科学新探索数学科技、物质能量（套装共2册）

如果世界是计算机，人生就是算法；科学是英雄主义的，却也有着可悲的统计学错误；量子物理学家进行的民意调查；提高能源效率的人类走路方式；类似GPS的罗马帝国交互地图；能够减少时差的应用程序……在这本书中，你将读到一个个有趣的数学与科技创新的故事，并激励你不断去探索世界。

人类是加工自然物质的专家。从早期石器到罗马水渠，再到硅晶时代，我们已经通过自己对物质的理解，创造出新奇的材料，广泛地利用能量，推动了人类文明的进步。过去几年里，人类取得了重大进步，聚变能、量子计算机、量子通信和超材料斗篷成为物质科学的新里程碑。探索物质与能量的前沿科学；这是一场精彩纷呈的对物质核心的探索，且这场探索永无止境。

美国《科学新闻》杂志（Science News）由非营利机构美国科学与公众协会（The Society for Science & the Public）出版，出版地为华盛顿特区。纸质版《科学新闻》杂志（Science News）为双周刊，同时开通了每日更新的新闻网站 (www.ScienceNews.org)。

纸质版《科学新闻》杂志拥有超过9.3万的付费订阅者，网站年独立访问量高达1200万。此外，《科学新闻》杂志在社交媒体上也十分活跃，拥有220万脸谱网粉丝和150万推特粉丝。

《科学新闻》杂志已有94年的历史，一直致力于为公众提供值得信赖的科学信息。1922年，报纸出版人爱德华·W. 斯克里普斯（Edward W. Scripps）创办了《科学新闻》杂志，初名为Science News-letter，这是美国份旨在为公众提供客观严谨的科学新闻的出版物。如今，《科学新闻》杂志的使命依然没有改变，始终以“传播育人”为己任，继续将各个科学领域的重要发现传递给公众。

《科学新闻》杂志由优秀的团队撰写、编辑和设计，面向科学爱好者、希望更深了解前沿科学成果的学者，以及时刻关注其他领域发展的科学家。

数学的核心追求，自然是解决问题。牛顿发明了微积分，因为他要描述一个动态世界，一个行星环绕、流体动静的世界。欧拉花了大量精力去思考，试图理解质数在自然数领域内的分布情况。哪怕是高中学生，在几何课堂中，也要学习证明毕达哥拉斯定理的种种技巧。

    研究人员和工程师发明新的技术去解决问题时，也同样迫切。他们的思想比较贴近实际，考虑的是可见的结果。他们在现实世界中发现一个问题——比如说，缺乏可靠的运输方式或者燃烧化石燃料带来的污染——然后找到方法解决。他们必须了解时间和资源带来的局限、人们的偏好和行为，但是      他们通常也必须实现来自更“纯粹”的数学实践中的想法、规则和运算。

    所以，本书将数学和技术加以集合是非常合适的。虽说这两个方面看上去可能差别很大，但是它们有着共同的目标，还经常互相交互、互相促进。就拿机器人学来说，本书有一整章来讨论这个主题。约翰·霍普金斯大学的工程师希望建造能在人体内输送药物的自折叠机器人，他们向一位布朗大学的数学家请教，要他帮忙找出精简的二维形状。不管机器人是被设计成像蛇一样爬行还是和着迈克尔·杰克逊“战栗”（Thriller）舞曲而起舞（见本书相关章节介绍），它的每个行动都是由精细的数学操作序列（也就是算法）定义的。

    近上了头条的技术发展也依赖于数学。人脑计算机界面需要理解神经基质，并对神经活动进行复杂的计算分析。光学也是数学成分很大的领域，它的进步让我们能制造更新、更好的数码相机。说到量子计算机和现有的计算机，它们的数学根源其实一样。反过来，技术也能帮助数学。一些科学家和学生使用3D打印创建物理模型来为分形模式和拓扑学的学习提供帮助。

    在描述现实上，数学一直特别有用，无论我们要描绘的是行星行动、城市特性，还是生命的起源，都离不开数学。有人甚至相信，现实产生于数学规则。汤姆·希格弗莱德在一篇关于细胞自动机的文章（本书有收录）中写道，那些前卫的思想家们不再把世界看作一架机械钟（如同牛顿时代所认为的）或者是一台蒸汽机（如同19世纪物理学家所看作的）。他写道，“如今不少科学家把自然看作一台计算机”。

    如果说数学为我们提供了对现实的描述，技术就是我们改造现实的好手段。卫生、能源生产、通信等方面的进步，改善了全世界人们的生活。陶哲轩发表他对埃尔德什差异问题的证明后所说的一段话，既能用在他的数学成就上，也能用在技术进步上：“解决这样一个问题的过程，通常会为解决其他更复杂的问题提供一些技巧。”

美国《科学新闻》杂志社（Science News）

2017年1月

 “如果说数学为我们提供了对现实的描述，技术就是我们改造现实的*好手段。”

——美国《科学新闻》杂志社（Science News）

  “随着科学家们对物质的深入研究，人类将有更多操纵和创造物质的可能性。”

——美国《科学新闻》杂志社（Science News）

撞击激发出强子对撞机内物质的古怪行为

粒子的协调运动使理论学家百思不得其解

安德鲁·格兰特

    在世界强劲的粒子加速器中，亚原子粒子会表现出古怪的行为，这也许可以引导我们对超微尺度超高能量下物质的行为有一个全新的认识。

    通常，日内瓦大型强子对撞机（LHC）会使亚光速质子相互碰撞。在2012年9月的几个小时里，机器将质子撞进由82个质子和126个中子紧紧捆成一体的铅核中。这只是一项为将来实验而校准仪器的试运行。

    但是当科学家用紧凑μ子线圈（CMS）分析数据后，他们很快发现有什么出了差错。当一个质子和铅核碰撞，它们会四散成更小的粒子。每片霰弹的运动本应是随机的，一个粒子的运动方向应当与其他粒子没有关系，但是，在这次对撞中，粒子的方向倾向于相互联系，甚至看起来相距甚远的粒子也在相互协调轨迹。

    “这是我们在LHC中观测到的意想不到的成果之一。”麻省理工学院暨CMS团队成员巩特尔·罗兰说道。研究团队打算将不对这个奇怪的行为做任何解释，而直接发表在近的《物理快报B》上。但是罗兰表示其他物理学家或许可以想出一些点子。

    一种可能性是高热量和高密度的撞击环境使部分物质液化了。2005年，在纽约布鲁克黑文国家实验室，物理学家用相对论重离子对撞机将金原子核轰击到一起。科学家次观察到了液体般的物质新相——夸克胶体等离子态。由于夸克胶体等离子体像液体一般流动，在LHC观察到的现象可能是等离子冷却时从外边缘涌出的粒子产生的。

    布鲁克海文的物理学家拉朱·
温卢勾普兰（Raju Venugopalan）
和凯文·杜斯林（Kevin Dusling）提供了一个选择：粒子实际上是会相互影响对方的运动的。如果是真的，这将会是量子力学的表现。量子力学是统治超小尺寸的物理学原理。科学家提出将质子约束在一起的微小胶子粒子，在以接近光速运动时可以形成场。这种场使不同质子中的胶子可以相互作用，互相影响。本质上，温卢勾普兰和杜斯林声称，在恰当的条件下，一些粒子可以不再表现为孤立的物质碎片，而更像是一个协同一致的团队。

    并不属于CMS团队的杜克大学物理学家伯恩特·米勒偏向于夸克胶体等离子体理论，因为它更简洁。他同时建议，如果理论被证实是正确的，将帮助物理学家更好地理解规律，同时诠释了在大多数条件下物质行为的古怪规律。物理学家希望更多地学习夸克胶体等离子体，因为他们相信，在宇宙大爆炸后的百万分之一秒内所有的物质都处于这种状态。

    但是这两种解释都有漏洞。罗兰指出质子－铅核对撞应该不足以产生夸克胶体等离子体那样的条件。而温卢勾普兰和杜斯林的预测则仅仅在理论是可能的，从未被实验证实。

或许可以快速地找到谜团的解决方案。2013年1月，LHC再次用质子轰击铅核。这次，实验将持续数周，应该可以为团队提供足足超过十万次的数据， 来决定谁的解释站得住脚。