“好奇号”发现光滑鹅卵石 或证明火星上曾存在河流 - 中文国际
“好奇号”发现光滑鹅卵石 或证明火星上曾存在河流
09:20:04 来源：中国日报网
“好奇号”发现了鹅卵石，证明远古火星有水流存在。
发现鹅卵石的地方被认为是远古河床，种种迹象表明当时此处的水流很强。
据英国媒体报道，美国《科学》杂志5月30日刊载美国国家航空航天局的研究报道称，“好奇号”火星探测器在火星上发现了一些光滑的鹅卵石。研究者指出，由于鹅卵石只可能在水流长期冲击下形成，这个发现为远古火星上存在河流的假说提供了佐证。
报道认为，这是迄今为止第一次发现证明火星上存在河流的证据。加利福尼亚大学唐恩o萨姆纳教授称，这些火星上的鹅卵石应该在盖尔陨坑（鹅卵石发现地点）存在超过了20亿年，科学家以此处作为“好奇号”着陆点本打算是观测5英里以外的一座山丘的层状岩体的，结果无意间在此发现了鹅卵石。“我们在这里发现了一处冲积扇，这必须得靠河流的冲击才能形成。”
这一发现支持了此前所作假设，即很久以前火星上的环境比现在温暖、潮湿，有持续绵延的水流，可能适合原始微生物的生存。
“好奇号”2012年8月在火星盖尔陨坑中心山脉山脚着陆，开始火星探索任务。最近，它在火星岩上打了第二个孔并取样，不久将奔向主要目的地——盖尔陨坑内高约5000米的夏普山。
（来源：中国日报网 欧叶 编辑：柳洪杰）
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Nature’s Curiosity ShopCopyright■1995byBarry E. Zimmerman＆David J．Zimmerman■1997 中文简体字版专有权属江苏人民出版社Published by arrangement with Contemporary Books， Inc. Copyright licensed by Arts ＆Licensing International， Inc. 博达著作权代理公司（国际）版权所有，不得翻印谨致永远支持我们撰写本书梦想的爱妻马里林和松达尔谨致一直帮助我们检查本书版税事宜的美丽的女儿艾米、塔拉和科里目 录致谢 ............................................ 序言 ............................................虚拟现实：虚幻的世界 ............................ 1 我的兄弟，克隆人 ................................ 11 温度的极限 ...................................... 18 奇妙的水分子 .................................... 27 物种的性活动 .................................... 36 地球：不需要空气面罩 ............................ 45 地球生命的起源 .................................. 54 热带雨林 ........................................ 62 混沌理论：不可测因素的预测 ...................... 71 天体的影子 ...................................... 80 空间和时间旅行 .................................. 91 非正统医学 ...................................... 98 一切事物都是相对的：狭义相对论 .................. 110 广义相对论 ...................................... 121 法医入门 ........................................ 131 流星雨：陨石降雨般陨落 .......................... 154 脱氧核糖核酸：生命的阶梯 ........................ 162 小行星撞击地球之时 .............................. 176 寻找杀伤细胞基因 ................................ 187 火星，我的第二家园 .............................. 200 时区的来历 ...................................... 217 超导：无电阻线路 ................................ 226 人体的免疫系统 .................................. 235 变应性：对付不存在的敌人 ........................ 246 花生酱变钻石 .................................... 255 揭示物质秘密的艰难历程 .......................... 267
致 谢　　感谢威廉·拉布斯、玛格丽特·拉布斯、玛格丽特·科尔文、卡罗尔·考 特尼、邦尼·萨维茨和弗雷德·米勒的支持和帮助。　　序 言　　我不知道自己来到世上是什么模样，依我看，自己活像一个在海滩上 玩耍的男孩，为不时地发现非同寻常的光滑的鹅卵石和美丽的贝壳而高 兴，真理的海洋将一切未知的世界展现在我眼前。这段话是牛顿在 250 年 前讲的。事实上，他与生活在他之前和之后的科学家一样，发现了许多光 滑的鹅卵石和美丽的贝壳。本书将好好欣赏其中的一些，并探索自然界这 个真理的海洋。本书总共荟萃 28 篇有关生物学、化学、天文学、物理学和 地球科学等领域最引人入胜的内容。这些内容涵盖了日食、月食、雨林、 性、时间旅行和爱因斯坦的相对论。读者从中可了解，为什么科学家在预 测天气时仍有难度；为什么如果没有水分子的弯曲，地球上就不会有生命。 我们生活在技术日新月异的时代，这是一个超级计算机和复杂信息网 络的时代，也是遗传工程生物体和虚拟现实的时代。科学突飞猛进，科学的进程不能用年而应以天、周来计算。我们怎样才能跟上时代的发展？ 本书是一个良好的开端。其目的是让人人都懂科学，增长知识，又能消遣。文字说明既不长也不琐碎。别轻信我写下的这段话，读者不妨亲自 读一读就会自有分晓。剑桥，科学精神的家园——序《剑桥文丛》 萧 乾　　40 年代，除去短期去度假，我同剑桥先后有过两段因缘。1939 至 1940 年，我是作为伦敦大学东方学院的讲师被疏散到剑桥去的，身份也可以说 是个“难民”。那一年，我只是剑大英文系的旁听生，因为战乱的机缘， 我得以寄身在这一所牛顿曾执教 30 年、有着深厚的科学传统和学术氛围的 大学。　　剑桥有个好传统，有如民国初年的北大，对来旁听的学生总是敞开大 门，对那时由伦敦疏散来的兄弟大学成员更是竭诚欢迎。　　1942 年夏天，我辞去了东方学院的教职，成为剑大英文系的研究生， 住进了这所 15 世纪兴建的皇家学院。书房门楣上，已事先漆上了我的名 字。书房里，家具一应俱全，宽敞舒适；壁炉两边是书架，沿着三面墙是 可以坐上十来位客人的沙发和软椅。最使人兴奋的是，窗户外面隔着草坪， 正与英国古建筑中赫赫有名的皇家学院教堂遥遥相对。整整两年，我都望 着大草坪上被晨曦拖长了的教堂身影，黄昏时分聆听在大风琴伴奏下唱诗 班那清脆嘹亮的歌声。1944 年，我怀着依依不舍的心情向剑桥、向皇家学院告别。当时，我已动手写论文了，还差一年就可考取学位。然而，盟军已在诺曼底登陆， 新闻记者的本能驱使我舍弃剑桥那恬静幽雅的书院生活，奔赴现实的前 哨。于是，我就脱掉僧侣式的黑袍，走进了报社林立的伦敦舰队街，从一 个埋首书斋的读书人，成为戎装上阵的战地记者。剑桥有一种魅力，使曾经在那里生活过的人们一有机会就想回去看看它。我认识一个学习古希腊罗马文学的青年，开战后应征入伍，不久就成 为熟练的轰炸机驾驶员。他一直保留着在剑桥的住房。每周两度去执行任 务，不值勤的日子，就仍回到剑桥来。他屡次对我说，去轰炸德国鲁尔的 工业设施，他不心疼。他最怕的是被派去轰炸意大利。他说，两次欧战都 是欧洲人的自杀。他含着一腔热泪对我说：人类的希望在东方，但愿你们 将来搞机械化的时候，千万别把固有的文明都丢掉。可惜下一次执行任务 后他再也没回来。　　剑桥叫我难忘，主要在于她对真理、对科学精神，对天文、生物、物 理、原子的那种刻苦追求精神。卡文迪许试验室的灯光时常通宵达旦地亮 着，剑桥天文台的望远镜和医学研究所的显微镜，经常勾起我对未知世界 的神秘联想。　　一次，在哲学家罗素的小型茶会上，我遇到一位怪人——正在十分认 真地研究鬼学的心理系教授。席间他大谈人鬼之间传递信息的可能性。当 时我纳闷他怎么没被大学评议会除名，也没遭到同僚们的孤立、歧视或鄙 夷。后来另一位剑桥朋友听我提起此事，说他本人并不信鬼，偌大个剑桥， 除了此公，谁也不信鬼。也不是没人背后非议他，然而让这位鬼学家安然 无恙地存在着，既无伤大雅，又足以保持住剑桥在学术方面自由探讨的空 气。大家都想在真理方面有所突破，而不是墨守成规。牛顿的万有引力定　　律和达尔文的进化论就正是在这种气氛中探索出来的。 剑桥不仅为世界培养了许多一流的经营管理人才和杰出的科学家。这套《剑桥文丛》的作者大多都是本世纪世界级的科学家，大多曾在剑桥任 教，是英国皇家学会的会员。像《穿越时空》的作者詹姆斯·金斯，最早 提出物质不断创生理论，在天文理论方面也有不少创新，但闻名于世的还 是由于他的天文科普著作。《残缺的记忆》的作者奥托·弗里希，他参与 了现代物理学的一些重大事件，参加了研制第一个原子弹的工作，“感情 原子核的裂变”这个词还是他发明的。他以这本精彩而幽默的个性回忆录， 为本世纪许多最重大科学发现背后的人物和事件增加了迷人的色彩。《预 测未来》的作者斯蒂芬·霍金 1974 年当选为皇家学会最年轻的会员，1979 年，任剑大卢卡斯讲座教授，这是牛顿曾经担任的职位。他有关大爆炸、 黑洞的发现有助于把相对论和量子力学联系起来。他写的《时间简史》畅 销全世界。　　这种由世界级科学大家亲自撰写的科普读物，是目前国内科普读物中 最缺乏的。本套作品我看不仅适合青少年，同时也适合成人阅读。出版者 的直接意图并不在教给人们多少知识，而在于培养一种科学思考生命、思 考世界的方法和科学精神。对那些勤于思考的人来说，思考本身即是科学 的荣耀。物质和头脑两方面的完善，对一个现代化人更为重要，那更有助 于他清楚地了解和思考自身在空间中的存在。　　虚拟现实：虚幻的世界　　照一下镜子，镜中可见到你的形象。当然，镜中什么都没有。物理学 家将这种形象称作“虚拟图像”。“虚拟”是“不真实”或“虚构”的意 思。今天，科学家们远不止利用镜子来推出虚构的东西。他们利用功能强 大的计算机推出看上去真实，其实并不存在的整个世界。当你步入这些世 界时犹如置身于虚拟现实之中。“虚拟现实”一词是虚拟现实实验室研究的创始人贾朗·拉尼尔于1989 年发明的，它向我们展现了一个崭新的领域。史蒂夫·奥克斯塔卡尔 尼斯和戴维·布莱特纳在《硅片奇迹》一书中称，“它是人们可潜心研究 的、计算机生成的、交互式三维环境。”然而计算机是怎样生成这个人工 世界的呢？更引人入胜的是，人们怎样进入这个世界并与之交互作用呢？ 这与大象分娩一样难度很大。技 术　　利用计算机为虚拟现实编程的目的是让人相信自己身处于一个其实并 不存在的世界。为此，这个世界必须欺骗你的感觉，特别是你的视觉、听 觉和触觉。在这三者中，视觉欺骗最重要，也是技术开发人员的研究重点 所在。今天，虚拟现实是头盔显示器产生的。所谓头盔显示器说得确切是一些罩住眼睛、用起来有所不便的头盔状的设备。在头盔中分别给每只眼睛 配备一个 2 英寸～3 英寸的小屏幕。在设计得更完善的头盔中，屏幕可从 头部周围部分地卷起。从而你可通过观察周围情况来确信虚拟世界的存 在。屏幕可以是我们很熟悉的阴极射线管或液晶显示器，阴极射线管是典型的电视屏幕或计算机监视器。液晶显示器则重量轻，价格便宜，不过阴 极射线管可产生分辨率更高的图像。事实上，液晶显示器的图像往往像卡 通片，不十分逼真。不论用哪种屏幕，一旦计算机开始工作，立体重叠图像以每秒 60 幅或60 幅以上的速度在观察者眼前快速持续地闪烁。人的每只眼睛在稍微不同 的时刻看到不同的图像；结果观察者可即刻融入一个三维环境。不过，乐 趣才刚刚开始。多数头盔都配有传感器，可执行定位/定向跟踪等必要功 能。这些传感器跟踪每个动作，每次转动，每点一次头，都将这些信息传 给计算机。　　跟踪器有多种，每种都有其优缺点。其中一种是装在头盔顶部的照相 机，在人移动时采集顶灯闪光信号，让计算机了解人的去向。在时下流行的 Nintendo（日本电子游戏机商标名——译注）功能手套游戏系统中，游 戏人戴着一种发出高频的咔嚓声的特制手套。Nintendo 计算机中的麦克风 探测到这些超声波咔嚓声，并把它们转换成游戏人手掌的屏幕运动。　　第三种跟踪方法，也是时下最流行的方法，叫磁性位置传感。在头盔 或手套内安装互成不同角度的两组线圈。电流通过一组线圈时，产生一个 小磁场。手或头活动时，第二组线圈在磁场中移动，在这些线圈中产生小 电流。正确编程的计算机利用这种感应电流可追踪身体特定部位的移动。　　虚拟现实实验室的数据手套也使用这种运动探测方式。这比 Nintendo 的功 能手套先进许多，不过成本也为后者的 100 倍。　　尽管磁性位置传感已得到广泛应用，图像提取将是未来的跟踪方式。 图像提取技术使用一组摄像机从不同角度来跟踪被观测对象的活动，然后 把数据输入编程计算机中进行活动分析。这是所有位置传感方式中精度最 高的一种，可在屏幕上产生最逼真的运动。而且，采用图像提取技术不必 戴上颇为不便的设备。可惜这也是所有方法中计算强度最大的一种。需要 使用功率很大的巨型计算机和十分复杂的编程，下世纪之前这项技术不会 被投放到消费者市场。　　在虚拟世界中准确跟踪你的运动至关重要，因为只有这样，计算机才 能准确地改变环境。当你转向右边时，你希望所看到的图像能与真实世界 一样。当你穿过房间时，随着你走近物体，物体应变大。当你绕椅子踱步 时，不仅椅子的外观要发生平稳适当的变化，还要显示视差，与远处的物 体相比，掠过你的视野更快些。如果房间里亮着灯，计算机必须不断调整 明暗和影子，以产生真实的幻觉。不用说，所有这些改变和调整都对计算 机提出了很高的要求。为避免出现电影中慢动作播放的不平稳、断断续续 的运动，计算机必须每秒更新镜头 15 次。环境越复杂，计算机要处理的物 体越多，计算就越多。目前计算机的功能还不可能处理这么多的数据。因 此，虚拟世界仍然是利用代表真人漫画的数字简单地构成和装饰的。好像计算机在欺骗你的视觉方面没有太大的麻烦似的，还要与你的听觉比比高低。为了能做到以假乱真，三维虚拟世界所拥有的声响还必须与 你在类似的真实环境中所听到的声响完全相似，使你觉察不出来。放在屋 中一隅播放的收音机必须做到让人听起来声音像来自屋中一隅似的。如果 你走远一点，声音则必须弱一些。如果你走到屋子的另一边，声音听起来 就要像从那儿传来似的。奥克斯塔卡尔尼斯和布莱特纳在他们撰写的书中，谈到威斯康星大学弗雷德·赖特曼和多丽丝·基斯特勒所做的一项有趣实验。赖特曼和基斯 特勒想确切地知道耳朵从三维空间听到声音时能听到些什么。然后，将这 个数据输入计算机，计算机可模拟从不同方向到达耳朵的声波的形状。他 们先让接受试验人员在屋中落座，将一个很小的探管传声器深深地塞入他 的耳朵，并贴近其耳鼓。整个房间中的 144 个扬声器各发出不同的声音。 每个扬声器所发出的特殊声音都用微音器收听并录下来。通过耳机将录音 播放时，其音质与最初从不同扬声器所发出的声音显然一样。　　利用从上述试验获得的足够的数据，采用一组立体声耳机，一个定位/ 定向跟踪电路耦合系统以及配有十分复杂的计算能力的巨型计算机（解题 战略），可得到接近真实生活和合理地实时变化的声音。　　虚拟现实还让我们感受到触觉。当你抓住一只虚拟球，打开虚拟电灯 开关，用手指抚摸虚拟女友的头发，把手伸入一桶虚拟水中，或摸一下虚 拟玫瑰上的虚拟刺，你想有某种知觉，在远处模拟真实事物的某种感觉。 处在虚拟环境中，连初步的触觉都没有就会大大降低幻觉效果。不幸的是， 直到最近，人们还只好满足于这种大大打折扣的幻觉效果。根本得不到触 觉反馈。现在，虽说已取得进展，但结果仍然远远落后于实际。虚拟现实 研究人员面临的最大挑战也许就是复制出触觉。这有一个十分重要的问题，触觉有别于视觉和听觉，需要皮肤与物体接触。触觉模拟的主要工作都针对手，手毕竟是人类驾驭环境的主要手段， 手上的触觉感受器最多。手的工作模式大体上可归纳为通过使用特别设计 的手套，跟踪手指弯曲等手的所有运动，然后在头戴三维显示器上用计算 机产生的虚拟手来模拟。迄今，这方面还算顺利。但是，伸出虚拟手去抓 物体又会怎样呢？这时，手套必须传递出已摸到东西的感觉。　　能做到这一点的方法有多种，其中有一种已被采用。回顾 80 年代中 期，美国空军把压电晶体缝在手套的指尖部位，通电时，晶体震动，产生 触觉。尽管这种做法很原始且不准，不过飞行员已在虚拟仪表板上成功地 进行了飞行模拟。　　第二步要将感觉引入虚拟世界，这也许是更颇有抱负的尝试，其特点 是采用分布在手套下侧的许多小气囊。当你触摸一件虚拟物体时，适用的 气囊膨胀，往手指和手掌施加了压力。再来一次，触感不很真实。不过当 你伸出手去抓一件并不存在的东西，你能指望拿到什么？　　至少在可预见的将来，不能寄予太多的希望。随着人类发挥独创精神 推出更富有创造力的方法，模拟手部乃至全身的神经末梢和肌肉（虚拟现 实实验室已经创造出与数据手套配套的数据服），这种局面会改观，但是 肯定仍有局限性。例如，你无法坐在一把虚拟椅子上和靠在虚拟墙上。因 为，你缺少支撑物。当物体提起时，你无法感觉到物体的重量，除非手套 中有装置可提供压力。但是，略有触觉的模拟总比没有强。让我们看一看 现今已造出哪些虚拟世界，再想想明天的虚拟世界。应 用虚拟现实将不仅仅是代替电视机而已。阿瑟·C·克拉克在上述这段文字中，身为最优秀的科幻小说家之一的克拉克的观点十分鲜明，他确信虚拟现实对人类娱乐生活将产生意义深远的影响。而这是 否有点言过其实？或许不是。虽然虚拟现实绝对适应不了真实世界结构的 错综复杂或丰富多彩，不过它也提供了投入和交互两种魔力。相比之下， 电视则纯属被动式。绝不能将虚拟现实的用户说成懒汉，他们的行动会十 分迅速。例如，自动办公设备公司推出了一种游乐中心式游戏，虚拟短网 拍墙球（比赛规则和场地都与有四面墙场地的墙手球相同，但击球用以皮 带拴腕的短柄球拍，球较墙手球略大而软——译注）。戴上头盔和数据手 套，利用运动跟踪系统握着短网球拍，你会突然发现自己在虚拟短网拍墙 球的球场内，准备接发球。你的短网球拍的所有运动都由计算机的图形系 统如实复制，就像你与计算机或另一可能远在几千英里之外的人打球。你 的肾上腺素开始流动。到游戏一结束，你着实出了一身汗。　　1993 年 3 月，W 工业公司制作的“手指恶梦”是另一个虚拟现实交互 游戏，截止 1993 年 3 月已在美国十来家虚拟现实中心上市。这种游戏的目 标是抢在对手（即这个游戏的另一方）发现并摧毁你之前干掉“他”。游 戏中的另一个威胁是由计算机产生的翼趾怪物，它会猛扑下来，用爪子抓 住你。这是一种初级仿真游戏，反映了当时虚拟现实游戏系统的水平。虚 拟世界虽然是立体的，但像卡通片似的，没有触觉反馈，只是通过控制杆　　上按键进行活动。然而人们还是排起长队花 4 美元去作 3 分钟的体验。也 许应当将这种游戏称作“经济恶梦”才对。　　虚拟现实以后无疑会成为娱乐界的佼佼者。它可以使梦想成真。戴上 头盔，拿着一把特制的吉他，计算机会使你如身临摇滚演唱会，给成百上 千名狂热的歌迷演奏。此后，你就绝不会再去唱卡拉 OK 了。　　虚拟现实在娱乐上的应用完全仅受到人们的想象力的限制。如果说 Nintendo 等家庭娱乐系统是一种征兆，虚拟现实将会普及得很快。不过， 我们应指出，虚拟现实要比不用脑子的游乐中心游戏强得多，以免人们把 虚拟现实当作“虚拟电视”。其真正的价值并不在于造就一个人工世界， 而是帮助我们更好地理解真实世界。例如，位于查佩尔希尔的北卡罗莱那 大学的化学家们正在戴上护目镜，投入双螺旋蛋白分子的三维世界中去。 他们使用操纵杆或控制臂操纵更小的药物分子的图像，试图将这些图像置 于蛋白质的活跃部位。操纵杆中甚至有引力和阻力（这是蛋白质的电磁 力）。在药物分子接近时，蛋白质发生意外扭曲。药物公司通过这些模拟， 希望在开始投入生产之前能了解哪种实验药物疗效最好。　　1992 年《科学》杂志上有一篇文章把现实的计算机模拟称作“科学的 第三分支”（该文并未说明前两个分支是什么）。美国宇航局在阿莫斯研 究中心，根据飞往火星的卫星和探测器收集到的数据，将虚拟现实技术用 于再现火星表面。城市开发商用一个含 80 个街区乘 80 个街区的虚拟模型 来重建洛杉矶南部被暴乱毁掉的地区。他们利用仿真在这个地区踱步或疾 步行走，可以发现并进而修改设计中的疏忽和错误。建筑师和汽车制造商 采用同样方法出于同样的考虑使用虚拟现实技术来设计新住宅和新的汽车 模型。1992 年 1 月的《科学新闻》报道：“在日本，顾客可以在设备陈列 室的计算机屏幕上设计一间新厨房，而后戴上护目镜和手套试试想象中的 发着微光的模拟小厨房。”各种虚拟现实技术（尽管并非真正投入和交互）甚至已经用于法庭。在 1991 年的洛杉矶淫秽电影大王谋杀案中，其兄弟是嫌疑犯。原告及其律 师设置了虚拟的犯罪现场，重现谋杀情景。在看了模拟后，法庭裁定嫌疑 犯有罪。应当指出，有意思的是，军方在虚拟现实的研究上投入了大量资金，当然军方是虚拟现实研究和发展的最大资金来源。奥克斯塔卡尔尼斯和布 莱特纳说：“要是没有国防部，虚拟现实也许还未面世呢。”军方使用最 新式的头盔、服装和世界上最快的巨型计算机，正在开拓供飞行员训练飞 行用的近真实的环境。通过世界上最大的投入式仿真网络设备 SIMNET，美 国和欧洲的军事人员正在搞战争演习和仿真的恐怖分子袭击，为防范真的 出现这些情况作准备。1992 至 1996 年期间，美国军方计划耗资 5 亿多美 元进行仿真研究（飞行仿真所用的一种头盔的造价为 100 万美元）。　　医学上也开始使用虚拟现实技术。医生们现在在有各种虚拟损伤和肿 瘤的虚拟病人身上练习外科手术。我们来看一下奥克斯塔卡尔尼斯和布莱 特纳在《硅片奇迹》一书中对这一情景所作的下述描述：　　米亚卡瓦医生伸出手去，可感受到戴上手套的手中的虚拟手 术刀，当他切割皮肤时，计算机控制的小马达不出声响地快速转 动着，产生以假乱真的阻力。外科医生在进行手术的过程中，精 心编程的计算机通过护目镜向医生展现皮肤收缩、血液流动、内　　部骨骼和潜在的问题。 虚拟现实的先驱和泰斗，贾朗·拉尼尔认为虚拟现实未来的“巨大市场”会是医学。有朝一日，世界上某地的医生可以对数千英里以外的病人 完成棘手的手术。手术室机器人身上的摄像机将成为外科医生的眼睛。外 科医生所戴的手套将不再是消过毒的橡皮手套，而是精度极高可遥控跟踪 和进行触觉反馈的手套，手术器件用机械手来控制。　　现场感受远方正在发展的事情，如千里之外的手术，叫远景显现。纯 粹主义者认为远程存在并不是真正的虚拟现实，因为并未出现一个人工 的、计算机控制的环境。他们说的对，但为什么分得这么细呢？技术、硬 件、投入和交互均出现了。当然，意义就在这里。下个世纪，分布在世界 各地的商业人员，通过计算机联网、头盔显示器，在虚拟会议室中聚会并 讨论商务。虽然，他们各在大洋一方，但都投入彼此交互的仿真环境，如 同在一个会议室聚会。这叫做远程电话会议，这种想法将变为现实。　　你有恐高症吗？怕蛇吗？怕蜘蛛吗？得，算你幸运。治疗专家正计划 将虚拟现实用于治愈神经官能症。让患者面对虚拟的蛇和蜘蛛，设法让他 们对这些东西不敏感并最终治愈。　　虚拟现实在性领域应用的潜力很大。不幸的是，当虚拟性生活最终发 展到以假乱真时，恐怕你已太老而享受不了其中的乐趣了。用《虚拟现实》 这本畅销书的作者霍华德·莱茵戈德的话来说，虚拟性生活是“21 世纪初 期和中叶的技术，并非翌年就能实现的。”其原因有两条：一是计算能力 跟不上，二是没有适用的硬件（不是双关语）因而无法得到必要的触觉。 但是，如果莱茵戈德谈到未来虚拟性生活的一段话可作为未来实际性生活 征兆的话，那么耐心地等待还是值得的：在爬进一间配有舒适的床垫的房间和戴上三维眼镜之前，你穿上轻质的紧身连衫裤（有人希望这种连衫裤是透明的），犹如 衣裤相连的紧身内衣，但这种紧身衣配有可得到性生活快感的避 孕套。在这套衣服的内侧使用现在尚未问世的技术，那是一套智 能型传感器-效应器，其实这是与硬度不同的振动器配套的小型 触觉探测器网，每平方英寸上有几百个，可以接收和传输触觉的 真实感觉??你可以把脸颊靠在虚拟缎子上，感受触摸虚拟肌肉 的不同感觉，或者你可以慢慢挤压某个软且弯柔的东西，并感受 到经过你触摸后，这个东西变硬了。现在想象把你整个听觉-视觉-触觉远程存在系统都接入电话网。你看到你自身和你配偶的身体像真的但却是人工的虚拟再 现??你把手放在配偶的锁骨上，而在 6000 英里以外，一组效 应器正以正确的顺序和频率传送你所希望传送的触摸。 真不错。仿真性行为被称作远程人造阴茎性活动，这比远程电话会议强多了。在虚拟约会结束之后，你可以轻拨计算机触发器，享受一下清新 的虚拟冷水浴。拿一块厚实干爽的虚拟浴巾擦干全身。可惜，当你结束这 场电子虚拟现实，爬出连衫裤时，你仍旧感到闷热，身上沾着真实的汗水。 这才是真的。（段斐然 译）我的兄弟，克隆人　　我是一个克隆人。但是，我的诞生不是某个违反道德守则的科学研究 的结果。我是一个克隆人，因为事实上我有一个与我一模一样的双胞胎。 他，实际上，也是本书的共同作者之一。　　简单地说，克隆人是基因的复制品。怀孕时，发育我的卵子在受精后 分裂时并未保留大量细胞。开始时，它分裂成两群。一群成长为一个聪明、 英俊、有魅力的年轻小伙，也就是我。另一群则成为我的孪生兄弟。不过， 重要的是我们都来自同一个合子或受精卵（一模一样的双胞胎更确切的名 称是单卵双生）。这意味着我们的脱氧核糖核酸 DNA（我们的基因组合） 是相同的。双生是一种自然克隆1。　　克隆一般见于物种。生物体无性再生的结果（没有其他配偶体），克 隆是单亲的产物。事实上，所有植物都可以克隆自己。土豆的块茎，草莓 的长匐茎和醉蝶花属植物，以及郁金香球茎，都可以进行亲代克隆。而种 子则是花粉粒受精卵的结果，属于有性生殖。每个种子发芽长成一个有独 特基因的个体，就是非克隆。　　克隆维持着各代动植物特定种类的同一性。这是无性生殖的一个特 点。也是人类长期以来一直利用的一个特点。当你截下一段喜爱的盆栽植 物并把它的根埋入土壤里，长出来的新植物就是原植物克隆个体。当你品 尝一只“美味”的苹果（一种红苹果——译注）或麦金托什苹果（由麦金 托什培育的一种晚熟的皮薄汁多带香味的红苹果——译注）或无子桔子 时，你吃的是克隆植物。它是通过在普通树上嫁接优良果树的嫩枝或幼枝 获得的。实际上，克隆一词来自希腊文中的 klon，意思是“细枝”或“幼 枝”。早在 4000 年以前就进行了葡萄、香蕉、白薯、甘蔗、菠萝、芦笋乃 至大蒜的人工克隆。动物的无性繁殖没有植物那样普遍。尽管所有的动物都是有性繁殖，无性繁殖通常仅限于简单的无脊椎动物。水母或扁虫夹断身上的一小段， 让大量的细胞长成一个新个体。雌蚜产下的卵，不授精就长成基因与其母 体相同的新蚜。有几种鱼、两栖动物和蜥蜴也可以进行无性繁殖，即单性 生殖（详见《物种的性活动》）。但是脊椎动物基本上无法通过自身的一 部分，哪怕是一大块或一个单个的细胞，长成为一个新个体。动物进化为 脊椎动物之后已丧失了这种能力。科学能重现这种能力吗？科学是否应该 重现这种能力？克隆动物：一段历史
克隆动物学实际上研究细胞分化。为什么受精卵细胞可以分裂长出骨 骼、肌肉和皮肤的细胞，而成人的皮肤细胞和肌肉细胞只能分别造出更多 的皮肤细胞和肌肉细胞呢？为什么一个具有受精卵细胞的所有 DNA 的皮肤 细胞不能像卵细胞一样长成新的人？这是生物学尚未解开的最大的谜。到 人类解开胚胎演化之谜时，人类就找到了治愈癌症和人类其他大量疾病以 及防止衰老的方法。1
①南美犰狳在克隆方面很有意思。雌犰狳的受精卵在细胞分离时分成四部分，因此经常生四胞胎。　　上世纪末，德国生物学家奥古斯特·韦斯曼提出了设法解释细胞分化 最早的一种学说，认为受精卵的基因因子在胚胎细胞分裂时分裂。最后， 各细胞会得到细胞特化所需要的基因因子。例如，一个皮肤细胞会得到只 形成皮肤的基因因子，而一个肌肉细胞会具有只形成肌肉的基因因子。　　这种学说经不起科学检验，后来被抛弃了。将一个双细胞青蛙胚胎晃 动到两个细胞分离时，每个细胞长成健康的蝌蚪，继而长成一只健康的成 蛙。细胞并未分摊到因子。　　现在，我们知道，在每次分裂中，各个细胞获得原胚胎中的所有基因 物质。分裂过程如下：在分裂全过程的某个环节，细胞中的基因不可逆地 减少，限制细胞分化的潜力。在胚胎发育过程中，不同基因变成不同细胞， 细胞定向发育。细胞能否不特化呢？切断的基因能否再接上？利用科学技 术手段，能否让皮肤细胞再生，是否有再造一个健全的人的潜力？回答是 不可能，至少目前不能，虽然十分引人入胜的科幻小说中都有这方面的内 容。　　艾拉·莱文在其 1976 年发表的《来自巴西的男孩》一书（后来拍成了 电影）谈到，亲纳粹的科学家取得希特勒的身体细胞，并把它们发育成新 的希特勒。好像希特勒还不够味似的，作家迈克尔·克莱顿撰写的《侏罗 纪公园》一书写到利用恐龙 DNA 碎片无性繁殖出恐龙。从靠吸取恐龙血为 生的尚未变成琥珀化石的史前昆虫的腹部萃取到所需的基因物质。这些书 显然都是科幻小说，写出来也完全是为了娱乐。但是，戴维·罗威克于 1978 年推出的一本题目为《他的影像——克隆人》的图书十分畅销。该书认定 克隆人已经出现，一个经商的富翁给了科学家们 100 多万美元，让他们用 他的一个皮肤细胞或一个肝脏细胞（书中没有谈采用人体的哪部分细胞） 复制自己。最后，各国科学家都称该书纯属无稽之谈。一位曾被盗用姓名并与克隆实验联系在一起的科学家甚至打赢了与出版商的官司。但是，罗威克描 述了十分令人信服的制造克隆人的过程，并在青蛙等低等脊椎动物身上做 了实验。哦，可怜的青蛙。它连同一种与海星有关的小型海洋生物海胆一起，从 19 世纪 50 年代开始就遭到胚胎学家无情地捕捉。按哺乳学家的标准， 原因有二，其一是青蛙卵太大。其二是它们在体外受精和生长，便于掌握 和研究胚胎分化。因此，胚胎学家设法利用青蛙卵（这些卵当然在一小碟池塘水中）克隆出成蛙。其过程很简单：1．移走成年青蛙体细胞中带有基因物质的细胞核。　　2．把该细胞核放入一个卵细胞中，用精子激活（该精子的细胞核已通 过显微手术移走了）。3．观察有细胞核的胚胎长成一只克隆青蛙。 此类所谓的核子转移研究肯定会失败，因为成蛙细胞核即使在被激活的受精卵中，仍然无法活化被切断的基因并分化成新的生物体。因此，50 年代初，又进行了这项试验，这次使用仅出生一天的青蛙胚胎的细胞核。 仅出生一天的胚胎叫作囊胚，包括几千个细胞。试验顺利地进行，结果出 现健康的蝌蚪和成蛙。令人惊讶的是，从一只成蛙的癌细胞中取出核子，将其植入一个去核的卵子中，也能产生蝌蚪和成蛙。这个结果让许多生物学家震惊，他们一 直认为大量肿瘤细胞会扩散，显而易见，细胞癌变时，将特化细胞中本应 切断的基因接通。也许到将来，可从致死的那个癌细胞中克隆出一个新的 你。这是一种有趣的想法，不过还是让我们回过头来看看。　　70 年代中期，牛津大学的 J．B．格登博士和他的助手从完全发育的蝌 蚪的肠细胞中取出细胞核，将它移植到去核的卵细胞中，再次造出一只普 通的青蛙。显而易见，分化的基因在蝌蚪阶段尚未被不可逆转地抑制住。 卵细胞在适宜的环境中还可以复原。可惜这方面的机能至今还是个谜。　　对青蛙所作的实验导致了几项重大进展。但是哺乳动物又如何呢？克 隆能成功地用在人类那样有毛发的热血动物身上吗？　　回答是肯定的。80 年代初，日内瓦的生物学家们克隆出 3 只老鼠。他 们所用的方法与克隆青蛙一样。从早期胚胎细胞中提取核子并将其植入被 精液激活的卵子中。但是，和受精的青蛙卵的不同是，必须将老鼠胚胎植 入雌鼠体中培养。　　自胚胎学发展的早期到现在，在克隆的前沿研究中还未出现惊天动地 的突破。费尽心机的生物学家始终无法提取出成年细胞核，不能使细胞核 特化的基因与这些细胞核匹配。1993 年下半年，新闻媒介对虚有其表的克 隆人争论不休，但这种反应过于激烈。并没有克隆出成年人，科学家远未 能达到这一目标。也许可以做到双生，肯定可以做到裂球分离，但还没有 无性繁殖出人来。让我们详细了解一下实际取得的成就。裂球分离　　受精卵开始分裂时，得到的胚胎细胞叫裂球。1970 年，动物研究学家 分离了两个裂球，并将其用来造出相同的双生幼鼠。任何子宫可以孕育胚 胎，而不需要生物学中所说母体胚胎。1979 年，英国剑桥大学动物生理学 院进行的裂球分离，创造出几组相同的双生羊羔。不久，上述程序被用来 造出小牛。对动物饲养员来说，让优良家畜生产许多后代的“人工双生” 办法已老掉牙了。但是 1993 年 10 月，杰里·L·霍尔和罗勃特·J·斯蒂 尔曼首次对人进行了“成功”的裂球分离。所谓“成功”并非指在人的子 宫中实际植入培育的裂球。那种实验是不道德和不合法的。他们的做法如 下：在乔治·华盛顿大学体外受精诊所中工作的霍尔和斯蒂尔曼选择了 17种被多种精液受精的胚胎。一些有缺陷的胚胎并未存活，打算将其抛弃。 所有选出的胚胎都处于卵裂早期（受精后的分裂），包括 2 到 8 个不等的 裂球。用一种链霉蛋白酶来分解一般能保护发育中的卵子的名叫“卵膜” 的透明胶状涂层，将裂球逐个分离并包入从海草中提取的合成卵膜中。　　研究人员把这些裂球放入一个碟子中培育。来自双细胞胚胎的细胞发 育最好，有些甚至达到了 32 个细胞的阶段。这时，可将它们植入子宫中。 总之，霍尔和斯蒂尔曼共造出 48 个“克隆生物”。　　这并不是一门新科学。如前所述，家畜业使用这项技术已有几十年。 霍尔和斯蒂尔曼并没有按家畜饲养的标准做法，把核子从胚胎细胞移植到 卵细胞中。那么为什么要紧张不安呢？因为人不是家畜。这是首次对人的 胚胎做的实验，虽然它不能发育。　　　　许多人根本无法接受对人的胚胎的研究，他们担心这项技术会被用于 制造阴谋。使用“优秀”人才的精液和卵子可以造出“优秀”的裂球，这 样就可以成立孩童加工厂。“子宫出租”一类的标牌将到处可见。一个家 庭可能由不同年龄的相同双生儿组成。只需将分离的裂球冷冻，需要时可 以生另一个孪生儿。悖理的结果是一位母亲可按自己的想象生出双胞胎。 如果一个孩子在任何方面都表现得很优秀，那么甚至可以向出价最高的人 出售他冷冻的克隆细胞。　　这听起来荒唐吧？多数生物学家都相信这有可能成为现实，克隆出一 支全部由希特勒组成的军队将是一幅令人信服的未来景象。让我回想一下 下述事件：在 1990 年，阿贝和玛丽·阿亚拉承认她们曾设想为一位患有白 血病的生命垂危的姐姐提供她的同胞小妹妹的骨髓。让冷冻的胚胎生长， 并在此后某个时间抽取其中某个部分用作身体备用的想法并不太令人吃 惊。因为，无性繁殖体与它们的基因双生完全匹配，不会遇到任何器官排 异反应问题。　　这也难怪重视医德的人会批评这种以近乎宗教般的狂热作任何形式的 人体实验，以及搞无性繁殖或孪生实验。但是，早期胚胎实验也出现了混 乱。对先驱者来说，这种研究为成千上万对无法生育的夫妇造福。现在， 医生用单个卵细胞进行体外受精的成功率只有 10％。利用裂球分离法来造 出几个可植入的胚胎，成功率会大大提高。裂球分离还广泛用于新型的基因诊断。采用这种方法，有家族性严重遗传病史的夫妇（如家庭性黑蒙性白痴、囊性纤维变性或肌营养不良）都 可以进行身外受精。用一根微型导管在胚胎的卵膜开个口并吸出一个裂 球，找出 DNA 中有缺陷的基因。麻烦在于，有时一个细胞还不够。如果利 用霍尔和斯蒂尔曼技术可复制多个单一的裂球，就可以收集到足够的 DNA 来进行一次成功的实验。总之，如果人类不扪心自问并进行调查，就不会有长进。以前的外科医生不将人体打开，就学不到外科技能。科学家不研究受精卵，就无法知 晓受精卵如何分化。也许我们应引用 17 世纪英国伟大哲学家托马斯·霍布 斯的至理名言“知识就是力量”。我们只是真诚地希望这种力量能用来造 福人类。（段斐然 译）温度的极限　　先将温度计放在嘴里含 7 分钟，再取出，温度读数为 98.6°F。要是 感到身体不舒服，温度读数为 103°F 或 104°F。许多人都知道如果温度 读数为 110°F，人会死去。读数为 90°F 时，人已死一段时间了。我们都 知道体温的意义，也知道温度在天气预报中的意义。例如在 20°F 时，作 户外运动就要穿上冬装；90°F，就得去海滨。我们很熟悉温度和日常生活 关系密切。但是温度究竟是什么？20°F、90°F 乃至 9000°F 时的空气有 何不同？温度指冷热程度温度是热和冷的测量单位，由分子的运动或动能确定。永恒运动　　所有的分子都在运动：正如在气体中分子向所有方向散开；在液体中， 粘在一起滑动；在固体中，固定在其位置上振动，这种运动产生热和温度。 一组分子动能越大，温度就越高。即使是在物质少量取样中，分子的运动 速度也不同，因此以一组分子的平均动能来定义温度。身体健康不发烧时， 体温为 98.6°F 左右。98.6°F 是什么意思？98.6 盎司约为 6 磅。98.6 英 寸约为 8 英尺。那么 98.6°F 是多少？英寸和英尺是距离的度量单位，盎司和磅是重量的度量单位，同样华氏度是温度的度量单位，称作华氏温标。荷兰裔德国物理学家丹尼尔·加 布里埃尔·华伦海特于 1714 年率先推出精度的确很高的温度计。以往的温 度计基于空气等气体或酒精或水等液体的膨胀和收缩，而华氏温度计使用 了液体水银。事实证明，水银在许多方面优于其他物质。其一，在所有液 体中，水银的膨胀率最均匀，而水随温度变化时其的膨胀尤为不均匀。其 二，水银不如水那样容易结冰，不如酒精那样容易沸腾，在很宽的温度范 围内都保持液态。其三，水和酒精会附在玻璃表面。水温度计或酒精温度 计的温度下降时，一些液体附在玻璃上，下降缓慢，因此很难得出温度的 精确读数。华伦海特还发明了一种校准他所推出的温度计的温标。艾萨克·牛顿建议以水的凝固点、人的体温作为温度计的标定点，并将水的凝固点定为0 度，华伦海特推出的温标基本上以它为基础。同时他还意识到这样一来， 冬天的温度将低于零度。为了尽量避免负温度，将盐加到水中以降低水的 凝固点。他将盐水凝固温度定为 0 华氏度（即 0°F）。然后将 0 度到体温 之间的间隔分成 96 等份（为什么这样划分无可奉告），将体温定为 96°F。 根据这一温标，纯水的凝固点接近 32°F，沸点接近 212°F。　　科学家进一步了解水的物理和化学特性后发现，纯水的凝固点和沸点 很有参考价值。因此，华伦海特调整了温标，将凝固点正好定为 32°F， 沸点为 212°F，其间的间隔分成 180 等份。体温就调整为 98.6°F。在美国，除科学界以外的其他领域主要采用华氏温标。其他许多国家（即便是华氏温标的发源地英国）及那些国家的科学家都使用瑞典天文学家安德·摄尔西乌斯于 1742 年发明的另一种温标。这种温标极其简单，它 将纯水的凝固点定为 0 度，沸点定为 100 度，将其间的间隔分成 100 等份（奇怪的是，摄尔西乌斯先将凝固点定为 100 度，沸点为 0 度，但第二年 就将两者倒了过来）。起先这种温标称为百分标，即分成“100 等份”，在 1948 年之后大家达成一致，将其更名为摄氏温标（这两种温标的符号都 是 C，因而在教科书中不必修改）。图 1 对华氏温标和摄氏温标作了比较。■　　另一种温标是法国物理学家列奥米尔于 1731 年发明的列氏温标，该温 标将水的凝固点计为 0 度，沸点计为 80 度。这种温标也曾持续使用了一段 时间，但后来逐渐失去了影响，现在只是科学上的一段小插曲而已。　　列奥米尔之后的一个多世纪之内温标并没有很大变化。看来找不出什 么理由将水的凝固点和沸点之间的间隔分成其他等份。但是不久，物理界 发现将水的凝固点作为温标的起点没有任何意义。高温和低温的极限　　数千年来人们都知道，物体受热膨胀，冷却时收缩（但水在一定温度 时有例外，参见《奇妙的水分子》。温度变化时，固体和液体几乎不膨胀 也不收缩，少量有变化的也因物质而异。例如，金属铝的膨胀比矿石石英快 77 倍。气体则并非如此。温度变化时，所有气体都随之发生明显的膨胀和收缩，且变化率相同，是一般固体的 300 倍。 气体收缩率不变，也出现了一个有意思的问题。气体冷却时以恒定比率收缩会不会越缩越小，最终缩到物质消失？那时会出现什么现象？物质怎么能没有体积不占空间，而基本上消失呢？ 法国化学家约瑟夫·路易斯·盖伊·勒萨克在 18 世纪末期提出了这个问题。①他取出一定体积的气体以 0℃为起始温度将其慢慢冷却并计录其体积的变化。气体温度每下降 1 度，体积减少 1/273。例如，他用 273 加仑 的氧气从 0℃开始实验，温度降为-1℃时，体积减为 272 加仑；在-10℃时， 体积变为 263 加仑；在-50℃时，变成 223 加仑，依此类推。那么如果气体 温度为-273℃，又怎样呢？体积会减为零吗？不会。气体在冷却到一定程度时变成液体，收缩率大大下降。温度更低时，液体固化，收缩率进一步减少。因而体积永远不可能降为零。盖伊·勒 萨克和其他人的研究导致了另一个有趣的问题：物体的冷却到底有无限 度？
-273℃是一个令人感兴趣的值。物理学家开始将温度变化与分子动能 而不是与体积变化相联系，他们推断，温度从 0℃开始每降低 1 度，实验 中的氧气体积不仅减少 1/273，分子也失去了 1/273 的动能。在-273℃时， 分子不再运动，甚至在组成分子的原子中移动的电子也不运动，总动能为 零。物理学家不会接受这种观点。如果电子不在原子内到处运动，由于两 者间的相互吸引，就会被拉向原子核，原子就会崩溃。那么所有物质在-273①
他没有将膨胀考虑进去，某种受约束的限定气体变热时无限膨胀，而宇宙中有足够的空间，很容易接收这个观点。℃时都会崩溃。　　但是，物质不会崩溃；因此，温度不可能达到-273℃。事实上存在的 温度的下限，即使利用现代的先进技术，也绝不可能达到- 273℃（确切值为-273.16℃），将来也绝不可能达到。这是物理界“无法做到”的事之一。 如果有朝一日做到这一点，将会出现十分奇特的现象。光速是另一个做不 到的事（参见《一切事物都是相对的：狭义相对论》）。　　不管能否做到，-273℃很快得到了很好的应用。1848 年，苏格兰物理 学家威廉·汤姆森（后来提升为男爵，头衔开尔文勋爵）提出温标中的零 点不应该是水的凝固点（摄氏温标）或 32 度（华氏温标），而应采用能存 在的最低温度（水像酒精、苹果汁和巧克力奶油冻一样，仅仅是无数物质 之一），这样才有意义。他将这个最低温度称为绝对零度，由此产生的温 标称为绝对温标。通常也被称为开氏温标。　　为了符合自己的使用目的，开尔文决定修改摄氏温标而不修改华氏温 标。1 开（1K）和 1℃的值实际上相等①（今天温度比昨天高 10℃，同样也 高出 10K）。唯一的区别是它们的起点，若开氏温标从 0 开始，那么摄氏 温标从-273 开始（华氏温标从-460 开始）。　　天文学和物理学等领域乐于采用开氏温标。表 1 对开氏温标和摄氏温 标的公共值作了比较。表 1 绝对温度
℃
K
水的沸点
100
373
人的体温
37
310
室 温
20
293
水的凝固点
0
273
绝对零度
-273
0
将摄氏温度变为开氏温度，加上 273 。将开氏温度变为摄氏温度，减去 273 。我们已经了解了温度的下限。是否有温度的上限？460°F 到 11，000°F（-273℃到 6000℃）　　尽管我们无法达到绝对零度，但能够十分接近这个温度，仅仅高出十 亿分之几度，这种温度下没有气体，也几乎没有液体。您呼吸的空气是块 状的固态冰。在分子一级，一切物质都以极低的速度运动。　　物体受热时，分子开始振动和摆动。许多分子挣脱束缚。熔解和沸腾 下面还要谈到。压力对不同温度下物质的物理状态有一定的作用。物质的 熔点和沸点通常指在常压下，或是海平面的标准大气压下。
在高于绝对零度 2 华氏度或 1 摄氏度下（现在，我们开始使用这两种 常用温标），氦首先熔解；略高于这一温度（-452°F 或-269℃）就开始 沸腾。接着是氢。氧排在第四位，在-361°F（-218℃）时熔解，-297°F①
开氏温标的符号〔°〕通常省略。（-183℃）时沸腾，温度再升高 168°F，就达到地球上的最低气温记录：-129°F（-89℃）。这一气温于 1983 年在南极洲出现。最先熔化的金属为 汞，在-38°F（-39℃）时熔解。冰在 32°F（0℃）时溶解。　　我们现在来看温标的正值，温度稳步上升。1992 年，利比亚出现了地 球上树荫下的最高温度 136°F（58℃）。但比 212°F（100℃）的沸水温 度低得多。更比厨房火炉通常的 550°F（288℃）低。550°F 略高于纸张 的燃点。雷·布拉德伯里撰写的《华氏 451 度》一书的书名源于纸张的燃 点。书中讲到在未来沉闷的社会，政府为压制思想和言语自由而焚书。　　炉内空气达不到将空气加热的火焰热度。标准火炉或炉顶燃烧器所用 天然气（甲烷）火焰的温度超过 2000°F （1039℃）。这大体上是金和铜 的熔点，汽车尾气的温度（汽车发动机的温度可达到 4500°F）。在这个 温度下，受热物体将发出红光。　　其他许多金属，如铁在 2795°F（1535℃）时熔解。熔点最高的金属 是灯泡中发光的灯丝，金属钨。它在 6116°F（3380℃）时变为液体。唯 有钻石在更高温度下才熔解，其熔点为 6400°F（3538℃）。费解的是， 钨的沸点为 10，700°F（5927℃），是所有物质中最高的，高于钻石的沸 点。在 7300°F（约 4000℃）的常压下根本没有固体存在。温度还能更高。什么情况下出现这些超高温，在什么过程中出现？11，000°F（约 6000℃）甚至更高　　在地下 4000 英里的地球中心处的温度约为 12，000°F（6649℃）， 略高于太阳表面温度。地球中心处的材料主要是极高压下的固态金属铁和 镍。高压产生高温，体积和质量更大的恒星将产生更大的内部压力，核心 的温度更高，太阳系中体积最大、质量最大的木星（其质量大于其他 8 个 行星质量之和）的核心温度估计高达 3.6 万°F（约 2 万℃）。温度之高， 所有分子键都无法存在。存在的物质都由单原子和部分原子组成。既然这时的温度已超过行星的温度，我们来看一下恒星。恒星的表面温度悬殊很大。体积较小的恒星其实温度不算高，约 5400°F（约 3000℃）。 它们看上去呈红色。太阳的质量约为小恒星的 10 倍，是木星的 1000 倍， 因此其内部的压力和热量都很大。它的表面温度约为 10，000°F（约 5500℃），发出黄光。太阳远不能和质量最大、最热的恒星相比。质量最大和温度最高的恒星的表面温度达到 20 万°F（约 11.1 万℃），发出蓝白光。 激光束的温度则是这个温度的 10 倍。　　激光和恒星表面的温度远远比不上恒星中心的温度。即使是最小的恒 星的核心温度也超过 1800 万°F（约 1000 万℃）。这是氢聚变的温度，氢 聚变是恒星有能量并发光的原因。太阳中心的温度约为 2700 万°F（1500 万℃），质量更大的恒星中心的温度更高。科学家在地球上用氢弹爆炸再 现氢聚变反应。托卡马克实验核反应堆在受控实验室条件下可再现氢聚变（不要将托卡马克热核反应装置与世界各国产生社会所需能量的核反应堆 混为一谈，后者是裂变反应堆，根本不是实验反应堆，它采用完全不同的 核反应过程，释放的能量不如实验核反应堆多）。托卡马克装置的内部温 度能达到 7.2 亿°F（约 4 亿℃）。　　还有温度更高的物质吗？有。恒星将氢用尽，开始死亡时，会出现失 常行为。它们开始融合其他元素，核心处温度高达 25 亿°F（约 14 亿℃）。 最重的恒星在意想不到的爆炸中结束生命，这个过程叫超新星。发生超新 星现象时，其核心温度超过 410 亿°F（约 230 亿℃）。据报道，粒子加速 器中的温度超过 18000 亿°F（约 10000 亿℃）。　　现在我们知道温度能达到数万亿度。温度有上限吗？物理学家认为既 然有温度下限，肯定也存在上限。美国国家标准与技术研究所的约翰·黑 斯蒂和大卫·邦内尔以及美国首都华盛顿的国际风险科学中心的琼·贝科 威茨合著的《高温》一文中指出，自然界能达到的最大温度受可用能量开 始生成物质的限制，估计能达到 2×1012K，即 3.6 万亿°F（约 2 万亿℃）， 比我们现在所知道的温度最高的物体还高一倍。　　创世大爆炸也是例外。我们相信宇宙从创世大爆炸开始，当时的温度 是无法想象的。按宇宙论者和天文物理学家计算，“大爆炸”的温度达到2×1032°F（将 2 改为 1，即为大致的摄氏度），任何温度都不会高于这个 温度了。（段斐然 译）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　奇妙的水分子心脏能跳动 血液能流动肺能呼吸，关节能活动，肌肉能运动 多亏有了人体的冷却系统——埃维昂公司瓶装水广告语节选水的功能远不止这些。 水是用得最普遍的物质。没有水就没有生命，世界气候就会是另一个样子，最要紧的是无法用微波炉加热食物。水这种物质如此特殊的原因何 在？关键在于它的分子结构。正确的角度　　尽管水的行为复杂又独特，它却是又小又简单的分子。它由两个氢原 子分别和氧原子键合而成（见图 1）。水分子的三个原子形成 104.5 度角。每个氢原子和氧原子之间的键，叫共价键，通过分享一对电子形成。应当指出，一对电子的共享程度并不 均衡。氧比氢更需要电子（这种特性称为负电性）。换言之，氢原子和氧 原子键合时，在这个过程中共价电子主要在负电的氧原子周围运动。因此， 共价键氧的一侧带负电(-)，氢的一侧带正电(＋)（高中物理课本就介绍过 电子带负电）。如果水是线性分子，这些电荷就无关紧要。这种分子应该对称（见图2）。■　　（为了检验水等由三个原子组成的分子的对称性，画一条横线与一条 竖线穿过分子中部。如果分子对称，上下、左右看上去都应该一样。）正 电荷均匀地分布在负电荷周围，作用相互抵消。只有一个电荷中心；分子 为无极分子。但是水分子为非线性，呈角分布，因而差异很大（见图 3）。　　因为呈角分布，因而分子不对称。在负电荷周围，正电荷不均匀分布。 作用不能相互抵消，两者都有自己的电荷中心。分子有正负极。这是有极 分子，化学家称为偶极子（见图 4）。事实上，水是一种特殊的有极分子， 其有极属性比几乎其他所有分子都明显。　　因而水分子呈非线性，且呈角分布。这方面哪怕稍有差池，生命就不 会存在。黏在一起　　因为偶极子有正极与负极，活像小磁铁。分子的正极吸引邻近分子的 负极，从而分子黏在一起。蜂蜜黏性大，就是这个原因。图 5 为水分子相 互吸引的示意图。　　用虚线表示吸引，因为偶极子间相互吸引涉及氢原子，故称为氢键（氢键表示含氢的有极分子间的相互吸引。氢键比水分子内氧与氢两种原子间 的共价键弱）。水分子因其有明显的偶极子属件而由稳固的氢键结合在一 起。它们趋于牢牢地粘在一起。牢固到什么程度？用一个医药用的滴管， 将水滴小心地滴到硬币上。在水尚未从硬币边沿溢下来之前，数一下硬币 上的水滴数。　　为了用别的方法演示水分子的黏性，在两个玻璃杯或茶杯中分别装上 油和水，尽量将它们放平（和平面平行），分别在两种液体上轻轻地放一 个用密度比水和油大得多的钢制成的小纸夹。纸夹本应沉入液体中，但事 实是它漂浮在水面上，而不是在油上浮着。　　其实，纸夹浮在水面上并非因为有浮力，或两者存在密度差异，而是 因为水有黏性，水面上的分子粘在一起构成透不过去的覆盖层，叫表面张 力。将纸夹往水面下压，纸夹就会沉下去。　　黏在一起的分子形成固体和液体。为了使分子不黏在一起而相互分 开，并变成气体，必须向水中增加大量的能量，通常都通过加热。就是说， 水的沸点高，往往呈液态。必须将水温提高到 212°F（100℃），分子才 能有足够能量克服氢键的强作用力而分开。温度在 32°F（0℃）和 212°F 之间时，水为液体。世界上几乎所有地区的水全年多半为液体。但是如果水不呈角分布，无极性，而不是有极性，就不会很黏，水的沸点将特别低。如果水无极性，估计在-85°F（-65℃）就会沸腾，那么在 地球的所有温度下水都应该是气体。实际上水是液体，水分子呈角分布且有极性，而不是呈线性分布且无极性，因此水成为生命的源泉。生命的灵丹妙药　　地球上的生命经过了复杂的分子形成过程，这个过程叫化学演变（参 见《地球生命的起源》）。这一过程涉及许多不同混合物的混合和反应。 这时，液态水是任何物质无法与之相比的最好物质，它能溶解物质，提供 相互碰撞和反应的介质。水被称为万能溶剂，尤其适合溶解生命世界中的 许多物质。如果没有液态水，生命肯定进化不了。生命在进入陆地之前在 海洋中产生并生存了数亿年，也充分地证明水的重要性。　　生命茁壮成长的地球，有水行星之称。液态水覆盖地球表面的三分之 一，重量约 15×1017 吨（共有 28×1024 滴）。　　其他行星就没有那么幸运了。火星上极其干燥，没有生命，尽管火星 表面受侵蚀的沟渠表明水曾经在火星表面流动，也说明火星上可能有过生 命。月球极其干燥，并因为其他原因而没有生命存在。水星也是如此。金 星也因为温度很高，不可能有液态水，也不存在生命。在金星上，铅也会 熔化。这是一颗名副其实的气态巨星。冥王星则是个大冰球，不可能有生 命存在。　　液态水对生命的起源与维持都至关重要（只需喝一杯水，即可得到证 实）。有人一直有些似真非真地将生物说成“一袋酶”。这说明生物的机体极其复杂，井然有序。一次必须完成上千种不同的化学反应。酶协调并加 速这些反应。要是没有酶，很多反应会十分缓慢。水这种介质特别适合酶 的工作，任何其他一种液体都不能像水那样充分溶解许多物质，并促使它 们反应。事实上任何其他液体都没有类似的功能。水在生命体大量存在也 许就是这个原因。在所有细胞中，水占 70％～85％。在人体体重中，水占60％；在人体的大脑中，水占 70％。在人体的骨头中，水的重量占 20％。 人的体重正常为 150 磅（68 公斤），其中水占 40 夸脱（38 升）。　　水很容易流动，这一点显然有别于油和奶油冻等黏稠液体。水容易流 动，而且溶解力很强，因而它是一种很好的运输和循环流体。在血液中， 水占 93％，可溶解营养素、激素和代谢产物，在人体细胞中循环。　　水蒸发时还带走相当一部分热。人发烧与出汗时，皮肤将汗水蒸发， 带走热量，使人体降温，水是人体的冷却剂。　　水还有比热高的特点，能很好地稳定温度，升温与降温都不很容易， 因而人的体温能稳定在 98.6°F（37℃）。水的温度稳定效应在生物界以 外也有重要应用。水与气侯　　陆地的比热较低，升温和降温都比水快得多。因此内陆地区四季的温 差比沿海地区大。例如，冰岛首都雷克雅未克和西伯利亚维尔霍扬斯克的 海拔和纬度相同，日常的阳光日吸收量与强度相同，因此它们的气候，特 别是温度，理应相似。然而，事实并非如此。雷克雅未克位于冰岛南海岸， 临近大西洋，年温差只有 20°F（11℃）。维尔霍扬斯克在亚洲大陆内陆， 年温差为 120°F（67℃）。水的温度调节效应在美国也很明显，奥马哈和 内布拉斯加等内陆城市的年温差比加州洛杉矶等海岸城市大。水的异常现象　　多数物质受热时密度减小（将物质的紧密度或将分子挤压在一起的程 度看作密度最为方便），以一块铜币为例。铜币受热时，铜原子运动加快 且扩散。铜币所占空间略有增加，密度减小。继续加热直到最后熔解。液 态铜的密度肯定比固态小。液体铜受热，其分子继续扩散，密度越来越小。 几乎所有的纯物质都按照这一规律，但水例外。　　水在 50°F（10℃）时为液体，我们将水冷却，而不将其加热。据推 测，水冷却时，分子运动减慢，相互靠近，水的密度增加。但在 39°F（4℃）时出现了反常现象，将水进一步冷却时，水分子开始扩散。32°F（0℃）时，水凝固，水分子进一步扩散，体积增加近 10％（在温度低于“凝 固点”的地区，必须往汽车水箱中加入防冻液，就是这个原因。一旦水凝 固，会将汽车的发动机组胀破）。也就是说，39°F 水的密度比 32°F 时 水的密度大。任何温度下，液体水的密度都比冰的密度大。冰块在水面上 漂浮，就是这个原因。这一反常现象，归因于冰中的水分子形成一种相当 开放的晶体结构。溶解时，这种开放结构崩溃，分子进一步聚拢，加大了 物质的密度。这种开放结构只有在水温达到 39°F 时才完全崩溃。水的反常现象对我们周围的世界产生有趣的影响。例如，季节变化时，湖泊和深的池塘发生的变化。冬天来临，气温下降，湖面的水受冷，密度 加大而下沉，下面的温度稍高的水上升又被冷却。温度在 39°F 以上时， 水受冷会下沉。由 39°F 降到 32°F 时，水的密度减小，停留在表面，最 后凝固成冰。水体自上而下凝固。而几乎所有其他液体是自下而上凝固。 湖泊或池塘中的水，自上而下凝固，即使在气温低于 32°F 时仍能保 持液态。水面的冰起了热障的作用，将下面的液体同上面寒冷的空气隔开。 除了浅池塘外，水体底部通常保持液态。因此，海洋生物能在严冬中生存下来。雪 片　　水也可以是艺术品。雪是固态水的一种，其形状美丽迷人，是自然界 最精美的图案之一。但雪也常常令人想起铲雪、汽车开不动和霜伤等诸多 不便。下雪时，取一片雪花放在一张黑纸上用放大镜仔细观察。就会看到 雪花呈六边形，这是水分子相连的结果。如果降雪地区气温较高（仍然低 于凝固点），雪花会又大又复杂。如果气温很低，雪花小且简单。因为温 度较高的空气一般都较潮湿，雪晶体生成时有较多的水分子。这些不寻常的晶体形状差异很大。有的内部扁平像绣出的六边形，或六边圆柱体，或是星形，六边支叉从中心向外不同的方向辐射。雪晶体的 形状很大程度上取决于温度，也受到雪花落到地面的速率等其他因素的影 响。雪片的结构完全开放，就是说，雪晶体有许多大孔。因此，雪的密度比普通的冰低得多（众所周知，冰的密度又比液体水低）。实际上，厚 50 英寸的干粉末状的雪溶化后只有约一英寸厚的雨水。水蒸气在尘埃周围聚集凝固，在高层大气中形成雪。雪通常不是由液体水凝固而成，这倒挺有意思的。 常言道找不到两片完全一样的雪花。这种说法是否站得住？从某种意义说，是正确的。普通的雪晶体约有 1019 个水分子。它们的三维组成几乎是无穷的。任何两片雪花的分子结构都不一样。乍一看，雪片的外形和大 小都相似。《今日美国》的气象学家杰克·威廉姆斯在《天气》一书中说 到：“许多小的雪晶体结构简单，为六面形雪片，形状上没有明显的不同。 即使再复杂的晶体也可能相似”。振动性能好　　微波炉之所以能烹调食物，是因为食物中含水。水是一种强偶极子。 电学上的水是正、负极性很强的分子。微波像无线电波、光和 X 射线一样 是一种电磁辐射能，具有电和磁两种特性。电磁能穿过食物时，导致水等 极化分子振动。振动产生热，这种热煮熟放在微波炉中的食物。微波炉并 不是常说的由里向外煮熟食物，煮熟食物的热源来自食物内部而不是外 部。因此微波炉做出的食物不会焦。水妙不可言，实际上是奇妙分子的妙不可言
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