飓风：自然的暴力

   飓风是一种热带气候，它是热带海洋上的一个强低气压区，被狂暴的旋转风包围。在北大西洋、在国际日期变更线以西的东北部太平洋以及东经160度以东的南太平洋上，它被称为台风，在印度洋上又称为旋风。

   当热带气旋的风速达到每小时120千米，就正式称为飓风，风速在每小时120千米以下都称为热带风暴。每年，热带地区海洋上产生大约100个热带风暴。其中约50个达到飓风强度。飓风一词源于“Hudcan”，是加勒比海传说中的邪恶之神。

飓风的形成需要精确的气象条件：海平面温度需要高于26.5℃。它们的动力是水蒸气释放的能量：温暖的热带海平面上的空气吸收海水热量后迅速旋转上升，形成一片超低压区域，成为风暴眼。飓风季节从6月1日开始，持续到11月30日结束，最具破坏力的飓风通常出现在8月中旬至10月中旬。

首先，在最极端的情况下，飓风可产生最高速度每小时320千米的强风，只有最坚固的建筑才能抵挡如此强的风。其次，它们总是携带暴雨，可能引发灾难性的洪水。第三，最为可怕的是，飓风有时会引发风暴潮现象。所谓风暴潮就是狂风和超低气压携手造成的海平面上升。上升的高度最高可达到7.5米。飓风推动水位提升的海水抵达海岸可能造成洪水滔天。

   飓风一旦抵达陆地，由于断绝了热海水提供的热能，通常迅速偃旗息鼓。但是，如果在开阔的海洋上，则可持续两个星期，甚至1个月。

   科学家试图弄清楚海面温度如何影响热带风暴的形成。部分影响是直接的：海面热水相当于飓风的燃料；但是，专家相信飓风的形成并非如此简单。海面温度变化总是伴随着部分大气变化，而大气变化又会影响海洋信风的强弱和降雨量的多少。1999年9月15日，联合国发布了一份研究报告，预测在21世纪，全球气候变暖将导致更频繁、更严重的热带风暴、洪水、龙卷风。气象学家彼得森说：“我们确实知道，飓风的猛烈程度与海水温度直接相关。如果全球气候变暖的趋势持续下去，造成海水温度上升，更多、更强的飓风将接踵而至。”但除了人类的影响，各种自然循环同样影响着热带风暴的形成。比如说，当厄尔尼诺——赤道东太平洋南美沿岸海水温度激烈上升的现象--出现时，高海拔风向受到影响，这时大西洋上产生的热带气旋相对较少。飓风的形成同样与同温层风向、海洋局部区域温度、西非的降雨有关。

   2005年的风暴有：阿琳、布雷特、辛迪、丹尼斯、艾米丽等。造成严重损失的飓风有卡特里娜飓风、丽塔飓风，二者分别是今年大西洋上的第11次和第17次热带风暴。

中德研究人员破解北京雾霾形成之谜

    ①中德两国研究人员21日说，他们破解了北京及华北地区雾霾最主要组分硫酸盐的形成之谜，发现在大气细颗粒物吸附的水分中二氧化氮与二氧化硫的化学反应是当前雾霾期间硫酸盐的主要生成路径。这一发现凸显在继续实施减排措施的同时优先加大氮氧化物减排力度对缓解空气污染问题的重要性。

②近年来，北京及华北地区雾霾频发。已有研究表明，硫酸盐是重污染形成的主要驱动因素。在绝对贡献上、重污染期间硫酸盐在大气细颗粒物PM2.5中的质量占比可达20%，是占比最高的单体；在相对趋势上，随着PM2.5污染程度上升，硫酸盐是PM2.5中相对比重上升最快的成分。因此，硫酸盐的来源研究是解释雾霾形成的关键科学问题。

③清华大学贺克斌院士和德国马克斯·普朗克化学研究所的程雅芳教授等人当天在新一期美国《科学进展》杂志上报告说，他们运用外场观测、模型模拟及理论计算等手段发现，在北京及华北地区雾霾期间，硫酸盐主要是由二氧化硫和二氧化氮溶于空气中的“颗粒物结合水”，在中国北方地区特有的偏中性环境下迅速反应生成。颗粒物结合水是指PM2.5在相对湿度较高的环境下潮解所吸附的水分。

    ④该结论与通常认为的硫酸盐形成机制有较大不同。现有基于欧美等地区的经典大气化学理论认为：硫酸盐主要是在云水环境中形成，由于云中的液态水含量远高于颗粒物结合水，通常高出1000到10万倍，所以与云水中的硫酸盐生成反应相比，颗粒物结合水中的反应可以忽略；理论计算还显示，在云水反应路径中，二氧化氮氧化二氧化硫生成硫酸盐这一路径的贡献也可忽略不计。

⑤而在北京及华北地区雾霾期间，一方面，由于颗粒物浓度大幅上升及静稳气象条件下相对湿度较高等原因，颗粒物结合水含量远高于经典情景，颗粒物结合水中的反应总量大大提升；另一方面，重度雾霾期间二氧化氮浓度为经典云水情景下的50倍以上，这直接改变了二氧化氮氧化路径的相对重要性。此外，北京及华北地区大量存在的氨、矿物粉尘等碱性物质使得当地颗粒物结合水的pH值远高于美国等地，呈现出特有的偏中性环境，而二氧化氮氧化机制的反应速率会随pH值上升而大幅提高。

    ⑥研究人员据此在论文中指出，优先降低氮氧化物的排放可能有助大幅降低中国雾霾中的硫酸盐污染水平。

    ⑦“该研究表明我国复合型污染的特殊性，”贺克斌院士对新华社记者说，“高二氧化硫主要来自燃煤电厂，高二氧化氮主要来自电厂和机动车等，而起到中和作用的碱性物质氨、矿物粉尘等则来自农业、工业污染、扬尘等其他来源。这些不同的污染源在我国同时以高强度排放，导致硫酸盐以特有的化学生成路径迅速生成，这也是重度雾霾期间颗粒物浓度迅速增长的主要原因之一。”

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）

下一代触屏手机什么样？

    不管触屏手机多么方便，有一点你不能不承认：你手指下的东西，一支笔也罢，一片树叶也罢，摸起全像玻璃。因为目前的触屏技术，还无法赋予虚拟物体以真实的质地感。人有5种感觉，但在手机和平板电脑上，目前充分实现的只有视觉和听觉，对触觉的模拟还处于初步阶段，味觉和嗅觉则还完全没有。

    下一步我们将有望进入超级触屏的时代。未，虚拟事物将更加逼真地呈现在你的面前，对它们的操作几乎可以跟操作真实物体相媲美。在指尖这么小的方寸之地，如何才能实现这一点呢？唯有借助触幻觉。

    有一种触幻觉叫电振动，这一现象是在1953年偶然发现的。一天，美国化学家爱德华一马琳克洛德接触了一个黄铜制的插座，他注意到，当灯亮时，其表面给人的感觉好像要粗糙些。通过进一步的实验，他发现正是微羁的交流电导致了这种幻觉。我们知道，交流电以某种精确的频率振荡。当你把手指放在通交流电的屏幕上，由于静电吸引，在你手指皮肤下面就有电荷堆积起。电荷的数量将随着交流电一起振荡，所以在你手指和屏幕之间的静电吸引力也随着时间变化。当手指在屏幕上移动时，这个静电力将吸住你手指的皮肤，阻碍它移动：由于静电力是周期性变化的，这将诱导你手指上的皮肤也发生周期性振动。这种轻微的振动将会被手指上的触觉感受器探测到。由于这类皮肤的振动本质上跟手指滑在像木头、砂纸等毛糙物体表面时的感觉是一样的。所以大脑就把它解释成了你在触摸质地粗糙的物体。

    2010年，美国一位工程师利用电振动制造触幻觉的原理开发了一款具有虚拟质地感的触屏，可以安装在自动取款机、手机上。测试表明，一般说，高频电流比起低频电流会让屏幕摸起更光滑些。比如，当电流频率在400赫兹时，屏幕摸起像一张纸，而在80赫兹时，则像凹凸不平的皮革。原则上，设计者还可以用这个效应设计具有不同质地感的网页或者应用程序。例如，我们可以把电子书的页面做成像真实的纸张一样粗糙。当然了，这种虚拟的质地感目前让人感觉还不太自然，但有一点可以肯定，未的手机或者ipad上，任何囹标再不会摸起千篇一律都像玻璃了。

    在现实世界中，一个装满东西的筐总比没装东西时提起更加费劲些。可是在触屏手机或平板电脑上，一个文件夹不论空的还是满的，用指尖拖动起并没有区别。这说明，目前的触屏比起真实世界还缺少一样元素：力感。

    美国科学家伊德。科格特正致力于改进虚拟键盘，使它用起感觉更像真实的键盘：当你按下一个键的时候，你的手指会感到有一股轻微的抵挡力。科格特的设计也用到了电振动的原理。他设计的振动发生在两个方向：垂直于屏幕的方向和沿屏幕的水乎方向。所以，最后的效果是两个方向上的振动之合力。我们只要事先把两个振动调整到合适的“步调”（在物理学上称为相位），这股合力就可以把手指一瞬间推向左边，一瞬间推向右边。由于振动频率非常高，我们最后所能感觉到的平均效果是，手指在垂直方向遇到了一股阻力。经测量，这个力大约70毫牛顿，大致相当于按下一个真实的键时所受的抵抗力。通过这种技术，我们就可以在虚拟键盘上获得真实的按键体验。

    总而言之，未触屏技术将极大地改变我们跟数字世界打交道的方式。对于信息，我们将不仅局限于看和听，还可以触摸。在真实世界日益虚拟化的同时，虚拟世界却日益真实化了。

（选自《大科技科学之谜》2013年第1期，有删改）

有些人觉得电脑的记忆和人脑的记忆在工作方式上差不多，信息输进来，大脑进行记录，需要时再提取出来。对不对？

错！数据和信息被输进电脑的内存，等到需要提取时，若无技术故障，它会与当初存进去时一模一样地被提取出来。我们都有过这种体验吧？有时候，原本正在房间里做着什么事，突然想起来要到另外的房间拿个东西。结果，去拿的半路上，被什么打了岔，到了那儿，却一下子想不起到底是来干什么了。这种令人沮丧、心烦的情况，却偏偏是大脑处理记忆的方式出奇复杂而造成的诸多怪癖之一。

大多数人最熟悉的记忆分类方法是区分短期记忆和长期记忆。两者区别明显，但又相互关联。它们的名称很恰当：短期记忆最多持续一分钟左右；长期记忆可以与你相伴终生。

短期记忆维持时间不长，但负责对实时的信息做有意识的操作，也就是我们当前正在想的事。我们之所以能够思考，是因为信息就在短期记忆中；这就是短期记忆的功能。长期记忆提供了丰富的数据辅助我们思考，而真正进行思考的是短期记忆。

短期记忆为什么限量呢？部分原因是它在不停地工作。我们清醒时的每一刻都在经历和思考着什么，源源不断的信息以惊人的速度进进出出。因此完全不适合把短期记忆用作长期储存，后者需要稳定和有序，否则就会像把你所有的箱子和文件夹都扔到了繁忙的机场入口。另一个因素是，短期记忆并没有“实体”基础；短期记忆储存在神经元的特定活动模式中。以神经元活动的模式储存记忆会带来很多问题。有点儿像把购物清单列在卡布奇诺的奶泡上，单纯从技术层面来讲是有可能做到的，因为奶泡会让字形保留一会儿，但维持不了很长时间，因而以这种方式储存并不实用。短期记忆用来快速处理和操作信息，而在源源不断的信息流中，不重要的会被忽略，然后很快被覆盖或消失。

这套系统并非万无一失。实际上，常有重要内容还未得到恰当的处理就从短期记忆中被顶了出去，于是就出现了“我到这儿是干啥来着”的情节。短期记忆还会负荷过重，受到太多新信息和新要求的轰炸而无法集中到任何一点上。既然用来“想”的短期记忆只有很小的容量，我们还做得成什么事儿啊？幸运的是，短期记忆与长期记忆相连，因而长期记忆分担了很多压力。就拿专业译员来说吧，他们一边听演讲，一边把它译成另一种语言。对于一个还在学习外语的人来说，这必然是一项艰巨的任务。可对于译员来说，两种语言中的字词和结构都已储存在长期记忆中，短期记忆只需要处理词序和句意。

信息有多种途径可以变成长期记忆。在意识层面，我们可以靠背诵让短期记忆转变为长期记忆，比如反复默念某个重要的电话号码。反复的必要性在于，与短期记忆短暂的电活动模式不同，长期记忆基于神经元之间的新连接，而建立连接的基础是突触（神经元之间的连接节点），重复想要记住的事情能够刺激突触的形成。

突触被看成是脑中真正“记住”信息的地方。和硬盘里特定的一串0和1代表某个文件一样，特定区域的一群突触代表了某段记忆，当它们被激活时，我们就有了一段“回忆”。所以，突触就是记忆的实体形式。就像我们可以从纸上的墨迹中读出具有含义的字词一样，当某个或某一群突触变得活跃时，大脑就解读出了一段记忆。通过形成新突触新建长期记忆的方式叫作“编码”，即记忆在脑中储存的过程。短期记忆并不形成新的突触，只是触发一些多功能的突触。利用复述信息的方式可以使短期记忆保持足够长时间的“活跃”，让长期记忆有时间编码。不过，“死记硬背”法并不是让我们记住事情的唯一方法，显然我们也没有用此法来记忆所有一切能记住的东西。有足够的证据表明，我们的每一段经历几乎都会以某种方式储存在长期记忆中。

那么，如果说长期记忆把一切都记住了，那为什么我们还是免不了会忘事呢？被遗忘的长期记忆其实还在脑子里，除非外伤造成物理性损坏。不过，长期记忆要派上用场必须经过三个阶段：产生（也就是编码），有效储存，提取。一段记忆如果取不出来，就和根本不存在没差别。有些记忆容易提取，因为它们更突出，如附带强烈情绪的记忆往往很容易回忆。除了事件本身，同时回忆起来的还有当时的情绪、想法和感觉。所有一切在大脑中与特定记忆间产生了越来越多的关联，意味着前面说的巩固过程为这段记忆附加了更重大的意义，添加了更多连接，让它变得更加容易提取。相反，那些没有重要连接、孤零零的记忆就没能得到充分的巩固，因而也就难以提取。没有哪段记忆是孤立形成的。有研究揭示，哪怕是在平淡无奇的场景中，获得记忆时的情境都可以成为帮助记忆提取的“触发器”。

如此复杂难懂、前后不一、脆弱易伤的一套系统究竟能发挥什么作用？很简单，大多数时候，它的确管用。它依然值得惊叹，其容量和适应力甚至可以让最先进的超级计算机脸红。它固有的灵活性和奇特的组织结构毕竟演化了数百万年，所以我还能苛责什么呢？人类的记忆并不完美，但已经足够好。

（摘编自迪安·博内特《是我把你蠢哭了吗》）

材料一：

1835年9月，达尔文乘“贝格尔”号航行到加拉帕戈斯群岛时，在岛上发现一些羽毛颜色暗淡的雀形目鸟类。后来，英国鸟类分类学家Gould在研究达尔文收集的鸟类标本时发现这些雀形目鸟类是一些以前没有描述过的新种。达尔文也因此受到了启发，在《物种起源》中论述道：“这些在加拉帕戈斯群岛上生活的雀形目小鸟实在令人感兴趣，它们由一个种分化出来而适应了不同的生活环境。”这些加拉帕戈斯群岛上的雀形目小鸟促使达尔文产生了生物进化的思想，后人为了纪念达尔文就把这些雀形目小鸟称为达尔文雀。

达尔文雀隶属于雀形目燕雀科，一共14种，其中13种分布在加拉帕戈斯群岛上，另一种分布在距加拉帕戈斯群岛600km的可可岛上。达尔文雀羽毛颜色均为暗色，体形相似，体长7-12cm不等，种间最明显的区别是喙部的形状和大小。据考证，这14 种达尔文雀是在过去的100万年至300万年间由同一祖先进化而来。

达尔文指出自然选择往往要经历一个相当漫长的历史阶段得以实现，人们很难通过科学观察和实验进行自然选择和进化方面的研究。然而，达尔文雀提供了自然选择的最好范例。

(摘编自邓文洪、郑光美《达尔文雀与生物进化》)

材料二：

1938年12月，28岁的英国帅小伙大卫·拉克和他的研究团队登上了圣克里斯托巴尔岛，研究不同种“达尔文雀”的繁殖和觅食行为。每天上午他外出观察这些小鸟，下午则捕捉个体尝试进行圈养，看不同种之间是否会发生杂交。正如达尔文曾指出的那样，“达尔文雀”非常温顺，不怕人而易于接近。这些“很傻很天真”的鸟，是拉克在野外非常难得的理想观察对象。

1939年4月，拉克一行和4种共计40只地雀一起来到美国旧金山的加州科学院。从4月底至9月初，拉克在加州科学院、加州大学伯克利分校比较动物学博物馆、哈佛大学比较动物学博物馆等地的馆藏做研究，还专程去大英博物馆检视了达尔文当年采集的标本，最后他竟总共测量了近6400号“达尔文雀”标本！根据掌握的翔实资料，拉克很快撰写出了题为《加拉帕戈斯地雀亚科形态变异研究》的专著。而更令人感到惊讶的是，面对同样的原始资料，1947年剑桥大学出版社发行了拉克的新作《达尔文雀》，书中竟得出了几乎完全不同的结论！

拉克在第一本书中依据野外观察和标本测量数据对“达尔文雀”的分类进行了修订，并把主要篇幅放在了阐述种间以及种内变异上。比如喙的大小和形状在不同种之间和同一种但分布于不同岛上的种群之间都存在明显差异。受到当时主流观点认为亚种之间形态差异不具备自然选择上的适应性的影响，拉克在“达尔文雀”身上也得出了相似的结论，并认为上述差异主要是在不同种间生殖隔离当中发挥作用，即同种的雌鸟主要通过喙型来识别同种的雄鸟。而生活在大达夫尼岛的中地雀和克罗斯曼岛的小地雀由于具有介于两种之间的喙型，而被认为可能是杂交的产物。

在回到达丁顿会堂学校又教了一年中学生物之后，拉克开始为军方工作，主要是与其他科学家一道为刚刚投入实战不久的雷达提供智力支持。在这期间，生态

学上一项名叫高斯原理②的理论引起了拉克的注意，并最终改变了他关于“达尔文雀”的研究结论。他明确地指出竞争导致了“达尔文雀”在食物资源利用上的分化，产生了已知的14个种和它们形态各异的喙。以地雀①为例，在同时有大、中、小地雀的岛上，3种鸟喙的大小都不重叠，对应着取食大小不同的种子。而大达夫尼岛的中地雀和克罗斯曼岛的小地雀喙的大小却介于两种的正常值之间，这两个小岛上各只有一种食种子的地雀，因此表现出了竞争释放，即在缺乏竞争者时物种会拓展实际的生态位。就是说这两个岛的中地雀和小地雀可以选择利用的种子大小更为多样化。拉克的新书用形态学、生态学和行为学方面高质量的第一手资料予以佐证，并揭示了地理隔离和生态位分化在物种形成上的重要作用。

稍显遗憾的是，拉克的新书更多提供的还是一种描述性的结论，定量性统计分析有限。比如，尽管他指出了对食物资源的竞争是主要的演化驱动力，但却没有提供大、中、小地雀在取食种子大小上是如何分化的例证。又如，他指出了对于同域分布的种群而言，生殖隔离是最后形成物种的关键一步，却没能说清楚究竟是何种机制导致了生殖隔离的实现。这些遗憾被开始于34年之后并延续至今的一项长期研究弥补。

对“达尔文雀”的研究，研究者们手中的工具从达尔文时代的猎枪，到拉克的望远镜，再到后来的雾网和录音机，发展到了今天的基因组高通量测序仪。对于“达尔文雀”的认知，既有最初达尔文的慧眼未识珠，也有拉克两本著作之间观点的骤然转变，更有另一个研究团队42年的荒岛坚守。在生态学和演化生物学的研究中应当去追求长期的开放式的持续工作，因为从逻辑上来讲，演化及生态过程并没有一个确定的尽头。

(摘编自Robbi《迈入基因组时代的“达尔文雀”传奇》)

【注】①地雀：达尔文雀的一个类群。②高斯原理：又称竞争排斥原理，是指在一个稳定的环境内，两个以上受资源限制的、但具有相同资源利用方式的种，不能长期共存在一起。