哪些新事物的出現,引發了看似毫無關聯的領域的變革?
最近在讀《我們如何走到今天》的書稿,在此之前,我從來沒想到氯消毒技術的誕生和比基尼的出現有著千絲萬縷的聯繫。
一個新事物的誕生影響了毫不相干的領域的發展,這樣的故事大家還能組合出來其他版本嗎?歡迎來寫下你的思考ヽ(??▽?)ノ
謝 @知乎電子書邀。我就講一段科學家在地球密度測量工作中,無意間大大推動了地圖測繪學發展的歷史吧。(本答案涉及多張大圖,在電腦上瀏覽效果更好,手機版可直接點擊圖像放大觀看。)
1774年,一支英國科考組出現在蘇格蘭的野外。
這支科考隊受到英國皇家學院的重託,領頭的是英國皇家天文學家馬斯基林和數學家赫頓,隨行還有大批的測繪人員,他們有一個狂拽酷炫的任務:
——測量地球的密度。
原理簡單到不行,你懂高中物理就能會,請看圖:
原理就是:一個大山旁邊的鉛垂線,會因為大山的萬有引力往山那邊偏一點點。這時候,測量一下垂線往大山那邊偏離了多少,就知道吸引力有多大。接下來,我們只需要知道大山和鉛球有多重,就能進而推算地球的密度和質量。是不是超簡單?
然而這個實驗最難的是——我們上哪知道山有多少質量啊???怎麼稱啊???
馬斯基林只能假設,山的密度就跟花崗岩差不多,是水的2.5倍。那麼要知道山的質量,只要用這個密度乘以山的體積就可以了呢!
然後問題又來了:
——那山的體積怎麼量啊!!!
皇家學院的科學家們討論了一下,覺得:首先你得找一個形狀比較好量的山。
於是,皇家學院會員、測繪專家梅森先生公款旅遊,遍尋英倫,最後跑到了蘇格蘭山地,找到了一座外形非常圓錐,非常規整的大山:榭赫倫山。
你看這座山,簡直是個圓錐體,非常方便測量體積。而且這座山旁邊很空曠,沒有別的山體,也就意味著鉛垂線不會受到其他山的引力吸引。現在這座山已經成了蘇格蘭旅行聖地,夏天度假的時候好多遊客來爬,舒展身心。而如今的幾乎每一本旅遊手冊,在介紹到這座山的時候,總會提上一筆這座山在科學史上的地位。於是,1774年,馬斯基林和赫頓就立刻帶著測量隊趕到,這次實驗也因榭赫倫山得名,就叫做榭赫倫實驗(Schiehallion experiment)。
馬斯基林先要測量的是鉛垂線到底偏離了多少,這就涉及鉛垂線的定位和偏離角度的測量。
那個時候科學家沒有GPS,要定位只能看星星。為了定位鉛垂線的具體位置,馬斯基林要分別在南北坡對上百顆星星進行三百次以上的觀測。觀測中星星的位置還會出現各種變化,什麼進動啊、光行差啊、章動啊都會影響觀測。他們連地球表面的彎曲都得考慮進去,更不必提英國多霧多雨的天氣也會造成不少困擾。
測量大山體積的時候,工作組的測量工作也非常枯燥而無聊,他們得先拿經緯儀、象限儀、天頂儀這些確定山上每個點都落在地圖上什麼位置上,再用氣壓計測量當地的海拔。
在漫長的測量工作里,測量員們圍著這座大山像定製正裝的裁縫那樣圍著顧客進行了大量的測量,一共弄出來幾百組數據。每組數據都包括橫坐標縱坐標和海拔高度,赫頓把這些坐標密密麻麻標在一張紙上,看上去就是一堆密密麻麻的黑點,每個點旁邊寫著個海拔。
亂得要死,反正誰也不知道這是什麼鬼。
然而,赫頓發現:只需要把海拔高度相等的點連接在一起,這座山的整體形狀不就超級清晰了嘛!
沒錯,他發明了等高線。
經過現代高中地理課本熏陶的文科生們,很容易就可以根據這張等高線圖看出來這座山大體的形態。
當然,赫頓的原地圖已經遺失,這裡的插圖是一位英國藝術家Karen Rann根據赫頓原始數據的重置版本,非常清晰。Karen Rann更進一步,根據這些等高線圖,用模型將榭赫倫山重現了出來:
為了計算整體的體積,赫頓得把上面這個模型中每一層的數據都拿出來計算一次,每一層都得單獨計算體積、質量、重心。最後赫頓經過了兩年的計算才終於算完,在1778年提交了最終報告,論文長達100頁,最終向世界揭示了地球的密度。
結論是:假設山體是花崗岩的密度,是水的2.5倍,測量後,地球的密度為水的4.5倍。由於地球的平均密度高於地殼岩石的密度,他正確地推斷出地球內部有更重的東西。我們今天對地球密度的測量值是水的5.515倍,這次測量的誤差控制在了20%以內。
靠著這次測量,人類再一次驗證了牛頓定律,得知了地球的密度、地球的質量,然後就可以推斷出太陽系裡所有星體的質量,一瞬間整個太陽系的質量都被我們知道了。
靠著這個實驗,發起人馬斯基林獲得了英國皇家學院頒發的柯普利獎章,這個獎章地位非常高,大約相當於當時的諾貝爾獎。
這個實驗結果對人類的影響大么?
其實並不大。
因為它的誤差畢竟接近了20%,也就是20年後,同為皇家學院的後輩卡文迪許,就通過卡文迪許扭秤實驗更精確地測量了地球的密度。馬斯基林的比值是4.500,卡文迪許測出的比值是5.448,現代值是5.515,卡文迪許的精度誤差只有1.2%,完爆前輩。而且卡文迪許是個天才宅男,不愛出遠門,只是在家弄了四個大鉛球就完成了這個實驗,根本不用出去爬什麼大山。馬斯基林和赫頓的數據很快就被淘汰。
圖為卡文迪許扭秤實驗示意圖但是,馬斯基林和赫頓一定不會想到的是,他們在榭赫倫實驗中發明的等高線,讓他們成為了地圖測繪學的先驅。
其實,在赫頓之前,也有學者有過類似等高線的運用,在該世紀初,測量英吉利海峽深度時,就出現了粗糙模糊的等深線。後來荷蘭測繪師也採用過類似的方法簡單地描繪過地形。而人類首次採用大量詳實的數據通過高精度地形測繪和數據搜集來繪製真正意義的等高線,就是從赫頓開始。從赫頓之後,等高線的引入,成為了地圖測繪的基本工具。
此前,如果地圖編撰者要繪製地形圖,他們只能大概畫成這個樣子(赫頓同時代的美國波士頓地圖,已經有了些地形繪製的概念,地勢的提升使用陰影表示;水中的淺色線條不是等深線,是水下的沙洲):
而這一切的開始,是皇家天文學家馬斯基林從皇家學院接下了一個任務:他要啟程前往蘇格蘭山地,去測量地球的密度。
the end謝邀。
「一個新事物的誕生影響了毫不相干的領域的發展」看起來很美好,可真相其實是:我們無法預言到底新生的事物到底會在什麼領域產生真正的影響,尤其是對早期參與新事物發明發現的人來說。還有更有意思的例子:愛迪生曾經以為留聲機「正確的打開方式」是錄下聲音,然後通過郵局將聲音寄給朋友,從而實現通信;而貝爾發明電話時,他曾經以為這會改變我們聽音樂會的方式。事實上,兩個人恰好搞反了他們發明的重要意義。一件新生事物的接受,不但要看發明人的努力奮鬥,也受到歷史行程的影響。
一個有趣的例子是關於電的。在發現生物電的初期,許多科學家,例如義大利科學家伽伐尼(Luigi Aloisio Galvani)在實驗中很偶然地用一根帶電荷的金屬解剖刀接觸了死去的青蛙的坐骨神經,這時,神奇的事情發生了,他觀察到青蛙彷彿沒有死,仍然像活著一樣踢了一下。從這個實驗中,伽伐尼成為第一個認識到電與生物的運動之間聯繫的人,此後有越來越多人、在越來越多的動物(或者動物的屍體)上開始重複他的這一發現,一時成為風尚。當時的人們開始覺得,「電」可能成為聯繫生死的一種橋樑。同時期的瑪麗·雪萊(Mary Shelley)受到伽伐尼實驗的啟發,寫下了《弗蘭肯斯坦》,仔細查看《弗蘭肯斯坦》的故事設定,就可以感受到它與伽伐尼實驗的聯繫:弗蘭肯斯坦是一個科學怪人,他將許多不同人體的器官和組織拼界在一起,組成一個人體,並利用雷電使這個人體擁有了生命。瑪麗·雪萊及其同一時期的人們都相信或許我們距離「死而復生」或者讓癱瘓者的四肢恢復運動等已經近在咫尺——然而現在我們知道,這些看似很有前途的嘗試都失敗了。而在這些失敗之外,有的嘗試卻最終成功了:瑪麗·雪萊吸取最新的科研成果,將其創作為小說,這反而是一個有趣的創新。我們現在把《弗蘭肯斯坦》看成是科幻小說的起源。更有趣的例子其實是能量守恆定律的發現。永動機的設計者們沒有人發現能量守恆定律,反而發明了很多有用的機械,這也算是「影響了毫不相干的領域的發展」。而能量守恆定律的提出完全是由於許多不同領域的科學家獨立的一些發現,最終建立起來的。在能量守恆定律建立的過程中,一位醫生和一位啤酒廠的老闆起到了重要的作用:邁爾(Julius Robert Mayer)是一位德國醫生,他在 1840 年前後開始思考與能量守恆的有關問題,並最終取得了出色的結果。邁爾曾經是一位隨船醫生,他開始思考能量守恆的有關問題是在去爪哇的航行中。在當時,「放血療法」依然是中世紀以來的重要的臨床手段,醫生邁爾的重要工作之一就是對船員們進行放血。在歷史上,醫生、僧侶和理髮師都曾經從事過放血的工作,但這樣的工作對於外行人來說依然非常危險。最可能出現的問題就是錯切了動脈血管,因為心臟正在源源不斷地將血液泵向動脈,一旦切到動脈,這可能導致失血過多,嚴重的還可能導致死亡。邁爾是一位醫生,所以他很顯然知道這個道理,也正因為如此,當他在熱帶給水手放血時,他狠狠地嚇了一跳——他看到流出了鮮紅的血液,這看起來很想說含氧量較高的動脈血,難道是切到了動脈?隨後他發現自己沒有弄錯,這的確就是靜脈血。他隨後開始認真思考起這個問題來,因為邁爾了解過拉瓦錫的燃燒理論,知道物質在氧氣中燃燒的放熱與飲食中所獲取的能量相等,因此他找到了一個解釋:之所以當船航行到熱帶時水手們的血液比較紅,是因為在熱帶時,人體的體溫維持變得非常不再困難,因此水手們不需要消耗那麼多的氧。想到這一點,還只是科學發現道路上的第一環。接下來,邁爾表現出了更大的智慧。邁爾首先看到的是熱和(生命的)運動的等價。他認為馬拉車時車與地面摩擦產生的熱量,以及車輪旋轉時車軸因摩擦產生的熱量,都是由馬的運動及其作功產生的,於是提出了能量守恆定律最早的雛形。
焦耳(James Joule)在大學畢業之後繼承了家裡的啤酒廠,他在啤酒的釀造和啤酒廠的經營方面都曾經非常活躍。焦耳的思考也是從這開始的。作為一個家裡有啤酒廠的男人,焦耳考慮的是用新發明的電動機來替換他家裡啤酒廠的蒸汽機。他觀察到了電動機和各種電路中的發熱現象,他想到這和蒸汽機運轉中的摩擦現象一樣。而談到這種「替換」的問題,作為科學家,當然不會在意各種成本,而如果脫離了成本談所謂「效率」顯然在經營上陷入失敗。焦耳在思考類似的問題時顯然避免了這種錯誤,因為他還有經濟學的視角——到底是利用怎樣的能源可以幫助節省開支?在思考這樣的問題時,他開始選用了統一的標準來對各種不同的能源進行比較。焦耳發現蒸汽機中燃燒一磅煤跟一種早期的原電池中消耗一磅的鋅放出的熱量是完全不同的,前者可以放出後者五倍的熱——從這個意義上來看,蒸汽機似乎要比電動機更經濟。為了更準確地度量這種「經濟」,就不能僅僅只對「放熱」進行簡單的估計,而是應該對不同類型的能源在某種統一的「經濟責任」(economical duty)下進行比較。這種責任(duty)就像他在經營啤酒廠時,根據收入按照統一的標準所繳納的稅務一樣。這些機器的的職責就是去「運轉」,焦耳把這種「經濟責任」定義為將 1 磅的重量舉高 1 英尺的能力,我們現在很明顯能看出來,這就是在重力場做功的一個具體的實例,這也是我們今天用「焦耳」作為「功」的單位的原因。更有意思的是,之所以焦耳可以建立起能量守恆定律的定量關係,還因為他在釀酒技術方面的成熟,好的釀酒師總能有辦法讓反應器的溫度控制在非常精確的範圍內,焦耳在他的年代宣稱自己可以把溫度測量的誤差精確到難以置信的程度(3 mK),而如果要驗證像摩擦生熱這樣的過程中的能量守恆,對溫度的精確測量是必不可少的。隨著他不斷提高實驗的精度,他最終測得「熱」和「功」之間的轉換係數對水而言是,772.692 英尺·磅(力)/英制熱單位,這個值換算為國際單位制與卡路里之間的換算關係,即為 4.159 J/cal,這個數值實在是令人驚嘆的精確。
除此以外,還可以舉出很多很多例子,例如:
- 鍊金術——定量實驗的方法——化學、醫藥、礦物學……
- 百科全書——法國大革命
- 核武器——冷戰——博弈論——現代的經濟學
- 檢測天線的噪音性能,消除通信干擾信號——宇宙微波背景輻射——暴脹宇宙
- 印刷術——書籍傳播——近視等問題被發現——鏡片工藝——顯微鏡和望遠鏡
- 收音機——爵士樂的流行——非洲裔音樂家地位的提高——民權運動
- 超聲波——中國新生嬰兒的性別比例
強答一個有那麼一點關聯的...
ATCA(Australia Telescope Compact Array)是澳大利亞的一個射電望遠鏡陣列,由澳大利亞國家科研機構聯邦科學與工業研究組織(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation,CSIRO)運行。顯而易見,這個探測計劃最終失敗了,不然這又是另一個大新聞了。不過,考慮到黑洞「爆炸」的信號的波段覆蓋面,他們為ATCA設計了一塊能夠進行信號的快速傅立葉變換(Fast Fourier Transform)的晶元裝在望遠鏡上,以快速接收和處理數據。項目停止之後,他們轉念一想,當時FFT在通信領域還沒有大行其道,而這塊晶元可能會有很大用處。
於是他們就將這項技術應用到通信領域,解決了無線通信中的"the multipath problem",也就是單頻道收信時,信號受到牆壁等反射形成的回聲對原信號的干擾問題,而且思路也很粗暴——把數據拆開用多個窄頻分別發送。1992年和1996年,CSIRO獲得了這項技術的專利,而這項技術本身則很快佔領了全世界,它是WLAN通信,也就是少了它渾身難受的Wi-Fi的核心技術。
相關參考:維基百科http://blog.patentology.com.au/2012/04/story-behind-csiros-wi-fi-patent.html謝邀, 前面大家都回答已經非常有趣。
這本書現現在還在預售階段,可能大家都還沒有讀過。我手上正好有一本邀請我試讀樣書,這裡補充一點書的信息。
這本書寫了六個改變世界的發明:玻璃,寒冷,清潔,聲音,時間,光。有的發明比如「玻璃」確實是一種傳統意義上的發明。但有的事物,比如「寒冷」,「時間」。實際上描寫的滿足人類某一特定需求的一系列發明的故事。
比如說「寒冷」。作者講「冷」這個東西實際上在19世紀之前是沒有變成一種商品的,雖然北方很多人家裡會窖藏冰塊,到夏天還不會融化,用來製作冷飲,但沒有人想要把它作為商品出售。
這直到美國新英格蘭地區除了一位叫圖德的商人,這個人年輕的時候發生了一件悲劇。他的哥哥身有殘疾,於是兄弟兩個想要到加勒比海度假療養。結果走到半路發現天太熱了,到加勒比海非得熱死不可。於是兩兄弟趕快往回家走,可是他哥哥身體弱,還是在半路上沒挺住,熱死了。
圖德一直記著這件事情,於是一輩子都想著要把「冷」這種東西拿到炎熱的地方去銷售。冰的獲取在北方很容易,就是冬天從從湖裡挖出來就好了,幾乎沒有成本,就是人力費。冰的運送需要一些成本。保存稍微有些麻煩,但是空氣是熱的不良導體,只要把冰放在沒有陽光照射的地方就可以讓它融化的非常緩慢。圖德覺得這個裡面有商機,因為熱帶的人應該都想要在夏天要冰塊來冷卻食物和屋子。在北方這種事情已經可以做到了,過去大家沒有想要在熱帶干這件事情的原因主要是因為熱帶冬天不結冰。但圖德想反正只要保存得當,把冰從北方運送過去不就可以了?於是圖德就拉了一船冰去加勒比海的一個島上賣,然後每人買,他的生意就崩潰了。為什麼呢?因為當他把冰塊運送到加勒比海的島上的時候,當地人反應並不熱烈,冰對他們雖然稀奇,但並不必要。就好像非洲部落里的人從來沒穿過鞋,你把鞋拿過去賣,這東西雖然好,但是當地人的需求不會馬上顯現出來的。
圖德不得不一直虧損,但有趣的是他並沒有放棄,反而進一步投入,使得冰的生產銷售鏈條成型,尤其重要的是他在出售地建立了倉庫,這使得他可以從容的在當地營銷冰塊,而不會受到天氣對貨物的影響。
在這個過程中,南方的人開始意識到冰的重要性。越來越多的人會在飲料里加冰塊。人們開始在工作的地方放置冰來降溫。銷售冰塊成了一門日常生意,每天早上工人們從倉庫里取出冰塊,分送到城裡各處。
更有意思的是,冰塊改變了農產品的商業版圖。過去畜牧業是非常地域化的一個產業,如果要把新鮮的肉送到遠方,一般採用的方法是送的牲畜,到當地去屠宰。牲畜在旅途中的照顧非常麻煩,還可能會得病。所以一般牲畜很難賣的很遠。但冰塊改變了這一切,現在人們不需要運送活的牲畜去另一個地方,只需要將宰殺分割好的肉質品凍在冷凍車內,就可以運送到遙遠的地方。這使得畜牧發達的地區可以提高產量,因為它們的銷售地域大大的擴張了。冷凍火車應運而生,人們可以在火車到站的時候添加冰塊,就可以讓肉製品一直運送到遠方。緊接著的是冷凍輪船,農業產品因此可以送到全世界。1906年,美國適逢暖冬,紐約時報的頭條標題是《冰塊漲價到40美分,冰荒迫在眉睫》。圖德販賣了一塊冰,全世界的人都在自發的思考冰有什麼用。
采冰季節https://i2.wp.com/upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9e/Ice_Harvesting%2C_Massachusetts%2C_early_1850s.jpg
圖德在當年被稱作冰塊大王。但這本書並不認為圖德的聰明大腦和商業能力是「寒冷」在熱帶風行的原因。作者認為這實際上是科技臨界點的一個小小範例,是不同的技術和社會條件在成熟以後必然出現的突破。科技的發展並不像是聰明人的接力賽,而像是一棵棵糾纏的蔓藤,蔓藤有時獨自生長,有時相互交錯,在某個臨界的節點,幾株不同的蔓藤會突然結合,開出絢爛的花朵。一個例證是製冰機的發明,當冰塊成為了重要的生意後,不同的發明家因為不同的理由製作自己的製冰機器。這個新的發明並不是在一次,而是多次被反覆的發明,創造。
其他的主題的風格也是試圖帶著讀者去沿著這些錯綜複雜的蔓藤觀察現代世界的構成方式,總之閱讀這本書是非常有趣的,在此安利一下。GIS(地理信息科學)有一個重要的分支內容:空間分析(spatial analysis)。所謂空間分析,就是對不同事物或數據之間在地理空間、幾何和拓撲學上的關係的研究,有時候也叫空間統計學。空間分析最早的發展是和早期的流行病學密不可分的。有人認為是空間分析催生了流行病學,也有人認為是流行病學催生了空間分析。
具體的說,目前比較公認的真正意義上的空間分析,是誕生於1854年英國倫敦的一場霍亂。1854年8月到9月,倫敦Westminster的Soho地區發生了一場嚴重的霍亂,Soho的居民三天之內就死去了一百多人,一周後已經有五百多人死亡,剩下的居民紛紛逃離。霍亂之後,焦頭爛額的倫敦市準備採取措施,防止這樣嚴重的疫情重演。因此,找到病源就成了首要任務。
經過研究,當時倫敦的主流醫學專家們認為,這場霍亂是由所謂的『壞空氣』(bad air,也叫miasma theory即瘴氣)帶到這條街道並傳播開的。然而,有位叫做約翰·斯諾(John Snow)的醫生不同意這種理論。實際上,他也沒有什麼把握,只是憑直覺認為這場霍亂另有來歷——水源。
當時人們對霍亂的病理還不完全清楚,斯諾也無法直接從醫學上來尋找證據。於是斯諾劍走偏鋒,找來了一張帶有水井位置的Soho街區的詳細地圖,把每一個感染霍亂的人的家都一一標註在地圖上。完成後,僅憑肉眼觀察,他就更加堅定了自己的想法。為了進一步佐證自己,並找到具體的問題水源,他做了一件在之後看來很有意義的事情:根據水井的位置,畫出了每個水井對應的希森多邊形(Thiessen polygons,也有書翻成了泰森多邊形)。
什麼是希森多邊形?
(圖片來自ArcGIS官網)比如,左圖中的每一個點就代表一個水井,右圖就是根據這些水井做出的希森多邊形,每個水井對應一個多邊形。在每個多邊形里的任意一點,距離該多邊形內的水井的距離,比距離任意其它水井的距離近。需要說明的是,斯諾的時代,希森多邊形還沒有名字,在20世紀初,這種方法被美國氣象學家阿爾弗萊德·希森廣泛運用之後才得名『希森多邊形』的。這種方法在歐洲被烏克蘭科學家格奧爾吉·沃羅諾伊完善,因此它也叫沃羅諾伊圖像法(Voronoi diagram)。根據希森多邊形,斯諾有了重要發現:該區域內有條Broad街(現在的Carnaby街),街上的那口水井對應的多邊形,包含了數量最多的病例。這說明什麼問題呢?由希森多邊形的性質我們可以得知,如果你住在某個多邊形之內,你去該多邊形對應的水井取水,路途是最近的。如果Broad街的水井的多邊形內發生的病例最多,那麼這場霍亂的病源很可能就是這口水井。
於是,斯諾跟著這條線索繼續追了下去,最後發現了霍亂的來源正是這口水井。原來,當時倫敦的工廠直接把污水排到泰晤士河裡,而Broad街這口水井的水源正是泰晤士河,負責這口水井的自來水公司沒有做好污水處理的工作。更可怕的是,這口井的位置曾經是一座房屋,後毀於火災,但房屋的垃圾坑和化糞池卻沒有清理,被直接埋在了地下,距離水井只有兩三米。這兩個因素的綜合作用導致了疾病。
(斯諾的地圖手稿,圓點是病例,×是水井,來源:西伊利諾伊大學)斯諾通過畫地圖以及人口統計找到了霍亂的真正來源。他也因此成為了流行病學發展歷史中的一個非常重要的先驅者,甚至有人說這場霍亂就是現代流行病學的開端。而斯諾的這種空間思維,被地理學家給借用了,後來經過進一步的發展,成為了GIS的重要內容——空間分析。
目前的空間分析在社會學、生態學、人文地理、經濟地理、歷史學、行為學以及可視化等領域有很大的作用,我現在參與的項目正在試圖把它運用到構造地質以及地震的研究上去。但我們不能忘了,最初的空間分析是和流行病學相輔相成的。可以說,因為流行病學的需求,才有了空間分析的完善;而有了空間分析的思維方法,才有了現代流行病學的誕生。
知乎專欄:地球的那些事兒微信公眾號 ShanYeTalking對海水和鹽水湖中嗜鹽細菌的研究引發了神經科學的革命:用激光控制大腦的光遺傳學。
對噬鹽微生物最早的報告可以追溯到1878年。Farlow 在一份漁業報告中描述了「鹽水鱈魚身上奇怪的紅色」 [1]。這一紅色物質後來被證實為一類嗜鹽細菌——它們只能生長在鹽水中。
1960年代,生物化學家們開始對這些嗜鹽細菌的細胞壁和細胞膜產生興趣。Abram 和 Gibbons 發現當逐漸稀釋溶液時,細胞膜會破裂成許多小碎片 [2]。
1967年,Oesterhelt 和 Stoeckenius 發現碎片中紫色的部分含有類似於視紫紅質(視網膜上的感光物質)的蛋白 [3]。這類蛋白可以被光子激活,並開啟可在細胞內外傳送帶電粒子的離子通道。
1999年,Okuno, Asaumi, 和 Muneyuki 描述了一種可以在低鹽分環境工作的感光蛋白 [4]。
2004年8月4日的深夜,Boyden 成功實現用激光刺激神經細胞產生動作電位 [5] *。
The rest is history.
後面的故事可以參考知識分子關於光遺傳學的專欄文章:知乎專欄
以及在你的領域裡,有哪些現存的黑科技? - 張雲的回答*Boyden 等人的文章代表了光遺傳學被廣泛應用的開始,但時間上第一個實現這一技術的是潘卓華。見 華裔光遺傳學發明者不應該被遺忘的故事 - 知識分子 - 知乎專欄
[1] Farlow, WG. "On the nature of the peculiar reddening of salted codfish during the summer season (1878)." U.S. Fish Comm., Report of the Commissioner for 1878, pp 969–973[2] Abram, Dinah, and N. E. Gibbons. "Turbidity of suspensions and morphology of red halophilic bacteria as influenced by sodium chloride concentration." Canadian journal of microbiology 6.5 (1960): 535-543.[3] Oesterhelt, Dieter, and Walther Stoeckenius. "Rhodopsin-like protein from the purple membrane of Halobacterium halobium." Nature 233.39 (1971): 149-152.[4] Okuno, Daichi, Makoto Asaumi, and Eiro Muneyuki. "Chloride concentration dependency of the electrogenic activity of halorhodopsin." Biochemistry38.17 (1999): 5422-5429.[5] E.S. Boyden et al., "Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity," Nat Neurosci, 8:1263-68, 2005謝 @袁霖 邀請x射線,一項改變世界的發現,物理和醫學完美結合!最近不是諾獎月嗎?x射線可是拿了6次諾獎,估計是空前絕後了。1901年 倫琴因為發現x射線拿了第一枚諾獎1914年 馬克斯·馮·勞厄 「發現晶體中的X射線衍射現象」1915年 威廉·亨利·布拉格和威廉·勞倫斯·布拉格 「用X射線對晶體結構的研究」1917年 查爾斯·格洛弗·巴克拉 「發現元素的特徵倫琴輻射」1924年 曼內·西格巴恩 「他在X射線光譜學領域的發現和研究」1946年 赫爾曼·約瑟夫·馬勒 「發現用X射線輻射的方法能夠產生突變」。今天來簡單的介紹一下x射線和咱老本行生物醫學口的關係。——————史上第一塊諾獎——————
說到x射線,雖然很多人不一定知道什麼是x射線(我也一樣),但是我們對它十分熟悉。
這種圖片大家一定見過
我們日常坐地鐵,坐火車,坐飛機或者長途汽車的時候都要通過安檢,用的也是x光。
那麼什麼是x射線呢?
這就要講到1901年諾貝爾物理學獎得主倫琴,要知道,他可是人類史上第一個諾貝爾獎得主,那個時候愛因斯坦才剛大學畢業。他的最偉大貢獻就是發現了X射線,而x射線也因此被稱作 「倫琴射線」。
為什麼他們都喜歡大鬍子???
關於x射線發現的過程,就不贅述了,畢竟咱不是物理專業。
好了,這下子碉堡了,他偶然發現X射線可以穿透肌肉照出手骨輪廓,於是有一次他老婆到實驗室來看他時,他請她把手放在用黑紙包嚴的照相底片上,然後用X射線對準照射15分鐘(那個年代人真的v587,要是他預知1946年諾獎,不知心裡怎麼想),顯影后,底片上清晰地呈現出他夫人的手骨像,手指上的結婚戒指也很清楚。這是一張具有歷史意義的照片,它表明了人類可藉助X射線,隔著皮肉去透視骨骼。1895年11月8日傍晚,他研究陰極射線。為了防止外界光線對放電管的影響,也為了不使管內的可見光漏出管外,他把房間全部弄黑,還用黑色硬紙給放電管做了個封套。為了檢查封套是否漏光,他給放電管接上電源(茹科夫線圈的電極),他看到封套沒有漏光而滿意。可是當他切斷電源後,卻意外地發現一米以外的一個小工作台上有閃光,閃光是從一塊熒光屏上發出的。然而陰極射線只能在空氣中進行幾個厘米,這是別人和他自己的實驗早已證實的結論。於是他重複剛才的實驗,把屏一步步地移遠,直到2米以外仍可見到屏上有熒光。倫琴認為這不是陰極射線了。倫琴經過反覆實驗,確信這是種尚未為人所知的新射線,便取名為X射線。他發現X射線可穿透千頁書、2~3厘米厚的木板、幾厘米厚的硬橡皮、15毫米厚的鋁板等等。可是1.5毫米的鉛板幾乎就完全把X射線擋住了。
諾就是這幅圖
————x射線和影像醫學————
由於這個偉大的發現太重要,因此在倫琴發現X射線後僅僅幾個月時間內,它就被應用於醫學影像。
1896年2月,蘇格蘭醫生約翰?麥金泰爾在格拉斯哥皇家醫院設立了世界上第一個放射科。
這個速度也是碉堡了,不得不佩服那個年代的人們,充滿了浪漫主義和勇氣。今天的人們更加的謹慎,一個科技從出現到推廣,經歷了太多的爭議。
而今天,x射線已經廣泛應用於醫學,並有了放射醫學這麼一個專門領域,無論是探測骨骼的病變,還是探測軟組織的病變比如胸腔X射線,用來診斷肺部疾病,如肺炎、肺癌或肺氣腫;而腹腔X射線則用來檢測腸道梗塞。
當然了,有不少騷年一定記著「胸前那根鐵絲」
然而,x射線可是有風險的
———————風險和機遇———————
1946年,也就是二戰結束後的第二年,諾貝爾生理學或醫學獎頒給了來自美國的赫爾曼·約瑟夫·馬勒,理由是他「發現用X射線輻射的方法能夠產生突變」。
X射線為什麼會引發突變呢?
這是因為我們知道人體細胞中最基礎的單位之一就是DNA,而x光照射到DNA上,會引發雙螺旋結構發生改變,比如發生了某個點的改變,甚至整條鏈的斷裂。
如果錯誤沒有得到及時修復,那麼就會進一步引發細胞的死亡。
正常人要是被長期x光照射的話,獲得癌變的可能性極高,所以這個圖片大家都認識。
—————變廢為寶,改變醫學—————這點壞處,恰恰可以變廢為寶。既然射線可以引起突變殺死細胞,那麼,癌症,本身也是細胞,用射線殺死癌細胞,不就治療了癌症了嗎?這一發現,實現了癌症療法三分天下之一的放射療法,俗稱放療。原理很簡單,癌細胞DNA發生突變無法及時修復(事實上短時期內大量損傷,修復幾乎是不可能的),然後引發細胞凋亡,還會涉及到今年諾獎的細胞自噬。最終治療癌症。相比於化療,放療具有很多優勢,比如,放療可以針對性的進行治療,而不累及其他組織。比如針對肝癌,可以專門的去照射有肝癌的位置,而不損傷肝的其他部位,實現精準打擊。現代更加精確地放療甚至可以模擬出一個形狀來直接有針對性的,設計不同的劑量來對癌症進行治療。此外,對於那些難以手術治療的癌症,放療可以更方便的去治療,比如胰腺癌,由於胰腺處在非常複雜的位置,沒有良好的手術空間。那麼這個時候就可以採取放療針對性的去治療。國內最早的放療醫院。著名的孫逸仙於1925年2月6日接受放療,3月12日逝世。當然,放療的射線有很多,x射線只是其中一種今天放療已經非常先進了,可以精準打擊,而且無創(很多街頭廣告不都是宣傳無創么?)這就是x射線帶來的時代變化。說明:放療和原理的關係存在先後,事實上很多醫學的內容都是先發現療效,然後才研究機制的。ps:雖然放療被形象的稱作烤死癌細胞,但事實上,完全不一樣,放療絕對不是烤死癌細胞的,而是促進癌細胞自己死。所有有些愚蠢的人竟然用火烤癌細胞,真是嗶了狗了,你tm那是脫水,不是斷裂DNA。雙向反射分布函數(BRDF)的測量,和尋找外星人。
首先先說說BRDF。熟悉圖形學的都知道BRDF,它表達的是一個點上,某個方向的入射光和某個方向的出射光輻射綠的比值。做渲染的人,一定都會接觸到BRDF,一般是經過參數化的,比如Blinn-Phong、Cook-Torrance、GGX等。
測量BRDF的設備,就不是很常見了。基本結構是這樣的。一個轉檯,可以改變要採集的樣本的角度,一個光源和一個照相機固定在懸臂上可以改變照明角度和拍攝角度。這樣的就能完整的採集一個材料樣本的BRDF。
這和尋找外星人有什麼關係呢?多年前有篇關於外星人的paper,大意是,從地球上觀測一個太陽系外行星,那顆行星繞著它的恆星轉。在整個過程中,相當於用一個運動的光源和一個運動的觀察點對一個樣本點採樣。通過連續觀察,總能覆蓋到一個很大區域的角度,以至於可以得到該星球的BRDF。得到BRDF又如何呢?對於人們能接觸到的材料來說,可以分為兩大類。一類是粗糙表面,表面由很多不同方向的小面組成。比如金屬、塑料。另一類是垂直結構,比如帶微絨毛的材料。他們的BRDF特性非常不一樣。如果觀察到一個系外行星是粗糙表面類型的BRDF,就表示他很可能只有自然結構。如果是帶微絨毛類型的BRDF,就表示那顆行星上可能遍布著摩天大廈這樣的垂直物體。
然而目前為止,這也只是個理論。科學研究中發現、發明的很多事物後來都造成了完全不同領域的革命。實際上,在科學研究中,絕大多數情況下,你想實現的目標都不一定能完成,倒是無心插柳柳成蔭的事情很多。
1. 基因治療和基因組編輯:ZFN、TALEN、CRISPR
基於基因組編輯的基因治療,由於近兩年CRISPR的開發和研究,又變得大紅大紫起來,吸引了無數的風投,並在最近開始了臨床實驗。其基本原理就是在了解病人的基因組序列以及其中的基因突變-疾病對應關係後,利用靶向的基因編輯,校正突變基因,從而使病人恢復健康。一個臨床的例子就是對HIV病毒的受體進行突變,從而使得人的免疫細胞不再能夠被HIV病毒感染,有效地控制HIV/AIDS病。怎樣做到精確的靶向基因編輯,找一把合適的「手術剪」,是這個技術的關鍵點。如果對基因組編輯領域有所了解,就會知道,現在流行的前後三個版本的基因組編輯「手術剪」,ZFN、TALEN、CRISPRN,是基於三種天然蛋白的人工改造——鋅指蛋白(zinc finger),轉錄激活因子樣效應因子(TALE),和Cas9。
這三種蛋白的發現都來自於基礎研究,和基因組編輯技術完全沒有關係,我們逐個簡單介紹一下。鋅指蛋白的奠基性研究早在1982年就開始了,是Miller在對一種叫做TFIIIA的蛋白的研究中發現的。為什麼研究這個蛋白呢?是因為更早由Roeder and Brown發現非洲爪蟾中,TFIIIA對於核糖體中的一個零件5S rRNA的合成是必須的。而核糖體是合成蛋白質的機器,沒有核糖體,細胞生命都得玩完。研究清楚TFIIIA,對於了解真核細胞生命的基本原理有重要作用。
鋅指蛋白結構示意圖(Aaron Klug,2010),之所以叫鋅指,是因為重複的結構看起來像個手指,而鋅Zn又是這個結構正確形成所必須的TALE則是對植物病原體的研究中發現的。一類叫Xanthomonas的細菌可以合成一種叫做AvrBs3/PthA的蛋白質。X細菌好比黑客,A蛋白則是一種木馬,細菌把AvrBs3打入到植物細胞內部,植物細胞就會乖乖地聽他指令,為他服務。研究清楚TALE,對於解決植物細菌病害問題很重要。
TAL因子在天然狀態下的功能示意圖(Jens Boch and Ulla Bonas,2010)CRISPR是在研究細菌抗噬菌體的免疫機制中發現的。
噬菌體,也就是侵害的細菌病毒,在侵入細菌並在細菌體內複製時,會有一小段DNA被細菌截胡下來,記在細菌的一個小賬本里(以前都有誰佔過我的便宜,口亨),這個小賬本就叫做CRISPR(規律成簇間隔短迴文重複),每個間隔就是一個噬菌體的「舊賬」,而迴文重複把這些舊賬分隔開。等噬菌體下次再來的時候,一系列叫做Cas的蛋白就可以依據舊賬把這些噬菌體消滅掉,這是細菌的知己知彼百戰不殆。這個細菌的免疫小故事就已經無比有趣啦!當時的研究者所設想的應用也僅僅局限於通過這個系統防止噬菌體污染——在很多發酵工程中,噬菌體污染就是個大問題。CRISPR系統對噬菌體入侵以DNA片段形式形成記憶,噬菌體再次入侵時,CAS系統的激活以這些片段為引導,定點消滅噬菌體DNA(圖片來自wikipedia)然而萬萬沒想到,在這三種蛋白髮現的若干年之後,都有那麼幾個人靈光一現,想到這個東西可以用來編輯人的基因啊,這樣不就能從基因水平上治病了嗎?
你說,這三個蛋白,一個是細菌用來黑別人的,一個是細菌用來防止別人黑的,一個是蛤生命必須的,怎麼就跑到人的細胞裡面做基因治療了呢?2. 萬維網和觸屏技術之前有一個答主提到了互聯網,這裡提另一個例子,萬維網。這個名詞很多人可能有些陌生,但是提到www,你絕對知道是什麼。比如:http://www.zhihu...www.163...www.baidu...。雖然現在各種互聯網+的概念層出不窮,但是互聯網其實是一個很大的概念,包含很多服務。除了像朋友圈這種區域網之外,我們生活中所接觸的所享受的各種便利服務,精確的講是建立在萬維網上。而萬維網是怎麼發明的呢?1989年,歐洲原子能研究中心的一個名為蒂姆·李的科學家,覺得粒子實驗數據實在太大了,email傳起來好慢,群發好麻煩,搞個新系統吧。於是萬維網就誕生了。萬維網的誕生地,歐洲原子能中心(CERN)一號樓一層(wikipedia)歐洲原子能中心「隨手」發明的東西有很多。除了萬維網之外,還有一項每一個智能手機用戶每天都在使用的技術也是歐洲原子能中心發明的——觸屏技術。當時是用來方便的控制粒子加速器的,後來很多科研儀器中都使用這項技術,比如PCR儀。但是因為滑鼠的發明,IT放棄了它。不過再後來,這項技術又被撿了回去,開啟了各種phone、pad、觸屏筆記本的時代。
1977年Bent Stumpe為粒子加速器控制室設計的第一款觸摸屏(wikipedia)3. DNA納米材料和分子計算機
DNA雙螺旋結構的建立可謂是分子生物學歷史上一個重要的里程碑,使得人們終於了解了遺傳信息究竟是如何儲存和複製的。這項結果也為沃森克里克和威爾金斯贏得了一個諾貝爾獎。然而你可能很難想到,這項發現在若干年之後,會發起一個全新的材料學領域。在材料學中,如果你想設計一個納米小分子,摺疊成為一個你想要的結構(比如說一個納米尺度的燒瓶),這個難度是很大的,而且沒有什麼好的通用方法。而DNA作為一種材料,則有著天然的優勢。想像你有一條DNA繩子(我們一般稱之為scaffold),你需要設計很多小「膠帶」把這個DNA鏈粘成一張紙,進而還是用這些小膠帶把這張紙摺疊成一個特定的形狀固定住。而這些小的膠帶,就是一段一段小的DNA(一般稱之為staple),他們之所以能夠固定住這個DNAscaffold,就是通過DNA雙螺旋中鹼基互補配對的這個「粘合力」。由於鹼基互補配對是特異的,一個staple只能粘住scaffold上特異的兩部分,這樣我們「很容易」就可以合理的設計所有staple的序列,把他們和scaffold放在一起進行反應,DNA就可以摺疊成預設的形狀了。這項領域被稱之為DNA摺紙術,產生很多有趣有用的結果,知乎上的 @韓東燃是這領域的研究者。韓東燃設計的DNA莫比烏斯環示意圖(Han Dongran, et. al. 2010)Qian Lulu參與設計的DNA版的中國地圖,透射電鏡實物照片DNA雙螺旋鹼基互補配對原理所衍生的另一個領域則是分子計算機。利用DNA鹼基互補配對比單鏈DNA自由能更低的原理,我們可以設計一種叫做strand replacement的機制,用一條更優的鏈去替換雙螺旋結構中的其中一條鏈,從而獲得更低的系統自由能。基於這種化學機制,科學家們可以設計出複雜的邏輯線路,比如與/或/非門,甚至……用DNA開根號!
DNA開根號計算器:A. 邏輯線路示意圖,系統輸入為一個二進位數字x4x3x2x1,系統輸出為y2y1,為輸入值的正平方根;B. 具體的DNA線路設計(過於複雜不想解釋);C. 輸入值為1-16(十進位)時,系統輸出值隨時間變化曲線;D. 四個例子(0,1,4,9)的開方(Qian Lulu Eric Winfree, 2011)這個系統的一個缺點很明顯就是結果不好可視化(變成數),所以具體有多大用還不好說,但是看起來很酷。(先想到這麼多,有贊待續)-------為什麼會出現很多這樣的例子呢?我們的老朋友,以色列系統生物學家Uri Alon常常說的,以及在TED演講中的闡釋:在科學研究中,你以為你從A出發,給自己設立一個小目標B,可以很快完成它;但是不幸的是,在現實生活中為了得到B,你嘔心瀝血焚膏繼晷也沒有用,一般都失敗了;幸運的是,雖然大多時候得不到B,你還是有可能得到C的。總結而言,科學研究中,求而不得,得之我命。你很難預測一項基礎研究會用什麼用。真正的科學家,只是懷著一顆好奇心,在大自然中探索發現而已。每一個簡單的成果都有未來發光發熱的可能。Uri Alon, How to choose a good scientific problem, Molecular Cell 2009核子工業的發展,推動了玩具產業在上世紀40年代-60年代的「爆炸」。
在上世紀四五十年代,隨著人類進入「原子時代」,人類對於核武器、核戰爭、核冬天以及世界毀滅的恐懼亦與日俱增。但沒想到的是,在這個本應人人視核子為狼虎、避而遠之尚且不及的時代,一群腦洞大開的發明家——或者換句話說,一群為了賺錢什麼都敢做的瘋子,竟然反其道而行之,把「黑手」伸向了「無辜可愛」的熊孩子。老實說,玩具作為工業發展的一環,本身也應該與工業的歷史水平相適應,但這一點可從不適用于軍事工業——冷兵器時代的開刃技術從沒用於過玩具的生產,熱兵器時代的槍彈、炸藥也從沒成為過兒童的玩物,偏偏到了原子時代,和殺死過上萬人的胖子、小男孩一個原理的放射源怎麼就突然擺上孩童的桌面了?
可瘋狂發明家們就是這麼膽大妄為,直接使用百里殺一人千里不留痕的放射源材料製作玩具,並堂而皇之冠以「原子」之名售賣,這可比以往那些製作飛機坦克大炮模型但一發子彈都打不出來玩具商「野性」到不知道哪裡去了。而當時或許是核子、核能太過迷人的關係吧,竟然真的有一群熊孩子和他們的父母為這樣的「恐怖玩具」著迷,甚至不惜花費高價購買——畢竟相對於鐵皮火車或者玩具狗,這些怪模怪樣的盒子和器材能讓「you know nothing」的小屁孩們最快地體驗成為科學家的榮耀感,父母也願意他們玩玩這種高大上的「科學實驗」而不是天天練投球砸壞鄰居老太太的花圃。
最著名的,莫過於1950年誕生的「吉爾伯特U-238核動力實驗室」,其誕生遠遠早於世界上第一座核電站實現發電運行。
其發明者是彼時的奧運冠軍、一開腦洞就停不下來的阿爾弗雷德·卡爾頓·吉爾伯特這套「玩具」的價格即使在現在看來也相當驚人——其售價高達50美元!而1950的1美元,購買力相當於2016年的10.02美元(Inflation by Amount),換句話說,如果是在今天,那麼這款玩具的售價將高達501美元,或3368+人民幣,超過了一台XBOX ONE或play station 4遊戲主機的售價!雖然名為「玩具」,但「核動力實驗室」的組成一點都不簡單,其包括一個閃爍鏡、一個雲室、一個驗電器、一個蓋革計數器和一本使用手冊,以及四瓶鈾礦及其所帶的真真實實的放射源——一個貝塔-阿爾法放射源,一個純貝塔放射源,一個伽馬放射源,以及一個與雲室使用直接相關的短期阿爾法放射源。當然,本品歸根到底是準備給熊孩子的,所以還包含一部與主題密切相關的漫畫書,用來吸引熊孩子們的興趣。
而「吉爾伯特U-238核動力實驗室」之所以赫赫有名,除了其本身是一部富有時代意義、開創性的作品外,更重要的是沾了知名遊戲《輻射》的光。《輻射》系列濃郁的冷戰風使得遊戲玩家在為之痴迷的同時,廢寢忘食地尋找一切可能被《輻射》列為參考的現實原型,而奇特的「吉爾伯特U-238核動力實驗室」,正是由於其特殊的誕生時期,以及含有核子材料的客觀現實,被很多論壇中不明所以的《輻射》玩家視為遊戲中無處不在的「爆炸半徑」("Blast Radius『』)桌面遊戲的原型。
(不過實際上,兩者並沒有關係,《輻射》系列遊戲的骨灰級玩家早就援引其購買的輻射遊戲藝術設定集給出了解釋,「爆炸半徑」遊戲僅僅是一款桌面轉盤遊戲而已。)
Bethesda Softworks, The Art of Fallout 4, Dark Horse Books(2015),p.325而阿爾伯特還發明了「捆綁銷售」與「分開銷售」相結合的模式,「吉爾伯特U-238核動力實驗室」中包含的蓋革計數器,是可以單獨購買的。
不過,這款遊戲雖然具有劃時代的「爆炸」意義,但很快就被管理部門取締了,從面世到壽終正寢,雖然引起一陣浪潮,但總共只持續了不到2年時間,但僅僅在不到兩年的時間內,就有大量孩童在沉浸於此玩具中不能自拔後,出現了噁心、嘔吐、脫髮、口鼻出血等典型的輻射病態癥狀,不知有多少躲過了二戰摧殘的孩童在年紀輕輕時卻因為一款玩具而死於白血病。
「吉爾伯特U-238核動力實驗室」是最著名的「核子遊戲」,但並不是最早的,實際上,在距離「小男孩」和「胖子」爆炸不到2年的工夫,一款名為「核能故事」的半實驗用核子玩具便已經問世。
雖然相比「吉爾伯特U-238核動力實驗室」來看。「核能故事」只有一個閃爍鏡和兩瓶礦物,顯得寒酸了許多,不過其也有自身的特點——其包含一張名為「放射性屏幕」的厚紙,裡面含有鐳的成分。而吉爾伯特引以為豪甚至敢於單獨銷售的「吉爾伯特蓋革計數器」也並非沒有對手,當時,密蘇里州的貝爾工廠就生產了一款核心功能一致的蓋革計數器,不過因為外表更為卡通,因此更受熊孩子的歡迎。
如果說上世紀50年代初,人類對核子在恐懼的同時還可能抱著那麼一點「好奇」的態度的話,那麼,50年代末60年代初,已經經歷過數次可能毀滅地球的核子危機的人類怎麼都不該對核子繼續保有那麼高的熱情了,更何況上述的含有核子材料的玩具,雖然往往能引起一陣風潮,卻常常不免被取締的尷尬,因此投資者的理性似乎也不容許他們繼續投產這樣高商業危險的項目。但就這,上世紀五十年代末六十年代初,仍然有兩款新的核子玩具問世,不知道當時的美國人是不是預料到兩年後的古巴導彈危機而提前做準備呢?首先是1958年問世的「科學圖書館」系列蓋革計數器套裝。
其包含一個蓋革計數器以及相應的附件等,不僅如此,該產品還有一本實驗說明書,詳細地說明了包括阿爾法放射源、伽馬放射源測定在內的48種實驗的完整流程。「科學實驗室」畢竟還只是個蓋革計數器,其本身是沒有放射源的,但在全面核戰陰雲已經漫步全球的60年代,竟然還有玩具廠商生產新的含有放射源的「科學玩具」,這可就真是「在刀尖上跳舞」了。
1959-1960年間,「美國基礎科學俱樂部」再次出品了一款「核能實驗室」玩具。
相較於「吉爾伯特U-238核動力實驗室」,這款接近10年後才出品的玩具明顯粗糙了很多,內部擺放、玩具零件精緻程度比起「U-238」來差的不是一星半點,不過,該有的東西,「核能實驗室」卻一點兒都不少——U-238隻有鈾礦,而本產品不但有鈾,還有鐳,而且數量還相當富裕。由上可見當時核子工業的發展對玩具產業的推動和變革產生了多大的影響,不過,這還沒完,有道是能放點輻射的就放點輻射,放不了輻射的就得能測測輻射,那要是測都測不了的呢?那就得在文化上與輻射靠攏。而核子工業對玩具產業的影響,也就不僅僅是熊孩子吸幾口輻射那麼簡單,當時的整個玩具產業文化,都透出了一股濃濃的「核子」味道。
上文中筆者已經提到過《輻射》遊戲中的「爆炸半徑」桌游的原型問題。事實上,雖然「爆炸半徑」和「U-238」沒什麼聯繫,但不見得「爆炸半徑」真的就一定沒有原型,一款風靡於上世紀50年代的桌游「鐳」就很可能是「爆炸半徑」的原型之一——與「爆炸半徑」類似,「鐳」不但與輻射密切相關,同樣包含了轉盤、指針、結算等同類因素(當然,另一種可能是,美帝國主義不知道聰明的中國人發明了骰子這麼個偉大而實用的物件)。
甚至連我們熟知的強手棋(即「大富翁」遊戲的原型),都有了和輻射有關的主題,其竟然還混雜了西部文化的因素!
當然,不能不提的是,這一時期,連漫畫都受到了核子工業發展的影響,如著名的DC漫畫旗下超級英雄「原子俠」便是如此,之前,他僅僅擁有能縮小的能力,而這一時期,卻可以使用核能來擴大自己的力量。不過,「核子玩具」的黃金時代,最終還是隨著人們對於輻射的日益了解和恐懼的加深煙消雲散了。現在想回憶下當年狂熱的「核子玩具」風潮,也只能從《輻射》中找找線索和影子了。
主要參考文獻:
橡樹嶺聯合大學:「核子玩具」專題研究;
Rosanne DiVernieri,Stinks and bangs: the heyday of the chemistry set;
Roland Jones,Italian firm goes nuclear with atomic toys:Scale models of 『Little Boy』 and 『Fat Man』 shown at German toy fair;Bethesda Softworks, The Art of Fallout 4.Steven Johnson在TED Global 2010 曾經總結過偉大的創意和想法的三個特質:
1.偉大的想法常常誕生於聚集了一群來自擁有不同背景、專長和研究領域的場合(Liquid Network),人們將別人的創意和自己的創意重組,形成新的創意。
2.偉大的想法不是來自靈光乍現(Eureka),而是來自對一個想法的長久思考(Slow hunch)。
3.偉大的想法常常會催生出其他意想不到的創意,不同的創意之間是一個共生關係。
Steven Johnson在這個TED Talk裡面用了一個很經典的例子, 這個例子沒有出現在&
1957年十月,蘇聯發射了人類的第一顆人造衛星。這個新聞馬上震驚了美國,因為蘇聯的衛星意味著蘇聯擁有利用洲際導彈攻擊美國本土任何一塊區域的能力。
事情很快傳到美國馬里蘭州約翰霍普金斯大學的應用物理實驗室(Applied physics lab),20歲出頭的年輕研究員圭爾和維芬巴赫在食堂里閑聊,他們想到,既然有這麼一個衛星在天上飛,我們能不能接收到它的信號呢?碰巧維芬巴赫是接收微波方面的專家(其實應該不是碰巧,如果維芬巴赫不是這方面的專家,他應該不會想到這個問題),他的實驗室里有一套小型的天線和放大器,他們馬上打算用那套設備去試著接受來自衛星的信號。圭爾和維芬巴赫回到維芬巴赫的微波實驗室,利用那套小型設備在幾個小時後就收到了衛星。因為蘇聯怕別人認為它的人造衛星是騙局,所以將人造衛星設計成相當容易被追蹤的形式,衛星穩定地發出20 MHZ頻率的信號。圭爾和維芬巴赫越來越多的人開始圍觀維芬巴赫的實驗室,兩個年輕的研究員覺得這是酷炫的歷史性時刻,畢竟他們是美國第一批接收到衛星信號的人,他們搬來了模擬磁帶錄音機對衛星的信號進行記錄。記錄時他們發現,衛星的頻率相當穩定,他們想到利用多普勒效應經過一些簡單的計算,就可以得到衛星的速度。其他有專長的同事也參與到這個項目的討論中來,有同事提到利用多普勒效應的斜率,可以計算出衛星離我們天線最近和最遠的距離,這樣一來,就可以對衛星進行定位。
他們把這個項目作為自己的副業做了下去,並且拿到了APL剛剛引進的UNIVAC計算機的使用許可,很快他們就計算出了人造衛星的精確軌跡。幾周後,圭爾和維芬巴赫的老大佛蘭克麥克盧爾找到這兩個年輕人。問他們,既然他們已經可以通過地面上的一個已知點測出了太空中的一個未知點,那麼反過來,通過太空的一個已知點,可以測出地面上的一個未知點嗎?兩位研究員表示可能可以,經過計算後他們發現,反過來測位置反而更簡單。麥克盧爾麥克盧爾欣喜若狂,他說他有好多核潛艇在太平洋,但卻不知道位置,這樣的話沒辦法精確地將核潛艇上的導彈打到打到莫斯科,他打算髮射衛星來追蹤核潛艇位置,而這套系統,就是GPS。
30年後,里根開放了GPS,GPS不僅用於各種智能手機的導航,你找到最近一個咖啡店在哪,還進一步催生了車聯網和自動駕駛的發展。圭爾、維芬巴赫和麥克盧爾APL對這段歷史記錄的官方視頻,年長的圭爾親自講述了這段歷史:https://www.youtube.com/watch?v=_uN_e13It2clist=PL7911AF861005796Findex=5feature=plpp_video
Steven Johnson在這個TED Talk裡面還用了另一個環境催生創意的例子,這個例子在&
個人非常喜歡發明史,Steven Johnson是我最喜歡的科普作家。我在很早之前的一個回答裡面就重點推薦了他的紀錄片&
謝邀。
- 青黴素
第一項當然是大名鼎鼎的青黴素。其發明過程,簡單來講,就是做實驗的科學家太懶了,捨不得清洗實驗器材,據說讓鼻涕掉進了器材裡面都不聞不問,最後實驗器材終於長了霉。當時弗萊明(發明者)還準備把這些器材趕緊扔進垃圾桶,千鈞一髮之時,他發現,那些黴菌竟然殺死了培養基裡面的細菌,然後他繼續測試了下(好幾年的時間內),發現這種黴菌還能殺死許多種對人類有害的病菌,因此,青黴素登上歷史舞台,帶來了一場醫學革命。
- 偉哥
偉哥本來是發明來治療心臟類疾病的,比如心絞痛,結果發明出來沒什麼效果。然後有人偶然使用它,發現它還有一些別的比較神奇的效果,人類的性生活從此迎來了第二春。
- 微波爐
微波發射器本來是軍用雷達用的,主要用于軍事。有一次,雷達研究者斯賓塞帶了一塊巧克力來上班,結果巧克力被微波給烤融化了,斯賓塞很聰明,沒有放過這件小事,推測可能是某種看不見的射線或者能量導致的。接著他繼續研究,最後終於發明了——微波爐。
- 苯胺紫
苯胺紫是一種很重要的化學染料,是世界上第一種人工合成的化學染料。
發明它的科學家Perkin原本是是干著合成抗瘧疾特效藥物金雞納霜(奎寧)的工作,一直不成功。結果,偶然間,他把重鉻酸鉀加入到了苯胺的硫酸鹽中,結果燒瓶中出現了一種瀝青狀的黑色殘渣,他知道這回又失敗了!他只好去把燒瓶清洗乾淨,以便繼續試驗。考慮到這種焦黑狀物質肯定是一種有機物,多半難溶於水,Perkin就採用加入酒精的辦法來清洗燒瓶。當酒精加入到了燒瓶之後,Perkin忽然睜大了早已疲倦的眼睛:黑色物質被酒精溶解成了美麗奪目的紫色!
Perkin雖然沒有製造出奎寧來,卻獲得了合成苯胺紫的發明專利。合成染料的華麗色彩令當時的維多利亞女王都為之青睞,意外的成功極大地鼓舞了他的創業衝動,1857年,Perkin在哈羅建立了世界上第一家生產苯胺紫的合成染料工廠,並因此成為世界巨富。
- 火藥
火線嚴格來講,算是半個吧,畢竟周期很長。一開始它是煉丹的副產物,甚至更換比例來當丹藥服用,但是經過很長的時期過後,它逐漸被應用於——鞭炮,哈哈哈。
當然,火藥最後終於走出了民用領域,進入了軍事領域,改變了戰爭,改變了古代世界權力的遊戲,乃至於開創了近代。- 橡皮泥
橡皮泥一開始本來是當作清潔用品給發明出來的,清潔那些骯髒的壁紙。結果,Kutol Products公司將其推向市場之後才發現,它變成了小朋友們最喜歡的玩具。從此,玩具市場迎來了革新:橡皮泥登場了。
- 可口可樂
可口可樂本來是作為藥物來發明的,用來治療頭痛,發明者偶然將其用碳酸水溶解了,然後,作為一個吃貨,他竟然忍不住嘗了一口!啊炸裂!好美味!
可口可樂就這麼誕生了,並革新了快消飲料界。- 麻醉
想到了再更,部分資料取材自網路。在世界上還沒有麻醉的時候,手術的疼痛患者幾乎難以忍耐,甚至有的患者自殺來避免手術的痛苦。1844年,賀拉斯·威爾斯醫生在一次展會中發現了一氧化二氮可以致人發笑,並可以致人麻醉,因此,一氧化二氮被用作第一次的麻醉手術。直到人們發現乙醚可以完美的替代一氧化二氮。
嗜熱細菌的發現和研究,帶來了現代DNA聚合酶鏈式反應(PCR),開創了分子生物學的新紀元(克隆、定量、測序、突變、鑒定……甚至分子相互作用,均可以或不得不基於PCR),也為其他學科帶來新的突破(分類學、法醫學、環境科學……)。
據說在沒有嗜熱細菌DNA聚合酶商品化之前,做PCR就是三台水浴鍋來回換,每一輪補一次普通弱爆酶
好吧,微生物學和分子生物學都算biology這個大學科下面的……
要不然換個例子:拿DNA序列來當信息存儲介質(已經有人在干這事)。DNA每個位元組可以有4個狀態:A、T、C、G,因此存儲密度比0、1的更高?(不負責任之猜想)1、竟然沒有人說為追求長生不老,中國的煉丹道士發現了火藥。
2、青銅冶煉技術
金屬冶煉技術對人類文明的重要性不言而喻,但也很偶然間發現的。
自然界中存在這純度高達百分之九十以上的紅銅,布氏硬度只有35,很軟,所以,最初被史前人類撿到是當首飾,在中亞考古就曾發現過天然銅做的銅針和銅珠,但是,人類學會冶銅,卻十分偶然:
即便能冶煉除紅銅,紅銅比起石器,並沒有什麼卵用。只能做一些小刀之類的小器具。所以,人類很長一段時間是同時並用。發現硬度較高的青銅,又是一個漫長而偶然的過程,考古學家推測可能有兩個途徑:青銅熔點低、硬度高、可塑性好,可以說是材料學上跨越級別了。而中國的青銅文明尤其輝煌。
西周時代的《考工記》對青銅冶煉的配比已經認識相當深刻。也即所謂的【六齊(濟)】:「金有六齊,六分其金而錫居一,謂之鐘鼎之齊;五分其金而錫居一,謂之斧斤之齊;四分其金而錫居一,謂之戈戟之齊;三分其金而錫居一,謂之大刃之齊;五分其金而錫居二,謂之削殺矢之齊;金錫半,謂之鑒燧之齊。」
六齊_百度百科
雖然冶鐵在戰國時代已經掌握,但是,青銅仍然最常用戰略性物資。禮儀、祭祀、戰爭等等。
中國第一個帝國秦國,其實典型的青銅文明。戰國時代青銅冶煉技術已經登峰造極了。比如:秦始皇陵墓中發現的青銅劍,其製作過程至今依然無法重複。特別是「鉻鹽氧化」技術。秦劍(青銅劍)秦國標準化生產的弩機扳機、望山和箭頭:
《中國兵器史稿》寫道:「秦國似未曾有自製精良之短兵...秦代弩機,尚無所聞,弓箭之制,亦罕見於經傳。」
這個紀錄片應該很多人都看過:紀錄片】復活的軍團
又比如:越王勾踐劍
3、農牧業
農牧業的形成其實也很偶然,絕對改變了人類歷史進程,沒有農業人類不可能定居形成大型的社會,也就沒有稅收,沒有分工,無法形成國家。以後再答吧!DNA 的發現與哈密頓路徑問題的解決。
DNA 的概念大家都比較熟悉。一般情況下我們認為 DNA 分子是雙鏈存在的,雙鏈上的鹼基以 A 對應 T、C 對應 G 的所謂 「沃森 - 克里克配對」 形式匹配結合。也正因為這種配對,不同的 DNA 單鏈分子能夠根據自身的序列內容對其他分子進行識別,來決定要不要與其結合。
哈密頓路徑的數學定義是 「在圖中過且僅各節點一次的路徑」。
什麼是數學上的 「圖」 呢?「圖」 (Graph)是若干節點和連接節點的邊所構成的。圖論的提出可以追溯到 1736 年歐拉解決的柯尼斯堡問題,這個問題還有一個更廣為人知的名字——七橋問題。
你能不重複地一次性走過所有的橋嗎?
這個問題答案是否定的,歐拉解答它的方法我們也已經十分熟悉了,這裡不再展開。
在七橋問題當中,兩個河洲和兩側的河岸就相當於 「節點」,七座橋就相當於 「邊」,七橋問題等價於在下面的圖中找出一條過且僅過所有邊一次的路徑。
而相似的,哈密頓路徑問題則是要判斷一個圖中是否存在一條過且僅過所有節點一次的路徑。這個問題於 1859 年由英國數學家哈密頓的 「環遊世界」 遊戲引申而來:「環遊世界」 在一個正二十面體的每個頂點標上一個著名城市,遊戲目標是找到一條沿著各邊通過每個頂點剛好一次的閉合迴路。
這種問題其實在旅遊時中可以經常遇到——不坐返程、不去重複地點(甚至路口),連接 A 地到 B 地的路線就是僅包括途徑各地的交通網路上的一條哈密頓路徑;如果最終要回到家中,這條路線就是一條 「哈密頓迴路」;如果不同路口之間的道路都是單行道,這時的路徑可以稱為 「有向哈密頓路徑」。
哈密頓問題解釋起來容易,驗證答案是否正確也十分簡單,但是求解的過程極為困難,這樣的特徵也說明它是一個典型的 NP 完全問題。暴力驗證所有路徑組合的時間複雜度為,而動態規劃的求解演算法時間複雜度也足有,這意味著每增加一個節點,問題解開所需要的時間都會翻一倍多!
但是 1994 年南加州大學的計算機科學家 Leonard Adleman 受到分子生物學的啟發,想到了一個令人驚嘆的奇妙解決方案。
他把每一個節點對應成一段 DNA 序列,例如 A 節點對應成 「A 片段」,再把連接某兩個節點的邊對應成兩個節點序列的組合,例如連接 A 和 B 節點的邊,對應於 「A→B 片段」 或是 「B→A 片段」。
然後,他將所有的邊對應的序列放到一起,使他們被工具酶拼接起來。1 mol 的物質中有著 6×10^23 個分子,在這樣的連接反應中,僅僅 10 μL 的體積就能放入 500 pmol 以上的 DNA 序列,也就是三百萬億個分子。有著如此龐大的分子基數,可以認為反應體系能隨機地排列組合產生出(良好大小內)所有可能的路徑所對應的核酸序列來。這樣一來,現有演算法最無頭緒的枚舉過程,就被生化反應這樣逆天而神速的並行運算破解了!
接著使用 PCR 的方法,特異性地擴增出以某一節點 A 對應序列開始、到某一節點 B 對應序列結束的序列,這樣便能找出(良好大小內)所有從 A 到 B 的可能路徑所對應的序列。
再使用凝膠電泳的方法將不同大小的 DNA 序列分離開來,如果圖中的節點數為 n,每個節點對應序列的長度是 x,那麼長度為 n·x 的序列,就有可能包含對應於 A 到 B 的一條有向哈密頓路徑的 DNA 序列。
回收長度為 n·x 的這些序列之後,換用變性凝膠將這些大小相同的 DNA 中不同鹼基排列的序列分離開來。最後再使用 PCR 的方法,用中間某個節點 N 對應的序列和起點(或終點)對應的序列作為引物特異擴增中間的序列。如果節點 N 的序列出現只出現一次,那麼 PCR 的結果上就只會出現一道產物條帶;反之則會不出現條帶或是出現多條條帶。這樣不僅能檢查嫌疑序列對應的路徑是否過且僅過一次某節點,還能知道根據 PCR 產物條帶的大小得到這條路徑的經過各節點的順序。
這個奇思妙想真是印證了中國的一句成語:以毒攻毒!
枚舉太多太難?我們就用又多又高效的生化反應去破解:這個想法簡直妙不可言。然而在演化過程中,生物已經將這種思想運用了幾百萬年——就拿我們的免疫系統來說,抗體就是免疫系統針對外來抗原,使用枚舉和篩選的方法暴力搜索得到的、能與外來抗原高效結合的特殊蛋白。
圖靈用機器進行並行運算的能力,解開了人腦無法解開的德軍密碼;
而阿德曼則用生化反應進行並行運算的能力,解開了計算機無法解開的數學難題。
Leonard Adleman 的這一個設計,雖然實際上僅僅是用來解決了一個七節點的哈密頓路徑問題,但是這第一次將分子計算變成了現實,也向人們展示了 DNA 計算機的潛力。
對於電子遊戲而言,1991 年是個了不起的年頭。如果我們回顧這一年誕生的遊戲,會看到許多金光燦燦、聲名赫赫的作品,如:
《席德·梅爾的文明》(1991 年 9 月)
《毀滅公爵》(1991 年 7 月)《刺蝟索尼克》(1991 年 6 月)《夢幻模擬戰》(1991 年 4 月)
《超級機器人大戰》(1991 年 4 月)《美少女夢工廠》(1991 年)
這些遊戲無一不是各自類型中的瑰寶,成為無數遊戲模仿學習的典範。但無人想到的是,一件看似毫無關聯卻給當今遊戲領域帶來重大變化的發明,即將在 1991 年誕生。
故事發生在英國劍橋大學裡,一群計算機科學家各自負責著手上的尖端研究項目。其中有一件設備對他們每個人來說都必不可少,那就是咖啡壺。
「供應穩定的咖啡因對計算機科學來說,是非常非常重要的」,昆汀·斯坦福-弗雷澤博士說道。
可問題在於,咖啡壺放在一間名為「特洛伊之屋」的主要機房裡,而光顧的科學家卻遍布各個樓層。有時候,當精疲力盡的研究者想要來一杯滾燙的咖啡時,卻發現咖啡壺是盞底己空酒早盡。這對於不愛走動、惜時如金的研究者來說,無疑是肉體和精神的雙重打擊。
於是昆汀·斯坦福-弗雷澤博士和他的同事保羅·賈德斯基合作,在「特洛伊之屋」里安裝了一枚攝像機,對準了咖啡壺,並且將其連上了校園內網。
攝像機每分鐘會拍攝三張照片,如此一來,其他研究者就可以通過計算機查看咖啡壺裡還有多少咖啡了,而世界上第一個網路攝像頭也隨之誕生。這個發明對於遊戲產業的影響近幾年才嶄露頭角,許多人玩遊戲的方法從這樣:
變成了這樣:誰會想到,風行國內外的遊戲直播,居然是因為科學家不想喝咖啡白跑一趟而誕生的呢。這還真是一個《生活大爆炸》風格的故事呀。硝化甘油。
本來是作為一種工業炸藥使用的。後來也用來做血管擴張葯,治療心絞痛。
嗯,這不算變革。
但是正是因為硝化甘油的出現,使諾貝爾成為百萬富翁,然後用他的部分遺產創立的諾貝爾獎成為這個世界上最重要的獎項,深刻地影響了近現代100多年的科學史。@劉柯 文尾謝邀。1969年,貝爾實驗室為了研究存儲計算機數據,卻意外使「電荷耦合元件」(Charge-CoupleDevice,簡稱CCD)誕生了。
2012年,柯達公司破產。
如今,電影,這個用「膠片(Film)」來命名的藝術形式,基本上沒有任何一部再用膠片拍攝。
電影徹底進入數字時代。
這一切,都源於1969年,一塊微電子元件的誕生。謝邀。我第一反應想到的是微波爐。微波爐的發明者是美國自學成才的工程師珀西·勒巴朗·斯賓塞(Percy LeBaron Spencer),二戰爆發後,他在雷聲公司和英國人一起從事雷達磁控管開發。一天,他在實驗室做實驗時,斯賓塞注意到,當他運行磁控管時,從磁控管前面走過會有熱感,而且褲兜里的巧克力棒融化了。一般人可能認為,是他身上的體溫降巧克力融化,斯賓塞沒有按照這種邏輯思維去判斷這件事,相反,思維敏捷的他給出了一個更為科學的解釋:磁控管發射的微波把巧克力烤化了。
同科學史上每一位發明家一樣,斯賓塞對他的發現充滿了好奇,將其作為一種新奇事物看待,搞了一系列實驗,先是把一袋玉米粒放在波導喇叭口前,然後觀察玉米粒的變化。他發現玉米粒與放在火堆前一樣。第二天,他又將一個雞蛋放在喇叭口前,結果雞蛋受熱突然爆炸,濺了他一身。這更堅定了他的微波能使物體發熱的論點。
雷聲公司受斯賓塞實驗的啟發,決定與他一同研製能用微波熱量烹飪的爐子。幾個星期後,一台簡易的爐子製成了。斯賓塞用薑餅做試驗。他先把薑餅切成片,然後放在爐內烹任。在烹任時他屢次變化磁控管的功率以選擇最適宜的溫度。經過若干次試驗,食品的香味飄滿了整個房間。1947年,雷聲公司推出了第一台家用微波爐。
然後上面有人提到偉哥,那就不能不說阿司匹林,從發明到現在一百多年,在解熱鎮痛的處方裡面出現得越來越少,卻成為了高血脂病人(無禁忌症)的必備藥品。
美國經濟學家馬克·萊文森(Marc Levinson)寫了一本關於集裝箱的書叫《集裝箱改變世界》按照作者的說法,在集裝箱出現之前,美國的沃爾瑪、法國的成衣絕對不會遍地開花。在集裝箱出現之後,貨運變得如此便宜,以至於某件產品產自東半球,運至紐約銷售,遠比在紐約近郊生產該產品來得划算。中國也從此登上國際集裝箱海運和世界工廠的舞台。全球化和供應鏈革新從此拉開序幕。
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