格物社·在线图书馆

作者：蜗牛 审核：一毫秒的永恒   冬日的早晨，清冷而安静，物体表面还未被太阳打上高光，只是自然的本色，我喜欢这样的时光，没有喧嚣，没有纷扰，没有第一节课的紧张，从容地出门去签到上班，顺便还能带上望远镜看看校园里的鸟儿们。   今天运气不错，在喜鹊的叫声中，刚出家门不远就在水塔处的小广场上听出夹在麻雀“喳喳”声里的一丝“zizi”声来，应该是山雀，举起望远镜瞅瞅，这一只应该是大山雀，不过也可能是远东山雀，这俩是看一次混一次，常见的鸟儿也要用心才是。   过了中间小门，操场和商店之间的这条法国梧桐遮蔽下的大道简直就是“天使(屎)之路”，地上大摊的鸟屎连成片，可能它们天天都在这里开会吧。每年春夏之交，好多人都在这条路上遇到过灰喜鹊们的袭击，每次都是先看到一只大的灰喜鹊在斜前方的树丫低处“呕呀啁喳”一通训斥，稍稍走过它的站立之处，感觉到耳后一阵风起，回头看去，这只灰喜鹊已经得胜收兵了。这灰喜鹊也并不是真的攻击，只是在走过之后在头顶后边很近的地方盘旋一下而已，不知道这属于什么战术。有一次我一直扭头看着这个发通告的灰喜鹊，它看着我一直注视着它，居然不好意思采取行动，我后来干脆倒着走出它的势力范围，在鸟儿眼睁睁的无奈中暗自得意了许久。 喜鹊   真的攻击行为还是有的，只是不多。笔者的闺蜜说过她和儿子在这条路上玩时，一只小灰喜鹊宝宝在她们不远处扑腾，两三岁的孩子靠得稍微近了些，大鸟俯冲下来，她赶紧跑上前护了一下，隔了一天，还是在同一路段，没有带儿子的她被大鸟从背后在头顶啄了一下，真的很疼。穿着不一样的衣服，鸟儿是根据什么认住了我们人类的？在我们眼中，种类一样个头一样的鸟儿真的区分不开，我不知道在路上遇到的这一只和在我窗外看到的是否是同一只，但穿不一样衣服的同一个人又是如何被鸟儿们在一堆人中认出来的呢？ 珠颈斑鸠   纵然有灰喜鹊称霸的这条路上，偶尔也会有斑鸠静悄悄地潜伏于某处，每 ...

  代数是研究数、数量、关系、结构与代数方程（组）的通用解法及其性质的数学分支。初等代数一般在中学时讲授，介绍代数的基本思想：研究当我们对数字作加法或乘法时会发生什么，以及了解变量的概念和如何建立多项式并找出它们的根。代数的研究对象不仅是数字，还是各种抽象化的结构。   作者：delta   代数是当今数学中最重要的分支之一。在它下面还能分出许多其他的分支，比如初等代数、高等代数，而高等代数还能分出更多枝叶。如果说数学是尤克特拉希尔的话，那么代数就是其中的阿斯加德   几何是华纳海姆。   显然，近世代数在阿斯加德中拥有着等同于英灵殿的奥丁相同的权能。我们此行的目的便是觐见奥丁。然而，无论哪个国家，不先从守门人那里拿到通行证，我们都不可能直接觐见国王。所以，至少让我们先走上比弗罗斯特，跟海姆达尔——初等代数来一场交心的攀谈。 起源   目前普遍认为，公元前三世纪的古希腊数学家丢番图是代数学的鼻祖，而真正创立代数的则是古阿拉伯帝国时期的数学家花拉子米。后者常常因为名字而被中国的学生嘲笑。   然而，这种不恰当的嘲笑也没能给花拉子米带来多少名声。听说过他的终究只是少数人。相反，丢番图则因为他墓碑上的小学奥数练习题和著名的丢番图方程而被大多数人所知。   说来好笑，情况再次发生了戏剧般的转折：尽管很多人都听说过丢番图方程，但别说解决这类问题了，他们甚至连丢番图方程究竟是什么都不知道。   如果你以为这篇文章准备讲丢番图方程，那就大错特错了。我们说由简入繁，就要从真正的“简”入手：显然丢番图方程还不算真正的“简”，其本质才算。   方程的本质是什么？等式。   等式的核心是什么？“={=}=”。   让我们从等号开始，走入密米尔之泉。 等号   首先我们知道，如下的式子是正确的： 1=12=1+12×5−6=2×2\begin{aligned} 1 &= 1 \\ ...

作者：自控力 审核：Nancy   我们熟知的“人类进化图”其实是有误的。事实上，人类的演化史并非图中呈现的那条笔直单行道，而是一棵分叉众多的繁茂巨树。在远古时期，人属(Homo)成员已知多达15种以上。尼安德特人、直立人、弗洛里斯人……我们的祖先智人(Homo sapiens)曾与这些物种在地球上共同生活过很长一段时光。   既然如此，这幅极具误导性的直线图又是从何而来的？它最早出自 1965 年出版的科普著作《早期人类》(Early Man)。书中原本设计了一张精美的长幅折叠拉页，展示了不同阶段的人属生物。然而，由于原画篇幅极长，后来的排版为了节省空间，将其压缩、折叠在了一起，导致这组生物看起来像是排着队在向前走，最终演变成我们今天看到的线性模样。   在远古地球的角逐中，论强壮，智人不及尼安德特人；论敏捷，我们也不是最出众的。那么，在漫长的岁月中，为何其他的“兄弟姐妹”们都走向了灭绝，唯独我们   人类起源研究领域普遍认为：现代智人的起源地位于东非大裂谷为核心的撒哈拉以南非洲 ，这里在几百万年前逐渐养育了我们的祖先。不过，也有一些化石显示在地球同一时期的其他地区，可能也有人属动物分布，因此学术界形成了非洲起源假说和多地起源假说两种主要理论框架。   早期的人类其实并没有过大的差距，很多是迁出非洲后在不同的地区发生各自的演化逐渐成为不同的古人类种群。这就像大自然里的猫科动物演化出了狮子、老虎和豹子等完全不同的分支。我们早期演化的人种中有身体粗壮的尼安德特人，也有身材矮小的弗洛里斯人 。但无论是哪个人种，其共同点便是懂得了思考，但大脑的扩容却让早期的人类付出了巨大的代价。   一般 60 公斤左右的哺乳动物，脑容量在200立方厘米左右，但早期人类(如能人)的脑容量已经达到了约600立方厘米。这相当于比其他动物多装了一套高效的CPU系统。然后人类凭借着超一般的智慧奋 ...

作者：阿白特尔 审核：一毫秒的永恒   说起物质的状态，我们首先想到的可能是固体、液体、气体这三种。在固体中，物质粒子被禁锢在固定的位置附近无规则地振动，因此整体显现出固定的体积和形状。而随着物质粒子无规则热运动的动能增加，总有一刻物质粒子将会挣脱固定位置的束缚而流动起来，这时物质粒子并没有固定的空间位置，但仍然受到周围粒子的吸引力而难以脱离粒子的群体，宏观上看物质就拥有了相对固定的体积和不固定的形状，这样的物质状态就是我们熟悉的液体。随着温度的进一步升高，粒子热运动变得越来越剧烈，以至于粒子基本完全挣脱了粒子间的吸引力而自由地分散开来，这种既没有固定体积也没有固定形状的物质形态被称为气体。可以看到，固体、液体、气体的区别，本质上是由于粒子热运动对粒子间相互作用的挣脱(或破坏) 程度的增加而导致的。   知道了这三种物质形态，我们很自然地就会想到，会不会还存在着更多的物质形态呢？进一步增加物质的温度，会发生什么呢？由于气体已经几乎完全挣脱了直接组成物质的粒子( 如分子) 之间的相互作用，进一步的升温只可能破坏更加强大、更加紧密的相互作用。对于分子气体，增温可能首先破坏其中的共价键或配位键，使得组成分子的原子或原子团相互之间分崩离析，分子气体一步步地变成原子气体。再继续加热，就连强大的原子也“撑不住”了，原子中的电子不断地脱离原子核的吸引力，从而成为独立于原子之外的自由电子，而原本呈电中性的原子由于失去负电荷而变得带有正电荷，因此从原子变成了离子。当气体中的电子- 离子密度达到一定的水平，以至于它们的集体效应可以主导气体的性质时，第四种物质的形态——等离子体态，就产生了。   上面阐述了产生等离子体的一种方法——加热电离法。通过加热使电子的热运动变得剧烈，最终脱离原子的束缚。这样得到的等离子体往往处于热平衡态，也就是电子和离子具有相同的温度。太阳、核聚变反应炉中的等离子 ...

  疫系统，就是用来阻挡外界病原体入侵的。我们之前了解了免疫的防御机制，这次我们就来了解一下病原体们的进攻机制吧。我们今天来了解一下一种历史上很有名的疾病—— 鼠疫，它对人类造成的危害足以引起我们对它的重视。鼠疫还有另外一种名字：“ 黑死病”，因为感染这种疾病而死的人的尸体大部分呈紫黑色。 作者：神州 审核：未名、Thinker 序言   有进攻才有防御，人体的免疫系统，就是用来阻挡外界病原体的入侵的。这次就由笔者带大家了解一下病原体们的进攻机制吧。   我们今天先了解一下历史上一种很有名的病原体——鼠疫，它对人类造成的危害足以引起我们对他的重视。鼠疫还有另外一种名字：“黑死病”，因为感染这种疾病而死的人的尸体大部分呈紫黑色。 鼠疫杆菌 Credit: Rocky Mountain Laboratories, NIAID, NIH   ，看到这个名字我们应该就能想象到它的主要传染源是啮齿类动物，其中就包括旱獭 (Marmot)，也就是我们平常所说的“土拨鼠”。 尖叫的土拨鼠 meme   旱獭主要分布在我国青藏高原、内蒙古草原等地区，因此这些地方是鼠疫的主要自然疫源地。有段时间旱獭成为了网红动物， 很多人因为旱獭 “丑萌” 的外表都很期待和它接触。 然而，大部分人并没有意识到旱獭可能带来的传染病风险。   有些人认为，只要不被旱獭咬伤就没有事，但事实并不是这样。鼠疫是极其危险的，传染性也很强。而且它的主要传播途径并不是啮齿类动物的攻击，而是啮齿类动物身上的跳蚤在叮咬带病宿主之后又经过接触转移，最后在新宿主身上生活导致鼠疫被带到新的个体身上。而且在捕杀鼠类的过程中，剥皮、宰杀等行为也会使我们直接接触到鼠疫杆菌从而让我们患病。人类通常对鼠疫没有抵抗力，只要人体被病原体入侵，绝大多数被入侵者都要患病。   根据鼠疫杆菌入侵部位的不同，出现的症状也不同。大致分为常见的原 ...

作者：Kon 审核：翛   人类身处的太阳系，有着大大小小的行星、卫星、彗星等天体。而太阳又是银河系内“恒星家族”中非常普通的存在。对此，人们就会产生这样两个疑问： 我们的存在是否唯一？ 如果在天文学领域里，如果问得更具体些，就是：像太阳系一样的行星系统是否在宇宙中普遍存在？ 我们赖以生存的太阳系，是如何产生的？   在人类有能力大规模搜寻系外行星(Exoplanet)之前，这样两个问题很难得到令人满意的回答，因为没有大量的参照样本，人类对行星系统认知的唯一参照蓝本就是太阳系自身。当然，这两个问题一定程度上也是绑定的，行星系统的形成机制一旦确定，就能反过来预测这样的系统是否普遍存在。历史上，关于“行星形成”有过以下几种理论：   第一种理论认为行星的形成和其母恒星有关，在其母恒星形成不久后，其外围有残余的“气体尘埃盘”，行星就是在这个盘面上形成的。这种理论自然就暗示了行星的存在是比较普遍的现象。   还有其他的理论认为行星的形成和恒星形成无关，而是由其他事件触发后形成。比方说，“ 潮汐剥离说 ”认为行星的形成是两颗恒星近距离互相擦过时，潮汐力将一部分气体从恒星身上“剥”出来，然后这部分被剥出来的气体形成了行星。然而在宇宙空间中，即便是银河系这种恒星聚集区域，恒星数密度依旧低到感人，这就意味着“潮汐剥离说”认为行星的存在极其罕见。   当然，对于“太阳系这样的行星系统是否普遍存在”这个问题，即便还没有开始搜寻系外行星，人们大多还是会倾向于认为这样的系统是普遍存在的。将“与人类自身相关事物尽最大可能地去特殊化”似乎是近现代科学的偏好，哥白尼革命、柯蒂斯-沙普利之争都是将人类从“最中心、最特殊”的位置驱赶到越来越不起眼的地方。不过，这就涉及到科哲相关话题，在此不予赘述。   得益于开普勒望远镜的发射，2010年以后系外行星就如同雨后春笋一般被大量探测到。截至2026年， ...

作者：绿水青山 审核：食野；未名   人的一生中，不可避免地要受到周围环境中各种事物的影响。我们的机体也会自然而然地产生一些反应，先尝试对其进行适应；若刺激过强，机体则可能会出现损伤。今天我们就来讨论一下机体是如何修复自身损伤的。   损伤是指机体部分细胞和组织的破坏或丧失，修复也就是对缺失部分的修补和恢复。 修复一般分为两种形式 ： 一种是再生，另一种是纤维性修复 。再生是指受损部位的同种细胞进行分裂来恢复组织原本功能的过程，这种修复一般比较完全，可以恢复全部的功能。纤维性修复通过纤维结缔组织进行修复，这种修复会产生瘢痕，同时功能的恢复也不完全。   机体再生能力的强弱有以下几个特点：易受伤和常更新的组织强于其他组织、分化程度低的强于分化程度高的。另外生物的进化方向和种类不同，机体的再生能力也会有所差异，比如蝾螈、壁虎等动物以及许多植物都具有很强的再生能力。   组织的再生大致可以分为两种情况：完全再生和不完全再生。完全再生指再生后的组织功能与先前高度一致，不完全再生则是指由纤维结缔组织替代原组织进行修复，修复所采用的细胞类型与原组织不同，原组织丢失了一部分功能，形成瘢痕。   一般情况下，不同组织、不同部位受损后再生的情况也不同，现在我们就来了解一下吧。 上皮组织   中的细胞属于不稳定细胞 ，这种细胞因为经常进行分裂所以其再生能力很强。但上皮细胞的再生能力也受到其周围的结缔组织等因素的影响，如果结缔组织完整，就很有可能进行完全再生，较好的恢复原有的功能。当结缔组织被破坏、不能起到应有的支架作用时，机体就会进行纤维性修复。纤维性修复往往是不完全修复，也就不能恢复原本的功能。 纤维细胞   结缔组织的修复主要依靠成纤维细胞 (也称纤维母细胞 )。组织受损后，这些细胞被激活，数量增加，开始大量合成胶原蛋白等“支撑材料”，逐步填补损伤区域。随后，这些新生成的结构逐渐变 ...

作者：白書 审核：蜗牛；一毫秒的永恒 注：“火星一号”后正式更名为“天问一号”，顺利完成了火星探测“绕、着、巡”三大任务   019年10月11日，中国航天科技集团有限公司在其官方微博上发布了我国第二个火星探测器实物图，这也是计划将于明年发射的我国火星探测器的“真容”首度与公众见面。 “火星一号” | Credit: 国家航天局   据中国航天科技集团有限公司旗下中国空间技术研究院空间科学与深空探测首席科学家叶培建介绍，我国火星探测准备工作已就绪，计划将于2020 年发射，我国的火星探测器暂时命名为“火星一号”( 后正式更名为“天问一号”)。本次火星探测任务计划同时携带“环绕器”、“着陆器”和“巡视器”，在火星探测过程中实现“绕”、“落”、“巡”三步走：第一要能够对整个火星进行全球观测；第二要降落在火星；第三火星车要开出来，在火星上巡视勘测。按照计划，天问一号将于2020 年7 月搭乘长征五号运载火箭前往火星，并在中国共产党建党一百周年(2021 年 7 月) 之前着陆在火星赤道附近。   中国火星探测任务的新进展令人兴奋，但在此前，中 国曾有一次失败的火星探测任务——“萤火一号”。在此，让我们来了解一下它命运多舛的一生。   “萤火一号”探测器长、宽各约75 厘米，高60 厘米。两侧太阳帆板展开长约7.85 米，质量为110 公斤，设计寿命2 年，平均功率90W，数据传输速度为8192 bit/s。探测器上携带等离子体探测包、光学成像仪、磁通门磁强仪、掩星探测接收机等4 类有效载荷。它计划对火星进行为期一年的在轨探测，其任务包括探测火星的空间磁场、电离层和粒子分布及其变化规律；探测火星大气离子的逃逸率；探测火星地形、地貌和沙尘暴；探测火星赤道区重力场等。   “萤火一号”原计划于 2009 年 10 月和俄罗斯的“火卫一- 土壤”卫星一起搭载“天顶”2-SB 型 ...

作者：绿水青山 审核：未名   之前我们了解了特异性免疫的一些机制，这次我们就来了解一些非特异性免疫的相关知识吧。   非特异性免疫主要由机体的屏障结构、吞噬细胞等免疫细胞以及体液中的抗菌物质共同组成。这次我们就来学习一下吞噬细胞的吞噬作用和杀菌作用的机制。   首先是趋化作用，趋化作用是指吞噬细胞从低浓度趋化因子向高浓度趋化因子定向移动的现象。趋化因子包括一些补体成分、其他免疫细胞的分泌物等等。 吞噬作用 调理作用   吞噬细胞抵达病原体所处位置时，就会开始吞噬病原体。如果病原体表面已经与抗体或补体结合，就更容易被吞噬细胞所捕获，从而极大地促进吞噬细胞的吞噬作用。这种作用被称为调理作用。在成功吞噬后，吞噬细胞内形成吞噬泡，之后细胞内会有溶酶体与吞噬泡融合，杀死并溶解其中的病原体。 杀菌作用   吞噬细胞也有多种杀菌途径，大致分为氧依赖性杀菌作用和非氧依赖性杀菌作用。 氧依赖性杀菌作用   指有分子氧参与的杀菌作用，通过某些氧化酶的作用使分子氧被活化为各种活性氧。这些活性氧直接作用于微生物，或与其他机制协同消灭微生物。 非氧依赖性杀菌作用   指通过其他理化性质杀死病原体的作用，吞噬细胞活动的能量由无氧呼吸提供。吞噬体内会通过氢离子泵主动酸化，使pH 大幅降低，而酸性本就有杀菌作用，还能激活许多酶的效果，如溶菌酶对细菌的溶解作用、乳铁蛋白结合细菌繁殖所需的铁而产生的抑制作用。 杀菌作用 不完全吞噬   通常情况下吞噬过程都会顺利进行，但也会出现意外的情况，也就是不完全吞噬现象。有些时候，某些胞内寄生菌(如结核分枝杆菌)以及部分病毒在免疫力低下的宿主中，虽被吞噬细胞吞噬却未被杀死。这些病原体在吞噬细胞内得到保护，甚至繁殖，最终可能导致吞噬细胞破裂死亡，或随细胞游走、进入血液循环从而感染其他组织。

作者：丛雨 审核：毫秒   说起年/月/日的长度，可能大家首先想到的会是生活中常用的365天、30天、24小时等等。不过在天文学中，年/月/日却有很多不同的种类和长度，下面我们就来简介几种天文学里的几种不同的时间长度吧。 恒星日与太阳日   日月星辰东升西落，这是由于地球的自转产生的现象，而地球的自转周期为 23h 56m 4s ，被称为一恒星日。很明显，它并不等于我们日常生活中所使用的一天 24 小时，也就是一平太阳日。 为何两者会有所不同？因为我们的地球在自转的同时，还在绕太阳公转。大家可以想象，假如地球停止自转，那么在它绕太阳公转一圈的时间内，地球上的人们仍然会经历一次昼夜交替(只不过由于地球逆时针的公转， 太阳此时会西升东落)。由于太阳日是指一昼夜的长度，如果我们考虑到地球公转的影响，那么恒星日和太阳日必然不会相等，如下图   由图可见，当地球完成一恒星日的自转后，A 点还需再转过一个小角度才能和太阳处于同一相对位置上，从而造成平太阳日大于地球自转周期。其实，由于地球公转速度不均，太阳日的实际长度是不固定的，而这个实际的昼夜长度被称作一真太阳日。 恒星月与朔望月   月球是地球唯一的天然卫星，作为天空中一道亮丽的风景，月相的变化也和我们所使用的农历月息息相关。月相的变化，是由于月球绕地球的公转，导致地球上的人们看到的月亮相对太阳的位置不同，因此所能看到的月亮被太阳照亮的部分也不同。月相变化的周期是 29d 12h 44m 3s (29.53 天 )，称为一朔望月；而月球绕地球公转的周期，是 27d 7h 43m11.5s(27.32 天 )，称为一恒星月。   为何月相的变化周期，不等于月球的公转周期？这和刚才所说的恒星日不等于太阳日的原因是一样的，是由于地球绕日公转，或者说，是由于地球带着月球绕太阳公转。我们把环绕地球的月球放入上一问题的图中，会发现当 ...