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2013年12月14日，一个值得铭记的日子，中国“嫦娥三号”月球探测器在月球表面软着陆成功。次日，“玉兔号”月球车缓缓驶出，在月面的尘埃中留下了一串车辙印。距此44年前的1969年7月20日，另一个值得铭记的日子，美国“阿波罗11号”（Apollo 11）的宇航员登月成功，在月面的尘埃中留下了一串脚印。比那更早11年的1958年，在一个无人记得的日子里，美国作家阿西莫夫（Isaac Asimov）发表了一篇题为《岁月的尘埃》（The Dust of Ages）的短文，对月面上几十亿年累积的尘埃数量进行了估算，结论是尘埃厚度约为几十英尺（约十米以上）。阿西莫夫据此想象：人类第一个登月航天器将会在月面的尘埃中遭遇“没顶之灾”。
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阿西莫夫错了。
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但那是一个可以原谅的错误。因为它比人类最早的月面软着陆（1966年）早了8年，无事实可鉴，所凭借的数据本身也有着时代局限。而且，我们都难免会受地球经验的影响。在地球上，尘埃的数量是惊人的，且无处不在：一束射入房间的阳光，就能照出飞舞的尘埃；一个几天不扫的房间，就会蒙上薄薄的尘埃；更不用说让人越来越头疼的“沙尘暴”和“雾霾”了。
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不过，地球尘埃虽无处不在，我们对它的了解其实仍很有限。比如长期以来，人们一般认为室内的尘埃大都来自人类或宠物的毛发和表皮细胞、地毯及家具表面的脱落物、昆虫尸体及其分解物等。这些都产生于室内。但2009年，美国亚利桑那大学（University of Arizona）的几位科学家在用计算机模拟等手段对尘埃扩散进行研究之后却提出，室内的尘埃约有60％是来自户外的。看来，就连这样一个用福尔摩斯的话说该是很“初等”（elementary）的问题，其答案也是有争议的。这项研究看似冷门，若被证实，却是可以有很多应用的，比如由于其对尘埃扩散的分析具体到了各种成分上，因而对控制特定类型的尘埃可能会有所助益。此外，若室内的尘埃果真约有60％来自户外，那么遇到“雾霾”时恐怕不是在家里“躲猫猫”就可以高枕无忧的。
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尘埃不仅存在于行星、卫星等固态天体的表面上，也普遍存在于太空中。比如在暮色或晨曦中有时可以见到的所谓“黄道光”（zodiacal light）就是阳光被太空中的尘埃散射所形成的。不过，科学家们对那些尘埃的具体来源也有一定的争议。与地球上的尘埃令人讨厌不同，太空中的尘埃乃是组成行星的原料——当然，也是组成我们这些小小生物的原料。那些原料中的重元素乃是在恒星内部炼制出来的，因而某些太空尘埃有一个很浪漫的名称，叫做“星尘”（stardust）。从某种意义上讲，我们都是“星尘”的后裔。
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尘埃的重要性还体现在另一个很重要的方面，那就是蕴含着有关环境的重要信息。比如房间里某些久不被打扫的尘埃有可能蕴含着房间内外环境变迁的信息，而太空中的尘埃因更长时间无人“打扫”，往往如化石般蕴含着远古环境的信息。这后一点引起了科学家们的浓厚兴趣。作为这种兴趣的体现，2013年9月7日，美国国家航空航天局（NASA）发射了一个“月球大气与粉尘环境探测器”（Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer，LADEE），旨在对月球附近空间里的尘埃进行研究。“嫦娥三号”登月之后，美国国家航空航天局的月球探索分析组（Lunar Exploration Analysis Group）主席帕雷斯卡（Jeff Plescia）曾担心“嫦娥三号”着陆过程中喷射出的气体及激起的尘埃有可能干扰“月球大气与粉尘环境探测器”的工作。但另一些专家——比如美国加州大学洛杉矶分校（University of California，Los Angeles）的天文学家里奇（Michael Rich）——则表示，那非但不是干扰，而且还能为“月球大气与粉尘环境探测器”提供独特的研究机会，因为“嫦娥三号”喷射出的气体的成分是已知的，很容易区分，相反，通过观测那些气体及着陆过程中激起的尘埃在月球附近空间的扩散，人们可以获取有关月球附近空间里尘埃分布的额外信息。看来，“嫦娥三号”对“月球大气与粉尘环境探测器”究竟有何影响也是一个有争议的问题。
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也许，唯一没有争议的是：尘埃是一个在很多方面都值得研究的课题。
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(1) 本文发表于《科学画报》2014年第2期（上海科学技术出版社出版）。
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霍金的派对：从科学天地到数码时代 [:1707629776]
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霍金的派对：从科学天地到数码时代 挑战轮盘赌(1)
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轮盘赌（roulette）是一种很流行的赌博方法，通常被认为是起源于18世纪的法国，也有人将之推前到17世纪，归“功”于概率论先驱帕斯卡（Blaise Pascal），认为是他在研究永动机时妙手偶得的。
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轮盘赌的玩法十分简单，一个转盘被分为若干格——通常为欧洲37格，美国38格，由玩家猜测射入转盘的小球“花落谁家”（停在哪个格子），猜对了赌场以35∶1的比率赔钱给玩家。简单的计算表明，玩家的赢率（即赢钱数量的期望值与所压本钱的比率）在欧洲和美国分别约为-2.7％和-5.3％。赢率为负意味着只要玩得足够久，玩家是注定要输钱的，这当然是完全“合理”的，因为赌场正是靠这个维生。除猜测具体格子外，轮盘赌也有其他玩法，比如猜测小球停在转盘的哪一半——当然，那赢率也是负的。
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这些赢率计算有一个前提，那就是小球停在哪个格子是随机的。这一点并非很容易做到。比如1873年，有玩家对蒙特卡罗大赌场（Monte Carlo Casino）的轮盘赌进行了五个星期的细致观察，结果发现了系统偏差，并因此赢得了约65000英镑——在当时是不小的数目。不过，只要制作和调试足够仔细，系统偏差是能被有效除去的。
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除去了系统偏差，玩家若还想系统性地赢利，就得通过推算小球的运动，来发掘随机性背后的规律。这从游戏规则上讲倒是可能的，因为轮盘赌允许玩家在开球之后才下注，从而有机会观察推算小球运动所必需的初始条件。不过在这方面，赌场也做了防范，使小球在停下之前经历多次碰撞，以确保其运动具有所谓的混沌性。而混沌性的基本特点是：初始条件的细微变化就能导致截然不同的后续运动——对轮盘赌来说就是小球停在截然不同的格子里。由于玩家对初始条件的观察总是有误差的，从而也就不可能推算出它停在哪个格子。轮盘赌的这一特点被法国科学家庞加莱（Henri Poincaré）写入了名著《科学与方法》（Science and Method）中，成为混沌现象的经典例子之一。
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两条路都被堵死，看来玩家只能“愿赌服输”了。但一些科学家却不甘心，仍要挑战轮盘赌。
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1967年，一位名叫艾普斯坦（Richard Epstein）的数学家发表了一组计算与实验混杂的结果，宣称能推算出小球落在转盘的哪一半。但他的实验是在自己家中而非赌场进行的，且因计算手段所限，无法实时推算，更不能实地检验。1969年，美国数学家索普（Edward Thorp）则在一篇论文中指出，只要轮盘赌的转盘有0.2°的倾角，他就能通过对小球运动的推算达到约15％的赢率。索普并且披露，他的研究是跟信息理论之父香农（Claude Shannon）合作进行的。不过，索普的论文并未给出数学细节，从而虽然拉上香农作大旗，也并不能使人信服。1977年，当时还是研究生的美国物理学家法默（Doyne Farmer）伙同几位朋友也对轮盘赌展开了研究，并逐渐深入，不仅成为混沌理论专家，还将混沌理论应用到了金融领域，成为该方向上的早期探索者。
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这类挑战断断续续进行着，虽未取得太可信的战果，却不时激励着新的研究。2012年，澳大利亚西澳大学（the University of Western Australia）及香港理工大学（the Hong Kong Polytechnic University）的数学家斯莫尔（Michael Small）等人也加入了挑战行列，并在美国物理联合会（American Institute of Physics）的《混沌》（Chaos）杂志上发表了论文。
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读者也许会觉得奇怪，轮盘赌的小球运动既然是混沌的，科学家们为何还“前赴后继”地进行挑战？是庞加莱搞错了，小球运动并非混沌吗？不是。那些科学家的所谓推算其实是只针对部分环节的。比如斯莫尔等人的推算只针对小球碰撞之前的运动，那部分运动不是混沌的。通过对那部分运动的推算，斯莫尔等人可以判断出小球初次碰撞的位置，虽然此后的运动仍只能被视为随机，但斯莫尔等人表示，他们已可获得18％以上的赢率。
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斯莫尔等人的论文也有一些显而易见的缺陷，比如未曾阐述对碰撞之后的随机运动的处理，也未考虑摩擦及小球自转等因素。不过，若他们的思路有效（哪怕效果没有18％那么显著），或存在改进空间，那么与之相应的应用软件的问世应该不会遥远。至于推算小球运动所必需的初始条件，则可以通过谷歌眼镜之类的增强现实技术来获取(2)。也许在不远的将来，戴着谷歌眼镜的玩家会横行赌场，向轮盘赌发起面对面的挑战——当然，“道高一尺，魔高一丈”，赌场也不会坐以待毙。
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(1) 本文发表于《科学画报》2013年第11期（上海科学技术出版社出版）。
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(2) 对增强现实技术感兴趣的读者可参阅拙作《从涂鸦到增强现实》——已收录于本书。
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