何减速成为嫦娥六号返回器安全回家的关键。返回阶段在太空上演了接近第二宇宙速度（约为11.2千米/秒）的“打水漂”。
    太空“打水漂”的科技术语为“半弹道跳跃式再入返回”。首先嫦娥六号以接近第二宇宙速度的高速进入大气层，实施初次气动减速。下降至预定高度后，从“亲近”地球变为远离地球，向上“跳出”大气层，就像打了一个水漂。专家指出，数千公里大气层的阻力，以及航天器与大气层摩擦产生的热量可以快速消耗嫦娥六号返回器的能量，使返回器穿出大气层时的速度降到第一宇宙速度（约7.9千米/秒）以下，不再具备环绕地球飞行的条件。到达最高点后开始滑行下降。之后，它再次进入大气层，实施二次气动减速。在“踩刹车”“打水漂”后，近地10公里高度时，它又“开伞花”，再次减速以安全落地。
    嫦娥六号返回器安全着陆后，见到它的人都被其乌黑的外表所震撼，那是被大气层烧蚀过的斑驳痕迹，这见证了它这一路旅程的艰辛。
    在国际上，探月任务的成功率只有一半左右。我国探月工程自2004年1月正式立项以来，交出了从嫦娥一号到嫦娥五号连战连捷、100%圆满成功的答卷，创造了世界月球探测史的中国纪录。
    嫦娥六号任务是人类首次月背采样返回，由于人类对月球背面的环境认识并不充分，这趟月背之旅面临了很多困难和挑战。在嫦娥六号发射场工作期间，国际上进行了3次探月任务，均不同程度遭遇了挫折美国“游隼”号月球着陆器发生推进剂泄漏，登月失败；日本SLIM探测器登月后，太阳能电池无法正常发电；美国“奥德修斯”着陆器落月过程发生故障，2条着陆腿折断导致倾倒……有人问：中国人这次行不行？
    要到月背取土，必须攻克“潮汐锁定”效应带来的月球始终以正面朝向地球无法通信的难题。先期已按计划，建好“鹊桥”中继星通信基站。5月3日出征，6月2日精准着陆在月球背面南极——艾特肯盆地。之后，完成智能快速采样，将珍贵的月球背面样品封装。嫦娥六号因为在月背表采时留下的图案与“中”字相像，用玄武岩纤维特制的五星红旗成功展开，迅速引发热议。6月4日，从月背起飞返回，经历13天环月等待，于6月25日重返地球。得益于月球逆行轨道设计与控制、智能采样、月背起飞上升三大技术突破，如今，嫦娥六号已从38万公里外的月球背面携带月壤顺利返回，我们的任务结束了，但“嫦娥奔月”的故事未完待续。
    6月28日上午，中国国家航天局在北京举行仪式，将嫦娥六号采集到的1935.3克月背样品移交中国科学院。南京大学、中国地质大学等中国高校，巴基斯坦等国家，分配到了这些珍贵的月壤和岩石样本。在不远的未来，它将帮助我们解开更多有关月球和宇宙的谜题。同时，这一成就也将促进人类和平利用太空资源，并在推动构建人类命运共同体方面做出更大贡献。

（摘编自中青网）

材料二：
    钱学森弹道，是钱学森在上世纪40年代和两名同事共同提出的。基于高速物体由真空或者密度较低的空间进入密度较高的介质的时候，会产生反压。因此，钱学森弹道原理就是让导弹弹头在大气层边沿的“临近空间”进行增程滑翔，然后再进入稠密大气，就可以让飞行器高速滑翔下降，而不是一头栽下来。所以，“钱学森弹道”又被称为“助推滑翔弹道。

    网上有很多关于钱学森弹道的解说，还有人说钱学森弹道是打水漂弹道，其实这是一个误解打水漂的不是钱学森弹道，而是桑格尔弹道，在桑格尔弹道下，导弹弹头在下降阶段会有多次升高然后再下降的跳跃过程，看起来就像我们平时在水面上打水漂，所以也叫做水漂弹道，钱学森弹道则是比较平缓下降，看起来桑格尔弹道更复杂，实则实现起来并不然。因为钱学森弹道要研究高层稀薄大气的流体力学问题，再用弹道理论对这些问题进行解算，整个过程十分复杂而“桑格尔弹道”过程仅发生在大气低层，因为在大气低层的环境下，只要提供一个足够的力，就能形成下一个“跳跃弹道”，因此只需要重点研究助推力问题，所以实现起来相对更简单。
    嫦娥五号任务首次创造性地采用“半弹道跳跃式再入返回”技术，如今嫦娥六号任务的连续成功，再次验证了该项技术的强适应性、高精准度和高稳定性。

（摘编自航天科技人员解说）

材料三：
    地球是我们的家，我们的母亲，人类是在这里诞生和成长的，是在这里成熟起来的正是在这个星球上，我们激发了探索宇宙的热情；也是在这里，我们正在痛苦和不安之中掌握我们自己的命运。
    人类有幸来到地球这个行星上。这里有充满氧气的蓝天，有碧波荡漾的海洋，有凉爽的森林，还有柔软的草地。这无疑是一个生机勃勃的星球。从整个宇宙来看，它不但景色迷人，天下稀有，而且到目前为止，在我们的行程所经历过的所有时空当中，只有这个行星上的人类开始对宇宙进行探索。必定有许多这样的星球散布在整个宇宙空间里，但是，我们对它们的探索从这里开始。我们有人类百万年来用巨大的代价积累起来的丰富知识。我们这个世界人才济济，人们勤学好问。我们的时代以知识为荣，我们是很幸运的。人类是宇宙的产物，现在暂时居住在叫作“地球”的星球上。人类返回“家园”的长途旅行已经开始。

（节选自卡尔•萨根《宇宙的边疆》）