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第21章 热爱科学篇(2)

虽然身体的残疾日益严重,霍金却力图像普通人一样生活,完成自己所能做的任何事情。他甚至是活泼好动的——这听来有点好笑,在他已经完全无法移动之后,他仍然坚持用唯一可以活动的手指驱动着轮椅在前往办公室的路上“横冲直撞”;在莫斯科的饭店中,他建议大家来跳舞,他在大厅里转动轮椅的身影真是一大奇景;当他与查尔斯王子会晤时,旋转自己的轮椅来炫耀,结果轧到了查尔斯王子的脚趾头。

1985年,霍金动了一次穿气管手术,从此完全失去了说话的能力。他就是在这样的情况下,极其艰难地写出了著名的《时间简史》,探索着宇宙的起源。这本书在全世界的销量高达数千万册,从1988年出版以来一直雄踞畅销书榜,创下了畅销书的一个世界纪录。在这本书里,霍金力图以普通人能理解的方式来讲解黑洞、宇宙的起源和命运、黑洞和时间旅行等。

霍金的研究对象是宇宙,但他对观测天文从不感兴趣,只有几次用望远镜观测过。与传统的实验、观测等科学方法相比,霍金的方法是靠直觉。

“黑洞不黑”这一伟大成就就来源于一个闪念。在1970年11月的一个夜晚,霍金在慢慢爬上床时开始思考黑洞的问题。他突然意识到,黑洞应该是有温度的,这样它就会释放辐射。也就是说,黑洞其实并不那么黑。

这一闪念在经过3年的思考后形成了完整的理论。1973年11月,霍金正式向世界宣布,黑洞不断地辐射出X光、伽马射线等,这就是有名的“霍金辐射”。而在此之前,人们认为黑洞只吞不吐。

从宇宙大爆炸的奇点到黑洞辐射机制,霍金对量子宇宙论的发展做出了杰出的贡献。霍金获得1988年的沃尔夫物理奖。

1991年3月,霍金在一次坐轮椅回柏林公寓,过马路时被小汽车撞倒,左臂骨折,头被划破,缝了13针,但48小时后,他又回到办公室投入了工作。

辉煌的科学成果

纳米技术

纳米(1纳米=10-9米)科技是在纳米尺度上,研究应用原子、分子现象及其结构信息的高新技术。它的最终目标是直接用原子、分子在纳米尺度上制造具有特定功能的产品。纳米不仅意味着一定的空间尺度,而且提供了一种全新的认识实践方式。1990年3月,在美国召开的世界首次纳米科学技术会议上,正式宣布了纳米科技的诞生。

纳米化学及其他纳米科技的发展,离不开扫描隧道显微镜(STM)。这一本领非凡的仪器于20世纪80年代初研制成功。

纳米科技的关键技术是借助STM直接操纵、移动原子和分子,目前这一技术已取得了重大突破。随着纳米科技的发展,人们已经能够直接利用原子、分子制备出包含几十个到几百万个原子的“纳米微粒”,并把它们排列成为三维的纳米固体。纳米固体有一般晶体材料和非晶体材料都不具备的优良特性,被誉为“21世纪最有前途的新型材料”。例如:

——合格的固体火箭推进粉剂是火箭发动机的生命。

这种燃料在燃烧时必须有极高的化学反应速率,因此其表面积要足够大,相应地,其颗粒应足够细。超微粉末表面积大、化学活性高,可作高效催化剂。例如,在固体火箭燃料中,以小于1%重量的超微铝粉或镍粉作添加剂,燃烧值可增加1倍左右。

——血液中的血球大于0.1um(微米),所以可以把有治疗或探测功能的某种材料做成小于0.01um的超微粒子注入血管内,使之随血液流到体内各个部位,进行更有效的治疗或健康检查。

许多滋补类的药品,如人参、鹿茸、天麻、当归等,如果制成超微粉体,不仅服用方便,而且有效成分的利用率可大大提高。

总之,由纳米科技手段制造出的这些超微粉体的奇异特性,很难用传统理论进行解释,其应用前景十分诱人。

纳米技术还能提供一种逐个原子组合成新物质的能力,这使人类有可能制造出新的智力生命或其他物种,也有可能使人类自身变成一种“超人”。

计算机技术

世界上第一台计算机是1946年由约翰·冯·诺依曼等人发明的,它采用电子管作元件。电子管元件在运行时产生的热量太多,可靠性较差,运算速度不快,价格昂贵。这台计算机有三间库房那么大,重量约30吨,消耗近150千瓦的电力。显然,这样的计算机成本很高,使用不便。

1956年,晶体管电子计算机诞生了,这是第二代电子计算机。晶体管开始被用来作计算机的元件。晶体管不仅能实现电子管的功能,又具有尺寸小、重量轻、寿命长、效率高、发热少、功耗低等优点。使用晶体管后,电子线路的结构大大改观,制造高速电子计算机就更容易实现了。

20世纪60年代,第三代集成电路计算机出现了。集成电路是做在晶片上的一个完整的电子电路,这个晶片比手指甲还小,却包含了几千个晶体管元件。1962年1月,IBM公司采用双极型集成电路,生产了IBM360系列计算机。一些小型计算机在程序设计技术方面形成了三个独立的系统:操作系统、编译系统和应用程序,总称为软件。值得一提的是,操作系统中“多道程序”和“分时系统”等概念的提出,结合计算机终端设备的广泛使用,使得用户可以在自己的办公室或家中使用远程计算机。第三代计算机的特点是体积更小、价格更低、可靠性更高、计算速度更快。

从20世纪70年代开始,这是计算机发展的最新阶段。到1976年,由大规模集成电路和超大规模集成电路制成的“克雷一号”,使计算机进入了第四代。超大规模集成电路的发明,使电子计算机不断向着小型化微型化、低功耗、智能化、系统化的方向更新换代。

世界上第一台个人计算机由IBM于1980年推出。IBM推出以英特尔的x86的硬件架构及微软公司的MS-DOS操作系统的个人计算机,并制定以PC/AT为PC的规格。之后由英特尔所推出的微处理器以及微软所推出的操作系统发展几乎等同于个人计算机的发展历史。Wintel架构全面取代了IBM在个人计算机主导的地位。

20世纪90年代,计算机向“智能”方向发展,制造出与人脑相似的计算机,可以进行思维、学习、记忆、网络通信等工作。

进入21世纪,计算机更是笔记本化、微型化和专业化,每秒运算速度超过100万次,不但操作简易、价格便宜,而且可以代替人们的部分脑力劳动,甚至在某些方面扩展了人的智能,因此计算机又被称作电脑就更加恰如其分了。

人工智能

人工智能是一门新兴学科。它面向实用化仅有10多年的历史,主要研究用计算机模拟人类的某些智能行为,如感知推理、模式识别、景物分析、自然语言和理解等具有认识推理和思维能力的行为,它几乎涉足于社会科学和自然科学的每个领域,是一门综合性极强的边缘学科。其中最具代表性和最尖端的两个领域是专家系统和机器人。专家系统主要以计算机为主,收集存储专家所具有的处理问题的专门知识及经验,使用专家的推理而得出与专家相同的结论。专家系统不同于只是简单的存贮,而是专家推理的规则和知识。目前它以其准确性和经济性的优势,被广泛地用于地质学与勘探、化学结构研究、医疗诊断、遗传工程等领域。

而另一个分支是机器人学。自世界上第一台机器人于1961年在美国问世以来,各个国家相继而出的机器人真是五花八门,琳琅满目,但目前的机器人大致可以分为以下三类。

1.重复型机器人。它能在重复性的操作中代替人去工作,如搬运材料和焊接等。一般也被称为工业机器人。

2.操纵性机器人。它主要用于对人体有害或者人们难以接近的场所;或干一些难度大,且有危险的工作,如在海底、核动力工厂、地震灾区等场所工作。通常被我们称为遥控机器人。

3.智能机器人。这类机器人安装了微型计算机,所以它能说会走,有视觉、听力、嗅觉、触觉,甚至有一定的“思考”能力。

超级向导GPS

我们知道,很多动物都有迁徙的本能,令人惊奇的是,在迁徙过程中它们每每表现出一种近乎完美的导航能力,这一直是我们人类凭借多种手段也没能达到的。

终于,到1994年,美国布置完毕了GPS全球定位系统,人类才开始拥有了永不迷路的能力。GPS是一种全新的高精度定位导航系统,它可以使用户在海上、陆地、空中乃至太空的同一三维空间内确定自己的位置,无论在星月无光的黑夜还是气候恶劣的地域!

GPS系统是由空间、地面控制和用户接收三部分组成的,其中空间部分使用了24颗卫星(21颗工作,3颗备用),它们分布于距地面2万千米高空的6条不同平面的轨道上,为军事用户提供的导航数据,定位精度可以达到15米!地面控制部分有5个地面监控站,3个上行数据注入站(向卫星注入数据)和一个主控站组成;用户接收部分就是一台导航接收机,有了它,你可以随时随地精确地知道自己在地球上的位置!

有了GPS系统,我们就永远不会迷路,海船能在大雾弥漫的港湾安全进出,飞机能准确地到达指定的目的地,装有GPS系统的导弹也可以极其准确地击中目标……

把GPS和电子地图结合在一起,地图就可以实现动态显示——随着GPS接收机地理位置的变化,电子地图上的信息也会相应变化,我们不但用不着担心走错路,而且还能选择捷径呢!

克隆技术

齐天大圣孙悟空有一项特殊的本领,拔根毫毛吹口气,就能变出和自己一模一样的孙猴子来,用今天的科学名词来讲就是——孙悟空可以“克隆”自己。

所谓“克隆”是英语Clone的音译,意思是无性繁殖。

克隆的方法很多,比如复制某个动物的下一代或者复制某个动物本身,当然,后者要难一些。不过,1996年7月,英国人做到了这一点,他们培育出了世界上第一只真正的克隆羊“多莉”。

克隆技术是一项了不起的发明,可以直接造福人类:利用克隆技术,可以挽救那些濒临灭绝的物种,比如大熊猫、东北虎;可以改良动物品种,节省人力物力;可以培育大量“基因动物”,并使它具有和人的基因相同的某些器官,用于人体器官移植。

但是克隆技术也可能给人类带来麻烦,比如克隆人是不是合适?你和你的克隆体是什么关系?父子?兄弟?再比如某人有了克隆的自己,他死了克隆人还活着,那么某人算是完全死了还是……看来,克隆技术如果不能很好地为人类掌握,会给我们带来很多问题。

如果想让更高级的科学技术为我们服务,我们也必须拥有更高级的智慧。

关于科学的名言

在科学上没有平坦的大道,只有不畏劳苦沿着陡峭山路攀登的人,才有希望达到光辉的顶点。

——马克思

发明家全靠一股了不起的信心支持,才有勇气在不可知的天地中前进。

——巴尔扎克

人只有献身社会,才能找出那实际上是短暂而有风险的生命的意义。

——爱因斯坦

对一个人来说,所期望的不是别的,而仅仅是他能全力以赴和献身于一种美好事业。

——爱因斯坦

人生最终的价值在于觉醒和思考的能力,而不只在于生存。

——亚里士多德

不惜牺牲自由以图苟安的人,既不配享受自由,也不配获得安全。

——富兰克林

如果你希望成功,就以恒心为良友,以经验为参谋,以谨慎为兄弟吧!

——爱迪生

古今中外,凡成就事业,对人类有所作为的,无一不是脚踏实地、艰苦攀登的结果。

——钱三强

我的原则是,不论对任何困难,都绝不屈服。一个人要想获得成功,必须具有坚定的信念、渊博的知识和坚强的毅力。

——居里夫人

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