1707630711
1707630712
在后一方面的努力中，传统的研究是着眼于互联网的拓扑性质，因为它在很大程度上决定了局部的硬件损毁是否会影响全局。比如互联网上两个结点的连接是否会因局部线路的损毁而中断，就跟它们之间线路的多少有关，线路越多，就越不容易中断（因为损毁的线路可通过绕道由其他线路弥补）。这种只跟线路的数目有关，而与其长短、形状等无关的性质就是典型的拓扑性质，研究这种性质的典型数学工具则是拓扑学（topology）和图论（graph theory）等。
1707630713
1707630714
不过最近，日本电信电话株式会社的研究者斋藤洋（Hiroshi Saito）尝试了一个新的研究角度。斋藤洋认为，仅仅研究互联网的拓扑性质是不够的，而必须把像线路的长短、形状那样的几何性质也考虑进去。利用这一新角度，斋藤洋得到了一些以往的研究未能涵盖的结果。比如他发现：锯齿形线路的“锯齿”越小，与地震区域（即地震中破坏力大到一定程度的区域）相交的概率就越小；在环状线路的内部增加线路并不会减小它们所连接的结点因地震而中断连接的概率。斋藤洋所采用的数学工具是一个因研究“几何概率”而兴起的分支——积分几何（integral geometry）。斋藤洋并且进行了一些数据模拟，初步验证了他所得到的结果。
1707630715
1707630716
斋藤洋所尝试的这一新角度是不无意义的，因为互联网抵御地震的能力确实并不仅仅取决于拓扑性质，而与像线路的长短、形状那样的几何性质也有密切关系。比如拿前面提到的线路越多，两个结点的连接就越不容易中断这一结果来说，它显然跟线路的长短有关，假如所有线路的长度都远小于地震区域的大小，那么所有线路就很可能会被“一锅端”，由单纯拓扑性质所得到的结果也就不再适用了。
1707630717
1707630718
当然，斋藤洋的研究还很初步，并还存在显著的局限性，比如他假定了地震区域是单一区域，并且形状是“凸”（convex）的，这当然是明显的理想化——因为实际的地震区域由于具体地形的影响，不仅未必是“凸”的，甚至有可能是由几块区域组成的。这些有待进一步研究。另外，互联网的畅通与否还取决于像流量那样的非几何因素——比如两个结点之间哪怕并非全部线路都中断（从而理论上仍是连接的），仍有可能因剩余线路无法承担流量而瘫痪。这些则超出了斋藤洋的研究范围。
1707630719
1707630720
(1) 本文发表于《科学画报》2014年第6期（上海科学技术出版社出版）。
1707630721
1707630722
1707630723
1707630724
1707630725
霍金的派对：从科学天地到数码时代 [:1707629793]
1707630726
霍金的派对：从科学天地到数码时代 地震波里的“隐形衣”(1)
1707630727
1707630728
1707630729
1707630730
1707630731
小时候看《西游记》，对孙悟空的隐身法印象颇深。后来在英国作家威尔斯（H．G．Wells）的小说《隐形人》（The Invisible Man）中看到了对隐身法的具体设想，即通过使自己透明而隐身。不过，那透明倘是如玻璃那样的话，将会对光线产生复杂的偏折，从而起不到完全的隐身作用。再后来，或许是更富科技色彩之故，能让人隐身的外部设备——比如隐形衣——受到了青睐，就连《哈利·波特》（Harry Potter）那样的玄幻小说都引进了所谓的隐身斗篷（cloak of invisibility）。
1707630732
1707630733
但是，像隐形衣那样的东西真有可能实现吗？
1707630734
1707630735
要回答这个问题，必须知道我们是如何看到物体的。简单地说，我们是通过眼睛接收物体发射或反射的光线——确切地讲是可见光——而“看”到它们的。由此不难推知，物体隐形的条件是不能发射或反射光线。但仅仅这样还不够，因为那样的物体依然会因阻隔光线而投下影子，并遮挡背后的东西，这同样会暴露其存在。因此，隐形衣要想实现，必须让光线毫无反射地绕行，且在绕行之后要如未曾绕行过那样恢复前行，以便不阻隔光线。
1707630736
1707630737
这是相当苛刻的要求，无论天然还是传统加工的材料都无法满足。传统上，光学材料的性质取决于微观和宏观这两方面的结构，其中微观结构决定了折射率等基本参数，宏观结构（比如形状）则决定了对光线的具体影响（比如会聚、发散等）。在这两方面中，传统加工在宏观方面颇有水准，在微观方面的能力却极为有限，因此有很多东西无法实现，隐形衣就是其中之一。
1707630738
1707630739
但是，近年来人们找到了一个新的努力方向：通过在小于光波波长、但比原子分子大得多的尺度上操控材料结构来改变其性质。这是一个介于上述微观与宏观之间的尺度。对于可见光，这一尺度约为几十纳米（nm），是今天的纳米技术在一定程度上已能操控的。另一方面，理论和实验研究均表明，这一尺度上的结构能对光学材料的性质产生巨大影响，由此加工而成的材料被称为超材料（metamaterial），它在光学中开启了一个全新领域。在这一领域中，隐形衣的实现变得大有可能了。1996年，美国杜克大学（Duke University）和伦敦帝国学院（Imperial College）的科学家们在这方面迈出了重要的一步，用超材料制成了一个在特定微波波段具有一定隐形功能的小器件。
1707630740
1707630741
但更重要的是，超材料这一概念以及隐形衣这一应用并非只能针对光波，而是对其他波也有一定的适用性。这其中很受关注的一种波是地震波。众所周知，地震是一种“大规模杀伤性”灾害。在地震的巨大破坏力中，地震波乃是重要因素。假如有一种“隐形衣”，能让建筑物在杀气腾腾的地震波里“隐形”，那岂不就是一种极好的抗震手段？这个巧妙的想法引起了一些科学家的兴趣。与光学隐形衣需要纳米技术不同，地震波的波长是宏观的，因此针对地震波的“超材料”或“隐形衣”可以通过宏观的结构——比如在建筑物周围建一些圆柱状的地下结构——来实现，而且“隐形”也无需很严格，只要能将地震波引开即可。
1707630742
1707630743
2009年，英国利物浦大学（University of Liverpool）的科学家用数值方法模拟了地震波里的“隐形衣”，并得到了正面的结果。2013年，几位法国科学家将这类研究由理论及模拟转为了实验。他们在一片冲积盆地上实际建造起了针对频率为50赫兹的地震波的“隐形衣”。这“隐形衣”的结构简单得出人意料，只是以点阵方式排布的一系列直径约0.3米、深约5米的垂直孔洞。为了检验“隐形衣”的效果，他们用人工方式产生了频率为50赫兹的地震波，结果发现这种结构确实能阻止地震波接近建筑物。
1707630744
1707630745
不过，这些结果无论是理论、模拟还是实验，距离真正地震——尤其是大地震——的考验还差得太远。首先是这些“隐形衣”往往只对特定频率的地震波才最为有效，而真正地震中的地震波频率是多种多样的。其次，像上述法国科学家所用的以点阵方式排布的孔洞在真正的大地震中本身就是不堪一击的东西，这跟光学隐形衣中隐形衣本身不会被光线所破坏是完全不同的，这些显然都有待于进一步的研究或改进。
1707630746
1707630747
(1) 本文发表于《科学画报》2013年第8期（上海科学技术出版社出版）。
1707630748
1707630749
1707630750
1707630751
1707630752
霍金的派对：从科学天地到数码时代 [:1707629794]
1707630753
霍金的派对：从科学天地到数码时代 现实与幻想(1)
1707630754
1707630755
1707630756
1707630757
1707630758
每个人小时候大概都有过一些关于未来的畅想，小则畅想自己或家庭的未来，大则畅想技术或社会的未来，有的是自发的想象，有的则是为了完成老师布置的作业。
1707630759
1707630760
我以前很喜欢表达的一个的观点是：技术的发展往往比人们的幻想更为迅速。回顾历史时，我们可以轻易找到那样的例子，在其中人们对未来的预言或断言远远落后于真实的技术发展，以至于显得幼稚无知、保守可笑。比如当人们用将近18000个真空管造出了重达30吨的第一台通用计算机ENIAC后。美国的《通俗机械》（Popular Mechanics）杂志作出了一个“大胆”预言：未来的计算机也许只需要1000个真空管，质量只有1.5吨。而事实上，仅仅十几年后，真空管就基本退出了计算机舞台；而半个世纪后，就连质量仅百余克的掌上电脑的综合功能也远远超过了昔日的庞然大物。又比如著名物理学家开尔文勋爵（Lord Kelvin）——即那位指出过经典物理学天空中的两朵“乌云”的汤姆孙（William Thomson）——曾在1895年宣称：比空气重的飞行器是不可能的。而事实上，仅仅8年之后，莱特兄弟（Wright brothers）就把飞机送上了天空。还是那位勋爵，又在1897年宣称：无线电通信没有未来。而事实上，也是仅仅8年之后，无线电通信就开始在军事上得到了应用。还有一个常常被提到的例子，是电影业先驱、美国华纳公司（Warner Bros．Entertainment，Inc.）的创始人华纳（Harry Warner）曾在有声电影问世前夕嘲笑说：哪个该死的想听演员讲话？他显然没有想到，未来会有一批被称为“追星族”的人，他们最爱听的就是演员讲话。