让蟑螂进化,索尔维会议

图片 1马库斯·杜·桑托伊(Marcus du Sautoy),牛津大学数学教授,数学节目主持人和作家。2008 年,桑托伊成为牛津大学的西蒙尼公众理解科学教授(Simonyi Professorship Chair for the Public Understanding of Science),他的前任是《自私的基因》的作者、以批判宗教著称的演化生物学家理查德·道金斯(Richard Dawkins)。捐赠这一职位的亿万富翁查尔斯·西蒙尼(Charles Simonyi)表示,设置“公众理解科学”这一教职的目的,是为了“让大众欣赏到科学抽象世界与自然世界隐藏至深的秩序与美妙;与大众分享科学家与难题相对时的激动与敬畏;让大众感受科学家在富丽堂皇的科学殿堂中自惭形秽的心情。当大众可以充分理解科学,察觉到科学的秩序与美妙时,他们也能将自己的日常生活与科学联系起来”。

自然界中存在着这样一群“小强”,它们能“抵制”糖分诱惑,从而绕过灭蟑螂药的陷阱。现在,科学家终于弄清了这其中的神经科学原理。美国北卡罗来纳州立大学的胜又凌子(Ayako Wade-Katesumata)等3位研究者,昨天在《科学》杂志上论述了他们的研究,对于这群厌葡萄糖小蠊而言,葡萄糖会触发苦味感受器,且作用强烈。

(文/大卫·萨尔兹保)下面这张照片正是本集中出现的那张,它记录了1911年召开的索尔维会议,会议内容与放射性和量子理论有关。

桑托伊正是这样一位在数学和公众之间架起桥梁的数学家。他在《泰晤士报》和《卫报》开设专栏,出版了多部大众数学书籍,还参与制作了很多科学电视节目。桑托伊主讲的BBC专题记录片《数学的故事》(The Story of Maths),在中央电视台播出时也深受中国观众的喜爱。

“这让厌葡萄糖小蠊在测试中‘闭着嘴’从葡萄糖所在的位置跑走。”研究者科比·舍尔(Coby Schal)评论说。不仅如此,如果硬塞葡萄糖给厌葡萄糖小蠊吃,它们就会把葡萄糖吐出来,跟小孩子吐难吃的药一样。

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研究测试的是一种叫德国小蠊(Blattella germanica)的蟑螂。灭蟑药中的玉米糖浆同时含有葡萄糖和果糖,厌葡萄糖小蠊也就因此不会被灭蟑药引上钩。不仅如此,即使没有蟑螂药,只是单纯的葡萄糖,在厌葡萄糖小蠊尝起来也是苦的。“我们只能从蟑螂的特定神经元的行为和活动中得知它们的感觉,”科比·舍尔在接受果壳网采访时说:“纯葡萄糖对厌葡萄糖蟑螂的味觉表现是‘苦’的。”而对于正常的蟑螂而言,它们不仅乐意吃果糖,也愿意吃葡萄糖。

1911年首届索尔维会议照片。 站者(从左至右):罗伯特•古德施密特、马克斯•普朗克、海因里希•鲁本斯、阿诺•索末菲、弗雷德里克•林德曼、莫里斯•德布罗意、马丁•努森、哈森诺尔、乔治斯•豪斯特莱、爱德华•赫尔岑、詹姆斯•金斯、欧内斯特•卢瑟福、海克•卡末林•昂内斯、阿尔伯特•爱因斯坦、保罗•朗万之。坐者(从左至右):沃尔特•能斯特、马塞尔•布里渊、欧内斯特•索尔维、亨德里克•洛伦兹、埃米尔•沃伯格、让•皮兰(看书)、威廉•维恩(笔直坐着)、玛丽•居里、亨利•庞加莱。

我就是科学王国的大使

果壳网:你是牛津大学的“公众理解科学”教授,这是一个怎样的职位呢?

桑托伊:捐赠这个职位的西蒙尼博士是道金斯的超级粉丝。他希望可以帮助道金斯获得一些自由时间,让道金斯去做他最擅长的事情:和大众分享科学的精彩。我觉得西蒙尼设置这个职位是一件非常有远见的事情,他意识到要让社会和科学家进行对话的重要性。科学家的工作对社会的影响力太大了,其中一些还可能在开始时让大众恐慌,比如转基因作物、干细胞研究,还有一些对抗气候变化的想法。只有在理解科学的前提下,才可以做出一个完整的决定,才能在了解事实的基础上进行政治辩论。如果你连“干细胞”是什么都不知道,你怎么决定科学家是否有权利进行这个研究呢?

大众对科学都感觉很陌生,科学世界对他们就像是一个遥远的国家,有点像英国人对中国的感觉,是另一种完全不同的文化。我觉得我就像科学王国的使者,向公众解释科学家的工作,告诉大家科学的重要性。

果壳网:上一任“公众理解科学教授”是理查德·道金斯,他以批判宗教与伪科学而著称。但你并不经常批判这些,你比道金斯要温和得多。

桑托伊:是的。我的首要任务是制造沟通的桥梁, 大家可能觉得这和道金斯的方式有一点不同。我想要进行正面的积极对话。进化论已经有了许多证据,但人们还在争论其真伪,这确实很匪夷所思,因此道金斯有这种攻击的姿态也很正常。数学的好处是真相是可以证明的,而且这种证明很难通过辩论来推翻。所以某种意义上,我的位置更坚固一点。(笑)

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和道金斯不同,桑托伊认为应该把讨论的重点拉回到科学本身。他说:“讨论科学更有趣一些。”​ 图为桑托伊主持的专题纪录片“The Code”。来源:BBC

果壳网:你觉得哪一种方式更适合传播科学?

桑托伊:(停顿了大约两秒)如果我也需要摆起攻击的姿态,我并不害怕这么做。不过,如果理解别人的出发点,可能更容易说服他们。在去年的犹太教书展之周的活动里,我和首席拉比(注:英国犹太人教会领袖)有一个积极并有趣的交流。他也是那种希望沟通交流的人。他写了一本非常有趣的书,叫《科学与宗教,伟大的同伴》。科学与宗教有相同的地方,感兴趣的问题也很相似:我们从哪里来?世间万物为什么存在?我们将往哪里去?有没有另一个世界?所以我觉得我们是可以进行积极辩论的。

果壳网:你认为宗教是文化的一部分。那么,宗教里那些被科学批判的部分,是否也应该成为大众知识,或者进入文化教育?

桑托伊:(停顿了5秒)对宗教必须格外小心,因为它是一种群体划分,是人们生活中的文化背景。完全屏蔽宗教并不可行。宗教也有其美妙的地方,许多艺术也来源于宗教。更重要的是,宗教也触及到许多科学家感兴趣的问题,这些问题哲学家也同样感兴趣。所以我觉得,理解我们这一方面的文化依然很重要。不过作为一个科学家,我也不认为宗教的所有成分都很重要。虽然科学与宗教感兴趣的问题很相似,但科学已经大步前进了许多。那些基于宗教基础而创作的艺术品,你只会去欣赏一下而已。

果壳网:你曾说过自己的宗教是阿森纳。

桑托伊:我说“阿森纳是我的宗教”是句玩笑话。当我从道金斯手中接下这份工作时,许多人都来问我关于宗教的问题,而我真的很想把自己和这些宗教争论相隔开来。说 “足 球是我的信仰”,这确实比较投机取巧。和宗教一样,我的足球俱乐部也是这么一个联系众人的工具。

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桑托伊说,“我喜欢阿森纳球队还有另一个原因,这支球队的踢法非常数学。冷静的剖析中又倾注着激情,这使我看球赛时总是非常感动。”来源:people.maths.ox.ac.uk

果壳网:是什么让你对科学传播产生了兴趣?公众理解科学教授职位这份工作吸引你的地方又在哪里?

桑托伊:当我还是个孩子的时候,我参加了英国皇家科学院的圣诞演讲。那是1978年,皇家科学院史上第一次进行数学圣诞演讲。一个数学家花费他本可以用以研究的时间,来告诉孩子们数学有多美妙,这使我对数学产生了兴趣。2006年,我也得到了这个机会,被皇家科学院邀请去做圣诞演讲。有100万观众观看了这个数学节目的直播。我也以此回报了那些曾经激励我学习数学的前辈。如果希望我们的下一代还能有科学家和数学家,那我们便必须肩负起向下一代传播科学的任务,这是科学家的责任。

我从事科学传播很多年了。一开始我是学校的数学研究人员,会花时间与世界各地的数学同仁讨论,但那毕竟是个很小的圈子。后来我得到一个机会给《泰晤士报》写文章,那次之后,我意识到我可以通过文字或电视去接触大批观众,制造很大的影响。

英国工程和自然科学研究委员会(Engineering and Physical Science Research Council)设立了一个叫“高级媒体研究员”的职位,我也得到过那份工作。研究委员会称:我们需要那些进行科研工作的顶尖科学家花时间来和媒体、社会与政府交流,告诉大家科学的重要性。他们认为这是科学家工作中非常重要的一部分。

捐赠我现在这个职位的西蒙尼也写过一则声明,他说:我要一个正在进行科研工作的人,他必须热爱科学与科研工作,而这个职位可以让他继续从事这项工作。这正是我申请这个工作的原因——我想要继续研究数学,而我也想要一个更大的平台去告诉大家:为什么科学和数学很重要、很精彩,也很美丽。

图片 5研究者观察了蟑螂的舌头和两个唇鬚在不同食物刺激下的变化。当给这群厌葡萄糖小蠊吃葡萄糖时,它们舌头上的甜味和苦味感受器都产生了相应的电生理反应。但是,同样存在于灭蟑药中的果糖,就只会刺激厌葡萄糖小蠊的甜味感受器。图片来源:勝又綾子(Ayako Wade-Katesumata)及Andrew Ernst

与谢耳朵不同的是,我没有对这张照片做任何处理。但这并不能说明别人没对这张照片做过手脚。不知你是否留意到那位满脸白胡子并坐在桌旁边的家伙,他就是这次会议的发起人——比利时实业家欧内斯特•索尔维(Ernest Solvay)。当时,索尔维没时间拍照,他的头像是PS上去的。

数学也会形成文化差异

果壳网:你在中国拍摄了《数学的故事》。你怎么看中国的数学和教育?

桑托伊:在去中国之前,我并不了解中国的数学情况。例如我们有个概念叫“牛顿近似”(Newton approximation),这个在中国是在牛顿之前就发现了的。古代中国已经有问题集的书籍,探索了一些联立方程等的数学概念,第一个幻方出现在龟背上等等。这些有意思的东西以前我都不知道的。中国并不像以前那样在数学上领先于世界了。我去中国参加过国际数学家大会,中国能主办这么一个会议,真的是很重要的,这可以大大促进中国数学的发展。历史上中国已经失去了许多人才,有很多优秀的数学家离开前去美国。但中国已经开始在改变,可以看到越来越多的数学家留在了中国。

我刚刚派3个学生前去中国的学校进行科学传播。我的学生发现,中国学生在解决数学问题上无比优秀,但考试要求之外的东西知道得并不多,这两者之间有一个巨大的断层。我的学生们希望告诉中国学生:数学无处不在。我们做了一个项目,叫“城市里的数学”。中国现在有许多奇妙优秀的建筑,我们试图启发中国学生,这些建筑设计里边都蕴含着数学原理。

果壳网:受科学传播的影响,中国在数学领域出现了许多民科。

桑托伊:是!(转身拍着桌子上一个微波炉大小的箱子)这个箱子里装满了民科们的信件。我收到来自世界各地的许多信件, 不只是中国。你说得对,数学确实可以吸引很多民科。有一个人刚写信给我,我看看我是否这里还有那个草稿(在桌子上翻找),整页整页的解答都是一些奇怪的命理,讲大屠杀和数字 3、4、9之间的联系,然后又是一些历史什么的,全部都是废话。他寄了这么多给我(手指比划大概一厘米厚),但我实在没什么好说的。每个月我都能收到一箱这种东西。

果壳网:你对他们有什么建议吗?

桑托伊:嗯……其实我收到这些信件还挺激动的,这表示我还是影响了许多人。我在纪录片和书里都提到了雷曼猜想,这是一个伟大的尚未解决的质数问题。许多人写信来说:我读了你的书,我觉得我已经想到解决方法了!大多数情况下,他们犯了一些错误,或者他们的知识储备并不足够,但我不会打击任何想要解决这些问题的人。而且,这些问题的解决方法也许会,或者说可能确实将来自一种新的思考方法。我们已经尝试使用过所有我们知道的方法了,所以解决方法将来自圈外人也不是没可能。

我在一些纪录片和《素数的音乐》(The Song of Prime Number)一书里,都讲了一个故事:印度数学家拉马努金来自一个名不见经传的地方,没受过正规的数学教育,他写信给剑桥大学的哈代(G.H.Hardy)说,我想我发现了一些新的东西。哈代以为又是一个类似的民科,正准备把这封信扔进垃圾桶时,突然发现这个印度人好像说到了一些点子上。哈代仔细看了看,发现拉马努金确实是对的。现在,我收到许多人给我写的数学解决方案,我通常都会稍微看一下,也许一些外界人士确实有新的视角。我不想错过这些(大笑)。

 

厌葡萄糖小蠊虽然少了吃到蟑螂药的困扰,但多了找食物的麻烦——毕竟,蟑螂的生活环境大部分情况下是缺少食物的,而不吃含有葡萄糖的食物更是让觅食又多了一重困难。在食物充足的实验室环境下,厌葡萄糖小蠊都相较正常的蟑螂生长的更慢一些。

索尔维不仅是一名家财万贯的实业家,也是一名科学家。他发明的工业氨碱法沿用至今。索尔维制碱法是将海水与石灰石混合,进而产生碳酸钠,也就是我们常说的苏打。苏打可以将水软化,使硬水中的钙离子和镁离子沉淀析出,因此,减少了污垢的形成。相比于碱液的强腐蚀性和危险性,苏打温和的多,它可以用来降低食物的酸性。生产咸饼干时,需要在未加工的咸饼干上涂一层纯碱,这样在烹调时咸饼干就会变成棕色,令人胃口大增。

数学与其他文化的混搭

果壳网:你制作了许多纪录片,哪一部是你最喜欢的?

桑托伊:我特别享受两部纪录片的制作过程。一个是《数学的故事》,我从中学到了好多东西,甚至改变了我做科研的方式。我之前不知道数学史上的许多遗产,对中国、印度和阿拉伯世界的数学发展一无所知。我们以为一切只从古希腊开始,然后突然欧洲就在13世纪接手了。在制作第2集时,我去了中国、印度和北非,那是我最喜欢的一集。

另一个是讲意识的。意识问题是科学里悬而未决的大问题之一,让我意外的是,这个领域的最新进展大部分都来自数学。这是一个科学家需要对话的年代,科学家一起工作也许可以推动更多的科学进展。

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桑托伊主持BBC专题系列记录片《数学的故事》,背景为中国的长城。来源:BBC

果壳网:在制作这些纪录片时,谁定的题目,谁写的文本?

桑托伊:啊,这是一个非常灵活的过程,一个集体合作的游戏。数学研究是一个很孤独很离群的事情,你花很多时间坐在桌子前自己思考。而身处一个团队,大家一起尝试创造电视节目是很爽快的,这也是我很喜欢制作纪录片的原因。脚本的写作基本都是合作完成的。文本也在制作过程不停地演化,这是一个特别美妙和灵动的过程。

用电视媒体呈现数学是一颗很难啃的核桃。如果你想表达天文,这就容易多了,你可以放行星的图片什么的。但数学就复杂多了。每个人对数学都有完全不同的印象。最后我们达成一致,用地理旅行来模拟这个历史行程,这个效果很好。我们去了中国,看到那些灵感最初迸发的地方,在那里加以解释,表现历史过程是一个很好的工具。

果壳网:除了纪录片,你还做过哪些其他类型的科学传播工作?

桑托伊:最近我做了许多关于创造性艺术的工作。我在伦敦林布里剧院进行了四场演出,讲莫扎特的《魔笛》与其中隐藏的数学象征。我还刚写了个数学戏剧,讨论“宇宙的形状是什么?”“宇宙是否是无限的?”“数学是否可以形容事实,两者有隔离吗?”这样的一些宏大问题,全剧只有两个角色,由我和另一个演员担任。我还和一个音乐家合作有关意识的话题,即将登台伦敦巴比肯艺术中心(Barbican Centre)。

戏剧和数学有许多联系。戏剧是一个很魔幻的形式,你可以在那里创造一个新的世界,表现那个世界的含义。数学是关于格式和结构的,这也是创造性艺术所关注 的;另外,数学也有非常创造性的一面,这便可以与艺术联系起来。我的目标是把数学用尽可能多样的形式传递给大众,无论是通过艺术、电视节目,还是书籍、报纸。我也一直在寻求新的方式来传播数学,去探索数学作为一座桥梁,把社会中的不同面联系在一起。

 

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2012 年,桑托伊参加了一个电视真人秀,最终目的是成为皇家歌剧团的指挥,图为这档节目的参赛者在皇家歌剧院的合影。来源:BBC

 

果壳网:在科学纪录片里,你给大众传授数学知识,而在这些创造性艺术里,你更多是激发大家对数学的兴趣,你怎样分配这两者?数学需要逻辑,而逻辑比知识更难普及,你又怎么解决这个问题?

桑托伊:我觉得我的工作是两者的结合。只有让大家理解这些概念,他们才会为此产生兴趣。科学传播的部分作用是增加知识,比如让大家知道质数的重要性——信用卡是采用质数作用密钥才不会被黑客破解。同时,激发大众的兴趣也很重要。纪录片的作用更多是为了激发大家的兴趣。电视节目有时间限制,但你可以吊起大家的胃口,激发他们的兴趣、提高他们的品味,让他们主动更进一步去学习。通过给予大家有趣的新的知识来激发他们的兴趣。

和观众进行逻辑思辨沟通时,需要观众本身进行思考,这不是简单展现一张图片就能完成的。逻辑确实是个问题。我觉得像“数独”这样的游戏很有用,数学跟数独有一点类似。如果你花一些时间去思考,而突然发现:啊,左下角的数字其实是 3 啊!这么一个逻辑思辨的过程实在非常有满足感。而我所做的,其实就是扩大了上千倍的数独,把所有问题连接起来解决成功,也能获得类似的满足感。

果壳网:你做科学传播有特定的对象吗,孩子或是成年人?

桑托伊:嗯,这是一个很有趣的问题。我希望观众的类型越多越好。孩子是我们的下一代,我做了很多面向孩子的科学传播。孩子也是非常好的观众,不会假惺惺地礼貌,如果你的演讲枯燥,他们会马上反映出来。我也喜欢成人观众的复杂,我很喜欢和观众有智力上的交流讨论。我大部分工作的目标观众都是成人。我喜欢将数学和文化混合起来讨论,如果观众懂一点音乐或历史,效果就会更好。

果壳网:如果你可以和历史上任何一位数学家对话,你想和谁交谈呢?

桑托伊:伽罗瓦(Évariste Galois)。他死时只有 20 岁,但他开创了一个关于对称的新的语言,也是我的研究方向,我现在使用的语言是这个年轻人大概 18 岁时创建的(注:指群论)。他刚开始研究数学就做出了惊人的发现。他在世时未受承认,我特别希望告诉他,他的工作对现代数学的影响太大了,世人对他的成果极其欣赏。我感觉他应该也是一个很有趣的人,充满活力,对革命和政治感兴趣。他不只是一个数学极客,他还希望改变他的国家。

果壳网:你最喜欢的数字是什么?

桑托伊:(笑)很多人都问过我这个问题。我最初的反应是:这个问题太奇怪了,我对数字没有偏好,所有的数字都非常有趣!但后来我觉得这个回答太乏味了,我最好还是找一个数字来喜欢一下。所以,现在我确实有最喜欢的数字了——这个数字是 17。

17 是我在足球队里的号码,我个人对这个数字有感情。此外,这是一个费马素数(Fermat prime),边为费马素数的正多边形都可以用尺子和圆规做图,而这是我心目中的另一个英雄——高斯发现的。高斯还是个孩子的时候,发现了如何画一个正 17 边形,他在他的数学日记里记录了下来,这激励他成为一名数学家。另外,我喜欢研究对称,你看墙上的对称图案,比如你去阿兰布拉宫(西班牙格拉纳达城外的宫城),可以看到墙上最多只能有 17 种对称图案。还有美国一种“周期蝉”,它的生存周期是 17 年。梅西安(法国 20 世纪作曲家)在《末日四重奏》里也使用 17 来创造韵律与和谐。

还有一个更有趣的事情。有一次我坐飞机时,发现飞机上没有第 17 排! 这非常奇怪,如果是 13 还可以理解,但 17 有什么问题呢?我在 Twitter 上发了这个问题。飞机着陆时,我收到了许多来自意大利的回复,说:我打赌这个飞机曾属于意大利航空公司,因为 17 在意大利是一个不吉祥的数字!——17 写成罗马数字就是“XVII”,这可以重写为“VISI”,这在拉丁语里意为“我曾经活过”,也就是“我已经死了”。所以 17 在意大利是和死亡联系在一起的。这确实有点意外,但它还是我最喜欢的数字。

 

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果壳网特约作者FujiaC与桑托伊在牛津大学的合影。作者供图。

 

“大部分情况下,基因突变会让物种丧失一部分功能,”舍尔说:“但这次的基因突变却创造了新的功能:让葡萄糖触发苦味感受器。这也让蟑螂有了这个独特的适应性行为。”在人类和蟑螂的斗争中,“这些蟑螂先我们一步”。

索尔维热衷于慈善事业,他将自己的财富献给了科学,为物理界的杰出人士创办了影响深远的索尔维会议。首届索尔维会议于1911年秋天在比利时的布鲁塞尔举办。

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过去的20年中,研究者发现这些厌葡萄糖小蠊在不同地区都有分布,并且这些不同地区的厌葡萄糖小蠊似乎是各自独立地演化出了对葡萄糖的神经层面的一致反应。研究者的猜测之一是,几千年前,当蟑螂与人类在洞穴中共同居住的时候,为了与避免黑胡椒、芥末这些含有葡糖苷的植物接触,就已经发展了和现在的厌葡萄糖基因非常相似的基因。虽然这种基因已经沉睡了上千年,在蟑螂的种群中非常稀少,但灭蟑药这样大的选择压力的出现让这一基因再次浮现。接下来,研究者也将开始调查这种厌葡萄糖小蠊在世界范围内的出现比例。

首届索尔维会议究竟发生了哪些趣闻轶事呢?我曾在亚伯拉罕•派斯(Abraham Pais)所著的《基本粒子物理学史》一书中发现,在首届会议举办之前,欧内斯特•卢瑟福(Ernest Rutherford)刚刚完成了α粒子散射实验,这个实验表明原子内部有一个密度极大的原子核,电子将它包围起来。 卢瑟福在实验中发现,带电的α粒子在轰击金箔后会反射回来,这表明α粒子遇到了一块密集的带电区域。

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文章图片:ibtimes.com;guardian.co.uk;(小图)thinkworks.in

工业界已经开始研究不含葡萄糖的灭蟑药了,但如果现在的灭蟑药杀不死你家的蟑螂,也许……先换成不含有葡萄糖的粘板试试?

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该视频依次展示了野生型蟑螂和厌葡萄糖蟑螂的区别,研究者依次进行了①果糖、葡萄糖选择,②喂食响应,③对灭蟑螂药的反应,这3个测试。在测试①中,红色碟子内的是浓度为1000豪摩尔/升的果糖,蓝色碟子内的是同浓度的葡萄糖,10只野生型雄性蟑螂的对二者没有倾向性,而厌葡萄糖蟑螂则会拒绝取食蓝色碟子内的糖分。在测试②中,蟑螂经过了24小时的饥饿处理,在此期间它们仅能饮水。野生型蟑螂会摄入葡萄糖,而厌葡萄糖蟑螂则不会摄食。最后,测试③当中,两组食物一组有葡萄糖,一组没有。野生型蟑螂、厌葡萄糖蟑螂对市售食品分别展示了不同的倾向性。视频来源:勝又綾子(Ayako Wade-Katesumata)

α粒子在轰击金箔后反射引起了卢瑟福的极大关注,令他意识到原子核的存在。

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