从化学看自然科学中的理论
从化学看自然科学中的理论 作者：Dclean 审核：黍离；白書；一毫秒的永恒 人类对自然的认识首先来源于对自然现象的观察，这种观察所形成的直观认识构成了人类史上最原始的一批“知识”。而为了追求更高层次的认知，这些知识被逐渐分类化、逻辑化和系统化，这就产生了“理论”的雏形。 本篇主要讲述科学的理论观，以及在自然科学中理论的地位及其与实践的关系。 第一节 | 学科差异：研究内容与研究方法 我们时常会产生这样的疑问：物理和化学究竟有什么区别？我们也经常看到一些言论，认为化学是物理的分支学科。为思考清楚这样的问题，我们必须认清学科之间的差异到底是什么。 显然，学科之间差异的最直观之处在于它们的研究内容不同。例如人文科学研究人类社会的发展规律，显然与自然科学研究自然世界的运转规律有着本质的区别。但这并不是全部。一个学科知识体系的建立，在有了研究的目标之后，还要有与之相匹配的研究方法。应当认识到，研究内容与研究方法其实是相互选择的。为了对这种相互选择有一个明确而深刻的认识，我们以物理与化学这两门学科的分立为例来讨论这种现象： 物理与化学，作为研究非生物体系的自然科学，表观上来看，研究内容并没有太大的区别。我们在中学阶段应当读到过这样的话：“化学研究的是原子层面以上，直到超分子尺度，这个范围内的物质性质。”但这样的话显然是令人存疑的——为什么很大(宏观——宇观)和很小的尺度(原子层次之下)都是物理的研究范围，而偏偏处于中间的范围给了化学呢？ 我们尝试引入一个新概念，称为“观察单位”，其内涵为“研究一个问题时，该问题涉及的客观实在中，作为整体的最基本单位”。我们来考虑初等物理学和初等化学下一般研究的问题的“观察单位”是什么。 在微观领域下，我们研究粒子之间的相互作用，用初等物理学方法处理时，我们的观察单位无疑是一个个粒子，我们可以对粒子或粒子系统列方程，求 ...
为什么人们在吃酸柠檬的时候会皱眉？
翻译：时光、东达、JJ 校对：毫秒 审核：毫秒 太酸了！ 在开始之前请想象一个游戏：给你一个柠檬，切开，然后再面无表情地吃下去。 你能做得到吗？做不到就对了！（做得到也假装做不到吧哈哈哈）我们要探讨的问题其实就是，为啥么这个柠檬的酸味有魔力让你的面部这么“狰狞”？？？ 酸味使我皱眉。 | Credit: Shutterstock 虽然科学家们不是很确定，但是他们觉得要发生这种“狰狞”变化的答案包含了三样东西：氢离子，维生素C还有我们祖先在树上享受热带水果自助餐的经历。 我们所知道的“酸的味道”与酸性有直接联系。从专业的化学角度出发，酸味就是你的味蕾在说：“你的嘴里现在有很多氢离子在跳舞！”当然，氢离子就是酸的说法是不确切的，但有相关研究表明，我们的机体已经进化出把它们（指氢离子）的性质解释为酸味。 为了生存，人类需要摄入抗坏血酸即维生素C。维生素C是维持我们绝大多数细胞和组织正常运作的基本物质之一。假如维生素C摄入不足，人们就会患坏血病，一种潜在的致命疾病。值得一提的是早期欧洲的船员出海在外时没有食用蔬菜，正是因为缺乏蔬菜中含有的维生素C导致船上坏血病横行。 但是尴尬的事情是：大多数生物都可以自己制造所需的维生素C，而我们人类不行。2011年发表在《遗传学》(Genetica)杂志上的研究指出，大约6100万年前哺乳动物的基因中编码合成维生素C的区段发生了变异。因为当时我们已经有很容易就能获取维生素C的途径，所以这个突变并没有将哺乳动物选择淘汰掉。 “我们失去了自我合成维生素C的能力因为我们一直都在摄入它。”新泽西州罗格斯大学营养科学研究中心的教授保罗·博斯林在《生命科学》杂志说。 费城蒙尼奥化学感官中心感官生物学家的博斯林说道：“我们在日常生活中吃了不少水果，所以我们不会缺乏维生素C。” 像“酸性”、“酸味”这样的单词常被人们嫌 ...
GPS 用什么魔法让路痴不再迷路？
作者：一毫秒的永恒 上千年前，我们的祖先们为了外出不迷路而竖立了路碑，绘制了详细的地图，学会了如何通过观察夜晚的星空来定位。而现在则方便多了，一台智能手机即可满足日常导航需求，而且只要有GPS接收器，在大多数能够接收到卫星信号的地方，你都能知道自己身处何处，再也不用担心自己迷路啦！ 在接下来的时间里，笔者将会为你简单介绍GPS 的定位原理。全球定位系统虽然很庞大、很昂贵、很复杂，但是基本的概念和原理还是挺简单直观的。 Global Positioning System ，也就是全球定位系统，我们简称的‘GPS’，它可以为地球表面绝大部分地区提供准确的定位、测速和高精度的标准时间。生活中当我们谈论GPS时，一般是指 GPS接收器，而在太空中，它是由30颗以上的地球轨道卫星组成的星座，其中至少24 颗是正在运行的工作卫星。 这些卫星的轨道高度有20200km，每天能绕地球转两圈。24颗卫星分布在6个轨道平面上，即每个轨道有4颗卫星，卫星轨道面相对于地球赤道面的轨道倾角为55°，各轨道平面的升交点的赤经相差60°。这种布局可以保证在全球任何地点、任何时刻至少可以观测到 4 颗卫星。 一个随着地球自转的GPS卫星星座例子。在此例子中，可接收到的卫星数量是以北纬45°为基准，而可接收的卫星数量会随着时间而变动 | Credit:Knowpia GPS 接收器的工作则是利用4 颗或更多颗卫星，计算出每颗卫星的距离，并利用这些信息推断出自己的位置。这种操作是基于所谓的三边测量的数学原理。在三维空间可能是有点棘手，所以我们先从简单的二维三边测量开始。 咱们举个例子：想象一下，某天的一个早晨，你在一个陌生的地方醒来，漫无目的地走在大街上，幸运的是你手上有一张中国地图。这时你想问一下路人你到底身处何处，但是很不幸他们都是刚好经过这里，只能告诉你这里离他们出发的 ...
硼、沙子、切尔诺贝利
作者：一毫秒的永恒 迷你剧“切尔诺贝利”截图，图片显示的是直升机向堆芯倾倒沙子和硼的画面 | Credit: HBO 最近,笔者无意间了解到 HBO 的高分剧《切尔诺贝利》。本着求知的原则，便找来看了一下。看完后，不得不说这部剧从剧情编排、摄影到音效，都展现出近乎教科书级的制作水准。即使观众早已知道事故的历史结局，剧集营造出的压抑与悲凉氛围依然极具冲击力，在很大程度上还原了1986年切尔诺贝利核事故的历史现场，非常推荐感兴趣的读者观看。 回到正题，1986年的切尔诺贝利核事故相信大家有所了解，这是人类历史上最严重的核灾难。据测算，此次事故释放出的放射性物质总量是二战广岛原子弹的400倍以上。联合国相关机构在2005年发布的报告中预计，最终可能有4000人死于核辐射；而国际绿色和平组织(Greenpeace International)在2006年的估算则更为惊人：乌克兰、俄罗斯和白俄罗斯三国的潜在死亡人数可能高达9.3万人，且这些国家中约有27万人因辐射诱发了癌症。 在剧集第二集中，科学家列加索夫提出向反应堆中倾倒硼与沙子，理由是：硼可以吸收中子，减慢链式反应的速度；而沙子则可以通过隔绝空气灭火。那么，为什么科学家们的第一反应是使用沙子和硼？如果类似的核灾难发生在现在，他们还会这样做吗？ 图片显示了这次爆炸产生了多大的影响，4号反应堆(图片中心)和汽轮机房(图片左下角)受到了非常严重的破坏 | Credit: wikizero 这张照片是1986年5月3日从一架直升机上拍摄的堆芯鸟瞰图，照片上是被摧毁的4号反应堆。烟雾是由石墨燃烧和堆芯熔化而产生的 | Credit: wikizero 如果正在燃烧的堆芯暴露在外将会产生什么影响？核反应堆工程师、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校教授凯瑟琳·赫夫(Kathryn Huff) 表示燃烧的堆芯暴露 ...
推广华生育人法？非坏即傻！
作者：张贤 约翰·华生影像 提到“孩子摔倒不用扶”，很多人会联想到美国心理学家约翰·华生。他创立的“婴儿哭声免疫法”曾风靡一时，核心逻辑非常简单：孩子哭时不抱，不哭才抱。随着延迟的时间越来越久，最终孩子就会不哭不闹，成为独立自强的“完美儿童”。 这套理论至今仍有不少信奉者，但在现代心理学角度看来完全是建立在对人类本性的误解之上。 研究表明，当婴儿哭泣被反复无视时，婴儿的大脑会释放高浓度的皮质醇( 压力荷尔蒙)，这种长期的心理高压可能会损伤发育中的海马体。孩子最终停止哭闹，并不是因为学会了独立自强，而是大脑在未接收到正面回应后进入了一种消极的应对模式，可能形成不安全依恋或回避型应对模式。这种早期情感的断裂，被认为与成年后抑郁症和社交障碍的风险增加有关。 心理学历史上著名的恒河猴实验证明幼年灵长类更倾向于依附提供接触安慰(拥抱、抚摸等)的对象，而不仅仅是食物来源。只有在生命早期建立了稳固“依恋关系”的孩子才有底气去探索外部世界，而华生的做法本质上是摧毁了孩子探索世界的避风港。 华生育人法常被各类非坏即傻的营销号贴上“先进西方教育”的标签，使部分家长成为该理论的忠实信众。事实上，这套方法早就被证明是错误的了，现代西方主流教育界(如美国儿科学会)均明确反对华生育人法。 华生理论的流行， 更多是由于工业时代追求 “育儿效率”的功利心态。笔者在此呼吁大家：孩子摔倒时给予及时的安抚与支持，远比刻意锻炼独立更有利于其健康发展！ 约翰·华生简介 约翰·布罗德斯·华生 (John Broadus Watson，1878 年 1 月 9日 - 1958 年 9 月 25 日 )，美国心理学家，行为主义心理学的创始人，1915年当选为美国心理学会主席。他的主要研究领域包括行为主义心理学理论和实践、情绪条件作用和动物心理学。他认为心理学研究的对象不是意识而是行为，主张 ...
千载难逢的观测良机——2029年将与地球「擦肩而过」的小行星阿波菲斯
作者：一毫秒的永恒 近地小行星阿波菲斯(图中黄色的轨道)将于2029年经过地球，它与地球的距离比一些人造卫星(图中蓝色的点)还要近（紫色的线代表国际空间站的轨道） | credit: NASA/JPL-Caltech 029年4月13日， 天空中的一点微光将越来越亮、 越来越快。在某一时刻，它将在一分钟内移动超过满月的长度，并将变得像北斗七星一样明亮。 但它可不是一颗卫星或一架飞机——它是一颗直径约 340 米、名为阿波菲斯 (99942) 的近地小行星，它将在距离地球表面约31000km的地方与地球“擦肩而过”，这距离甚至比一些人造卫星还要近 ，要知道地球同步卫星距赤道的高度约为36000km。这可能看起来很可怕，但天文学家们经过对它的轨道十几年的跟踪和计算，得出这颗小行星不会撞击地球。相反，这是一个千载难逢的机会，可以让科学家们真正了解地球附近的小行星。 小行星阿波菲斯于2004年6月19日被发现 | credit: UH/IA 小行星阿波菲斯是2004 年6 月19 日由NASA 赞助的夏威夷大学在亚利桑那州基特峰国立天文台小行星研究的罗伊·塔克(Roy Tucker)，大卫·J·苏伦(David J. Tholen) 和法伯瑞兹欧·伯纳德(Fabrizio Bernardi) 发现的。这个小组追踪了2004 MN4( 即阿波菲斯) 两个晚上。NASA 最初曾估计这颗小行星撞击地球机率高达1.6%，导致其杜林危险指数上升至四级。甚至在当月27 日撞击地球机率一路上升至2.7%( 基于176 个观测结果)。不过随着对这颗小行星轨道越来越多的追踪观测和计算，阿波菲斯杜林危险指数于2006 年8 月5 日由一级回落至零级。在目前为止科学家可以确定这颗小行星不会撞击地球或月球。 当然，科学家们还有数年的时间来做准备，当这颗小行星来临之前，他们可以列出 ...
月之背面～都有啥？
作者：一毫秒的永恒 几十年前，天文学家只能在梦中瞥见月球的另一端（图为NASA的示意图） | credit: NASA's Scientific Visualization Studio 头望明月，月亮一如既往的熟悉，和从前并没有什么不同。没错，你欣赏的月亮和我们的祖先欣赏的月亮没有什么差别，日落之后，你可以和全世界欣赏同一个月亮，而且是同样熟悉的阴影和形状。如此看来，古代诗人借月亮表达思乡思亲之情再合适不过了。 从古至今，人类在地球上只能看到月球的“正面”。直到1959 年苏联的“月球 3 号”飞船绕月飞行并发回照片，人类才第一次能够看到月球的“背面”。 1959年，苏联的月球3号探测器拍摄到了月球背面的第一张照片 | credit: NASA's Scientific Visualization Studio 造成这种现象的原因是“ 潮汐锁定”。由于月球与地球距离较近，地球对月球不同部位的引力并不相同，从而产生明显的潮汐效应，其强度随距离减小而迅速增强。潮汐效应会在月球上形成潮汐隆起，并在地球引力作用下产生转动力矩，使月球的自转逐渐减慢，最终使其自转周期与绕地球公转周期相同(约27.3天)。因此，在排除天平动的影响后，月球始终以同一面朝向地球。需要注意的是，这种现象并非因为月球不自转，而恰恰是由于其自转周期与公转周期一致所致。 潮汐锁定的结果是造成卫星绕轴自转的周期和绕着行星公转的周期有着大约相同的时间。排除天秤动的影响，月球会像左图一样，始终用同一面朝向地球（从月球自转轴的上方鸟瞰，并且未依比例绘制）。如果月球没有自转，在它环绕地球公转时会和右图一样，它的正面和背面会交替地朝向地球 如果自转的频率大于轨道（公转）频率，抵制的小扭矩将会浮现，最终达成频率锁定（绿色描述的情况） 月球朝向地球的一侧我们已经进行过很多研究了。我们可以看到它， ...
人类首次探测到了火星震
作者：一毫秒的永恒 019 年 4 月 24 日凌晨，西藏林芝市墨脱县发生了 6.3 级地震，周边普遍都有震感，不过幸运的是震中50公里范围内人口极其稀少，无人员伤亡的情况报告。 除了地球上有地震外，太阳系的其他星球上会不会“震”呢？答案当然是有啦！比如我们地球的卫星： 月球。1969 年，美国科学家乘阿波罗号飞船首次踏上了月球，在月球上架设了5台月震仪，能连续向地球发回月震的记录资料，从此人类开始了月震观测与研究。而在 2019 年，我们的邻居—— 火星，也发现了火星震的痕迹。 SEIS探测到的火星震信号 由“洞察号”着陆器携带的“内部结构地震实验仪 ”(SEIS)探测和记录到了神秘的火星震。这部由法国国家太空研究中心(CNES) 研制的地震仪灵敏度极高，足以“感知”尺度为氢原子半径的火星表面运动，记录火星震、火星风或陨石冲击引发的震波。 2019 年 4 月 6 日，在“洞察号”登陆火星的第 128 个火星日，“内部结构地震实验仪”可能首次捕捉到了火星震信号。这是“洞察号”第一次“听到”源于这颗红色星球内部的震动，但因为震动十分微弱，所以当时科学家无法确认，直到 2019 年4 月 23 日，法国国家太空研究中心举办了一场新闻发布会，正式宣布“洞察号”在火星上检测到了一次微弱的火星地震，另外还有三次疑似“火星震”的结果。 法国巴黎地球物理研究所“内部结构地震实验仪”(SEIS)的首席研究员菲利普·洛尼奥内在法国国家太空研究中心发表的声明中说：“我们等了好几个月才等到了这个火星震，终于有证据表明火星仍然处于地震活跃状态，这太令人兴奋了。” 科学家们认为火星地震不会像地球上的地震那样频繁，因为火星上没有地壳构造板块，而地壳构造板块之间的相互作用会引发地球上的许多地震。但火星内部持续的冷却和收缩过程会产生压力，当这种压力积累到足够大时或者有陨石撞 ...
黑洞这么有趣，为什么名字这么无趣？
作者：一毫秒的永恒 诗一样的名字 在这个艺术概念图中，一个超大质量黑洞被一个旋转的物质盘所包围。黑洞上方略带紫色的光球是电晕的一个特征，它含有可以产生X射线的高能粒子。 Credit: NASA/JPL-CalTech 019 年 4 月 10 日，距地球 5500 万光年的黑洞M87*的照片首次被公布。除此之外，它还得到了一个比其他黑洞有趣得多的名字。这个黑洞应该是黑洞史上头一个幸运儿，它的新名字叫“Pōwehi ”，这是夏威夷的土著语言，意为“ 无限美丽和创造的黑暗之源 ”，取名者是美国夏威夷大学希洛分校的夏威夷语专家拉里 • 木村 (Larry Kimura)教授。 夏威夷大学拉里•木村教授 来源：英国《每日邮报》 作为给黑洞命名的人，木村在一份声明中说：“作为夏威夷人，我们能够像圣歌‘ Kumulipo ’中所唱的那样，连接到很久以前的身份，并为我们今天的生活带来这一宝贵的遗产，这真是太棒了。”他补充说：“能够有幸在首次获得黑洞事件视界尺度影像后就给它取一个夏威夷名字，这对我和我的夏威夷血统来说都是非常有意义的。我希望我们能够继续根据‘Kumulipo’圣歌命名未来的黑洞。” “Pōwehi” 一词取自 18 世纪描写夏威夷宇宙创生历程的一首颂歌“Kumulipo”，其中“pō”和“wehi”描述了古代圣歌中关于创造夏威夷宇宙的相关概念。EHT 项目共使用了分布在世界各地的八座毫米波射电望远镜，其中有两座位于夏威夷毛纳基休眠火山上。而M87星系中心黑洞的发现，利用了位于夏威夷毛纳基山的8.1米口径的弗雷德里克C吉列双子座望远镜。因此，木村便以夏威夷语给该黑洞起了这个名字。 “无限美丽和创造的黑暗之源”肯定比这个黑洞(或者其他黑洞)本来的名字更能引起人们的联想。专家告诉《生命科学》(Live Science)，本次展示的黑洞位于梅西耶87 ( ...
拯救
拯救 作者：观复·钧天 所谓拯救，是指人们基于对自身物质或精神状况的不满，进而追求更高层次的物质或精神的一种活动。拯救的起点是自救的意识，在拯救的过程中，外界力量“他救”扮演着促进和阻碍的角色；拯救的结果是得救，得救的最高境界是觉悟：发现本来如此、自由意志如此、自然环境如此、历史进程如此。 从有限的时间和空间来看，拯救是一个必不可少而且贯穿于人类始终的活动。人类之于世界，是以有限面对无限：人类以有限的时空面对无限的时空，有限的感知面对无限的浩瀚，有限的知识体系去面对无限的知识体系。庄子《逍遥游》中说“小知不及大知，小年不知大年”，所以小无法理解大，而大却能包容并理解小。人类就是一个不断地从小走入大的存在，一步步接近真相和真理。人的自我拯救意识是一种“理性的宿命论”，人类在面对命运时的失败是因为“有限知识和无限知识的矛盾”。可以理解为，所有的拯救都是不断迈向无限、不断去除妄想、接近真相真理的过程。 然而人类又是宇宙中万物之灵长，在迈向无限的时候，有一种动人的风致。不是雄赳赳气昂昂，因为未来不能尽知；也不是忧伤而颓丧，因为人总是有一种向上的精神动力；这种状态更像一种了解自己正迈向未知无限的忧伤与兴奋，然后又知道这一切都可能也都不一定，成功与否是不知道的，于是就自然地走去、向无限走去。 欲外，还有有别于动物的精神需求。这些精神需求虽然从层次上来说有高低之分，但是最起码的精神需求在一定程度上具有共性，只不过满足的需求的方式多样而已。有人说精神需求是一种社会心理需求，严格地说，这并不准确。精神需求的确有社会的成分，有一种历时性成分在其中。除此之外，它还有一定的个人主观色彩，比如对艺术的需求。有人对音乐感兴趣、有人对绘画感兴趣、也有人对雕塑感兴趣。但是，这些都埋没不了一个事实，那就是人类的这些最基本的精神需求是具有普遍性的。从人类开始到现在一直存在， 无论哪个人都具 ...
