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霍金的派对：从科学天地到数码时代 [:1707629792]
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霍金的派对：从科学天地到数码时代 地震与互联网(1)
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网络时代让许多普通人有机会体验一些在现实社会里不易获得的身份——比如“作家”在现实社会里曾是让文学青年们仰视的身份，而在网络时代，只要在网上发表些文字便可体验甚至自称这种身份；比如主持任何层级的机构或组织在现实社会里都是需要资格甚至手段的，而在网络时代，只要开一个博客你就是“博主”。
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我也有一个这样的身份，叫做“站长”——因为我建了一个网站：http://www.changhai.org/。
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说起来，我这个身份还算比较“隆重”的，因为比起点几下鼠标就能现成得到的博客来，我的网站毕竟是亲自编程“白手起家”的。相应地，在当“站长”之初的若干年里，我对它的心理投入也比较大，每天关注着留言数量、点击数之类的东西，甚至达到了影响自己心情的热切度。
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结果有一天，我打开电脑，发现留言和点击数剧减，我的心情遂大为低落，四处寻找原因，最后得知是联系亚洲和北美的海底光缆出了问题，致使我的网站访问不畅。像这种互联网畅通与否的问题是科学家和工程师们共同关注的——当然不是为了体谅我这种小虾米级“站长”的心情，而是因为现代社会在方方面面都对互联网有着极强的依赖性，很多大公司老总的心情也跟其畅通与否有着密切关系。
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能影响互联网畅通的因素中最不受人类控制的就是天灾，其中较常见且波及较广的天灾则是地震。比如2006年的台湾地震就损毁了多处海底光缆；2011年的日本大地震则损毁了日本电信电话株式会社（NTT）数以千计的设备及数以万计的线路。让互联网能尽可能抵御地震，也因此成为了科学家和工程师们的努力目标。
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这种努力主要体现在两个方面：一个是局部的，目的是使互联网的硬件尽可能具备抵御地震的能力，比如将设备机动化（这比固定设备更容易抵御或躲避地震），或辅以卫星及无线技术等；另一个则是全局的，目的是使局部的硬件损毁尽量不影响或少影响全局功能。
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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。
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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。
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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。
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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。
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(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）。
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霍金的派对：从科学天地到数码时代 [:1707629793]
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霍金的派对：从科学天地到数码时代 地震波里的“隐形衣”(1)
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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）。
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但是，像隐形衣那样的东西真有可能实现吗？
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。