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无人驾驶汽车:地上的现在,云端的未来

谁都知道互联网改变了我们的生活。但谁都不知道它将把我们的生活改变成什么样子。一些相信自己已窥见未来的人开始摸索,他们从云端技术出发,利用无线网络、大数据、机器学习能力、物维网(the Internet of Things),和开放获取方式,将他们眼中的未来拉进“现在”的边界。

咖啡,花园,轮子

把时钟拨回到20世纪90年代,我们能看到新一代人工智能的基石所在。在当时,一个里程碑式的发明走进我们的视野,这就是万维网(World Wide Web)。

在人类社会的首批网页中,有一个网页实时显示着剑桥大学一个学生休息室里的景象。当时,学生们架设了一台对准咖啡壶的摄像头,他们因此可以坐在宿舍里,打开电脑就知道咖啡是不是已经煮好了。看,改变世界的往往都是懒人的发明。

后来,机器人学家肯·戈德堡(Ken Goldberg)和他的学生们将这个“网络实时摄像”的理念推进一步,做出了第一个拥有图像化网络界面的机器人——他们将数码相机、浇灌系统和播种系统植入一个工业机器臂中,任何人都可以通过网络进行观察、播种和灌溉操作。这个电子花园(Telegarden)网站在1995夏天正式上线。作为第一个能够让人们通过网络,远程操作机器的划时代杰作,Telegarden毫无意外地引起了轰动。

第一个拥有图像化网络界面的机器人Telegarden。图片来源:wikimedia.org

从那时开始,机器人学(Robotics)开始蓬勃发展,时至今日,世界上已经有了数以百计的相关实验室和十几份学术杂志。现役的机器人产品——比如iRobot公司的家务机器人Roomba——已经超过500万台。当初用来盯着咖啡壶的摄像机,现在也早已演化为3D体感摄像技术,被运用在游戏之中。2012年,美国总统奥巴马宣布向美国国家机器人学研究会(U.S National Robotics Initiative)拨款7000多万美元来支持这一领域的研究。

家务机器人Roomba。图片来源:wikimedia.org

在这样的星星之火推动下,新一代人工智能即将燎原。谷歌公司推出的无人驾驶汽车(Google Self-driving Car)便是一例。这种汽车基于谷歌庞大的地图数据库和人造卫星实时拍摄网络,结合GPS、车载摄像和3D传感器来准确地完成自身定位,并根据当前和历史的交通情况选择前进方向,避开拥挤的交通。强大的云支持,是谷歌在这领域领先于诸如丰田和通用等汽车公司的巨大优势所在。

车,还是电脑?

2014年5月28日,谷歌发布其无人驾驶汽车的原型。这车不需要司机,也不具备方向盘和脚踏板。为了精确定位,车顶安置有光学雷达系统(LiDAR),原本后视镜的位置也被传感器取代。谷歌无人驾驶车项目主管克里斯·厄姆森(Chris Urmson)表示,在公司内部测试结束后,谷歌将把一些试驾产品投向民间。该车的时速设定为不超过40公里——谷歌得遵循加利福尼亚州刚刚出台的无人驾驶汽车试行法规——当然了,谷歌本身就是帮助促成这个法规的力量之一。

奇点大学(Singularity University)计算学会主席布拉德·坦普顿(Brad Templeton)是谷歌无人驾驶车项目设计顾问。他曾在智能化交通领域发表过大量的博客和演讲。在一篇文章,布拉德评论说:“保守派认为谷歌的这个产品只是一种‘配置了电脑的车’,他们认为这是汽车技术的一项变革;而激进派则会把它视为一种‘配置了车的电脑’,他们认为这是项计算机技术的发展,并且将迅速地改变我们的世界——在未来,‘堵车’这个词将被扫进故纸堆,交通事故会成为历史,而上下班将成为惬意的旅行。”布拉德本人?他当然将自己归为激进派。

奇点大学的布拉德·坦普顿。图片来源:singularityu.org

盯着咖啡壶的摄像头能告诉你什么时候有新鲜咖啡喝,配置在无人驾驶汽车上的摄像头却能拯救生命。在美国,每年有超过33000人死于交通事故,其中40%的事故都源于酒驾、吸毒、注意力分散或是疲劳。如果能把这些不靠谱的人类赶下方向盘,由机器人来完成驾驶工作,这些生命都将可能得到拯救。另外,上下班的行程一直都是很多人最大的梦魇——它会增大人们肥胖、失眠和压力过大的风险。人工智能将帮助我们缓解这份压力,人们将可以安逸地在车上读读书,或是小憩一下,而不必紧张兮兮、骂骂咧咧地紧握方向盘,担心迟到被扣工资。

在布拉德眼中,无人驾驶汽车也不仅仅是用来秀优越的代步工具。无人驾驶的车辆还将是更加节能的——如果我们不再需要笨拙的蓝星人司机,高精度的人工智能将可以使我们的车辆行驶得更近。根据落基山研究中心(Rocky Mountain Institute)的预计,车距靠近引起的风阻减小将帮助我们节约20-30%的燃油消耗。另一项来自麻省理工大学(MIT)的研究则表明,在拥挤的城市中心区域,人们不停游荡寻找停车位的过程也将导致惨绝人寰的燃油损失,这也或将随着新一代机器人技术的发展而烟消云散。

去年,德克萨斯大学的丹尼尔·法南特(Daniel Fagnant)和卡拉·柯克曼(Kara Kockelman)在为艾诺(Eno)运输中心提交的报告中,对这一技术进行了估算。在他们的计算中,如果全美有10%的车辆变为无人驾驶车,那么全国全年就将可以节约37亿美元的开支;如果路上90%的车辆都是基于人工智能的,这一数字将达到惊人的447.1亿美元。

当然,人们对来自奇点大学的这位顾问的设计有着许多不同的看法。有人吐槽谷歌汽车那过于蠢萌的外形,有人担心机器的可靠性。无人驾驶车在“开入寻常百姓家”的路上还存在很多问题和隐患。

谷歌的无人驾驶汽车原型显得非常“呆萌”。图片来源:wordpress.com

如何从人工驾驶时代平稳地过渡到智能驾驶时代就是一个首当其冲的困难——显然,谷歌更加关注谷歌汽车与谷歌汽车之间的彼此联系,而不会在意人类驾驶员如何与无人驾驶车互动。不过相比于谷歌,其他汽车公司或许更为之头疼。

安全问题也引起了争论。艾诺运输中心的总监约书亚·尚克(Joshua Schank)认为:“如果出现了第一例由于电脑故障而引发的无人驾驶汽车事故,那么它引起的恐慌将会比几千例的人类交通事故加起来还要多。”而如果是一个行人突然丧心病狂地跳到一辆行进间的无人驾驶车面前,谁又应该为这起事故负责?是汽车制造商还是坐在车里的人呢?另外,全美有超过23.3万名出租车司机,以及170万位卡车驾驶员,如果那么多的人将因无人驾驶汽车的推广而面临失业,那么可想而知,这项新技术的应用将面临非常大的社会阻力。

当然,目前对于无人驾驶汽车的所有争论都还不足以成为决定性的意见,它们只是在提醒我们,任何划时代的创造都会引发很多的问题,这些问题或许是无人能够预见的。“这种未来的交通工具将不是我们理解中的‘车’了。” 布拉德在自己的博客上写道,“这,可是‘破坏性科技’(Disruptive Technology)啊。”

考虑到所有的厚望与嘲讽,利好和隐患,谷歌为什么还是对这一技术着迷不已?IT宅,就是这么任性——因为他们了解这个时代,这个属于网络与计算的时代。

以云为本

早在1969年,阿帕网络(Arpanet——Advanced Research Projects Agency Network)的创始人立克里德(J. C. R Licklider)就提出了如今通用的“云计算”理念。然而,云技术却在长时间内都达不到立克里德的预期。直到近年来,随着网络带宽的不断提升和诸多杰出产品的问世,云技术才寻觅到腾飞的契机。云技术的发展,使得人们摆脱了对个人电脑的依赖,得以随时随地获取数据。只要身处世界,无论多远,无论你在使用何种设备,你都将可以畅通无阻的获取数据,这也是远程控制的根基所在。

大家熟知的iCloud和Dropbox等产品可以帮助你将私人数据储存在云端。而在未来,开在路上的无人驾驶汽车也一样“以云为本”。海量的数据获取与惊人的计算能力,是它们安全上路的根基。在未来,具备这样能力的产品将越来越多。2010年,来自谷歌的杰出研究员詹姆斯·库夫纳(James Kuffner)为未来的机器人学科赋予了一个新理念——云机器人学(Cloud Robotics)。当前的机器人往往局限于自我管理,其计算能力和存储能力都十分有限;云机器人则提供了一个令人振奋的可能性:通过无线网络获取和交换数据。在将来,在路上“聊天”的也许不再是在街头偶遇的出租车司机,而是彼此交换数据的汽车们。

当然,就像布拉德·坦普顿所说的那样:“只有机器人被命令去工作,却选择去沙滩晒太阳时,它才算是真正的人工智能。”(编辑:Calo)

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Iordan Iordanov谈“透明桌面”

2015年1月9日,国家自然科学一等奖授予了计算机科学家、中国工程院院士张尧学及其团队。但这一奖项立刻引发了争议,许多研究者认为这一项目太偏向工程,太过普通,《科学》杂志的官方网站也对此进行了报道。

在接受科技日报采访时,张尧学提供了一个视频链接,展示了基于透明计算的“透明桌面”项目的运行状况。但是,网友很快发现其中一段帮助文本是英文。经搜索发现这段文本来自加拿大软件工程师约丹·约丹诺夫(Iordan Iordanov)的远程桌面客户端bVNC,这是一个“开源软件”,源代码是公开的。

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视频截图。可以看到叠加在PPT界面上的帮助文本是英文:“Direct, Swipe Pan: Swipe to pan around…”

果壳网为此对约丹诺夫进行了专访,他在专访中表示,根据视频可以明确判断出透明桌面肯定使用了他的代码,而且他的代码在其中应该起了很重要的作用。但是,只要项目组愿意将他们的完整成果按照开源软件协议公开源代码,那就不算是违反了软件业的原则——不过,学术领域的原创性就另当别论了。

果壳网:你能简单介绍一下你的项目吗?

约丹诺夫:我的bVNC是一个虚拟网络计算(VNC)客户端,它是在远程桌面客户端代码库里的源代码基础上开发的。这个代码库里面还有好几个其他的项目——其中有一个名叫aRDP的远程桌面协议(RDP)客户端,一个名叫aSPICE的独立计算环境简单协议(SPICE)客户端,还有一个名叫Opaque的红帽企业虚拟平台开源版(oVirt/RHEV)客户端。这后两个软件包,可能就是透明桌面项目的基础。

它允许用户连接到远程设备上运行的远程桌面,可以选择使用多种协议。目前支持的协议是VNC,RDP和SPICE这三种;除此之外,我的客户端还支持oVirt/RHEV架构,使用的是一个叫做libgovirt的红帽二进制库。而且,它还提供SSH隧道功能,提供额外安全性。

一旦连接到了远程桌面,用户就能输入文本或操纵鼠标和远程桌面互动。远程鼠标操纵可以使用多种输入模式,包括直接模式、模拟触控板模式和单手模式,每一种有不同的优缺点,取决于用户喜欢如何使用他们设备的触屏。

果壳网:你的项目的版权状况如何?

约丹诺夫:我使用的授权是GPLv2或者v3,不同子项目版本有差异。这一授权允许别人在满足一定条件的情况下使用我的代码,具体条件可参见GPL相关条目。大致说来,这些条件可以部分概括如下:

如果有人在我的项目基础上创作了衍生作品,并且不是留作自己用,而是分发给别人,那他们必须把整个衍生作品的完整源代码也公布出来。而且,对于这些源代码他们只能使用GPL授权,不能换成别的授权。

所以,他们的项目也应遵循GPL,具体什么版本取决于他们用了哪些子项目。bVNC,aRDP和aSPICE的协议是2版,而Opaque则是3版。

关于GPL授权的详情,请参见这两个链接:

http://www.gnu.org/licenses/gpl-2.0.html

http://www.gnu.org/licenses/gpl-3.0.html

果壳网:能否断言透明桌面项目组使用了你的代码?

约丹诺夫:是的,十分明显他们把我的软件整合到了他们的项目里,这从屏幕上的可绘制对象——Ctrl, Alt, Shift等等的位图按钮可以看出来,还有弹出的信息框(关于当前选择的输入模式的信息和分辨率)也能证明这一点。此外,他们所展示的功能,在我的软件里已经实现了。他们的项目的移动端和我的项目非常相似,几乎到了完全等同的地步(bordering on identical to my project)。

不过,我并没有下定论说他们是“盗窃”了这些代码。如果他们试图把源代码改换授权重新发布,或者发布了二进制软件而不同时发布源代码,那么这就算是盗窃,不过他们已经承诺不会这样做了。

(编者注:此处的“承诺”,指的是认证微博账号“透明桌面项目组微博”在新浪微博发布的声明。)

话虽如此,鉴于他们获得了如此巨大的成功,如果他们能联系一下我,允许我参与进他们的项目组,我将十分荣幸——不过这并非我的明确要求。不管怎么说,如果没有我的工作,他们是没办法像现在这样在移动设备上展示他们的工作的。他们在透明桌面项目里展示的移动设备灵活性,大概是整个展示中最重要的一部分,而他们选择在视频的最后表演这一部分,大概是因为它的“哇哦指数”(wow-factor)最高吧。

果壳网:帮助文本也算吗?

约丹诺夫:这取决于帮助文本的授权。我的帮助文本和代码一样,是GPL授权的,也受限于以上所述同样的条件。这个例子里,我相信他们遵循授权就可以自由使用我的软件附带的帮助文本。

果壳网:透明计算这个概念新吗?

约丹诺夫:现在透明计算这个想法已经不新了。VMWare(私有软件)和红帽(开源)各自都有一套方案,它们基本上都可以实现这个研究组所展现的内容。红帽的产品名为oVirt,和我的Opaque客户端联合使用,本质上就能达成他们所展示的所有功能。但由于语言因素,我无法准确得知他们研究组到底做出了哪些额外贡献,我非常希望他们能来联系我,甚至是寻求合作,这样让我能做出更大的贡献。

果壳网:如果GPL授权被违反了,开源社区会采取行动吗?

约丹诺夫:鉴于透明桌面项目组出来澄清了他们的立场,并明确指出他们打算遵守GPL授权,我不认为开源社区会采取什么行动。不过,假如真的有人违反了GPL,那么一定会面对巨大的舆论谴责,广泛的讨论和声讨,甚至视具体情况有可能对簿公堂。但在这件事里我不认为这些会发生。

果壳网:你觉得他们如果不参考你的代码,能实现这些功能吗?

约丹诺夫:实现任何功能都是有可能的,但代价是巨大的时间和人力。我认为他们的项目组在别人的成果基础上工作并不是什么过错——开源软件本来就是这样的呀!如果他们试图把这个想法当成完全原创的去宣传(对此我表示怀疑),那么这就是学术上的不端行为,但这和GPL授权的条款就没有关系了。就这个问题我没法发表评论,主要是因为语言障碍,我不能完全理解整件事情的来龙去脉。

果壳网:他们既然是使用了别人的代码,那有没有什么地方他们做得不好?

约丹诺夫:我注意到的一个奇怪的事情是,他们在移动端演示的输入法都是英文。我希望他们能开发一种输入汉字的办法。如果他们需要,可以来找我谈谈。我倒的确挺喜欢他们把用户有权访问的远程虚拟机展示出来的方式,我很希望这部分贡献也能反过来融合到我的项目里。

果壳网:你的软件有多少用户呢?

约丹诺夫:我们的源代码库上的几个项目在Google Play、Blackberry World和Amazon App Store上都有下载。如果算上整个市场和所有子项目,那么迄今为止我的软件获得了250000次以上的独立下载。

果壳网:你为什么会想到做这个项目呢?

约丹诺夫:有几个因素。

第一当然是迎接技术挑战、得到学习新技术的机会。这些项目和我作为职业程序员的全职工作完全不同,让我有机会能把时间用在全新的有趣的东西上。

第二是为全世界的人提供一项有益的服务。世界已经相互连通,把软件放在 Github这样的代码网站和Google Play、Blackberry World这样的应用市场上,能让它们很容易触及全球范围的用户,并产生影响。

第三是我想创造出能经历时间考验的软件,永远不会消失。对于私有软件,一次公司合并或者一次糟糕的商业决策,就能让它从市场上消失不见;但如果创造出优秀的开源软件,能和最好的私有软件竞争,这样的开源软件就能够永存。这也让年轻的程序员能从软件中学到东西,甚至为软件做出贡献。

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科学人对话《自然》杂志总编菲利普·坎贝尔

2014年5月底,全球研究理事会在北京召开,全球资助学术出版的大金主云集于此,讨论全球学术出版界的问题。这类会议,自然少不了顶级学术期刊的参与。《自然》总编(editor-in-chief)菲利普•坎贝尔博士出席了此会,果壳网藉此机会采访了他。

作为世界上最知名的学术期刊之一,创刊于1869年的《自然》(Nature)杂志涵盖生命科学、物理、化学和应用科学等领域,也是而今所剩无几的涵盖整个自然科学领域的国际学术期刊之一。2012年,麦克米伦科学与教育在上海设立独资公司,作为麦克米伦集团的一部分,自然出版集团旗下《自然通讯》派驻了编辑,他们属于全球编辑团队的成员,在执行主编印格致的带领下,旨在增强与中国科学家和研究机构的沟通联络。

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菲利普·坎贝尔博士。图片来源:《自然》集团

菲利普•坎贝尔(Philip Campbell)博士是《自然》创刊以来第七任总编。他的学术背景是大气物理,曾获英国莱斯特大学博士学位。他在1979年加入《自然》成为初级编辑,彼时《自然》上完全没有纯物理的内容,在他的参与努力下,《自然》逐渐成长为物理学重镇。即便如此,他觉得“我对物理学越来越着迷,《自然》一定程度上无法满足我了”,更重要的是,英国国家物理学会创办了一本新刊《物理世界》,在申请后他获任主编。1995年,在前任《自然》总编约翰•马多克斯退休后,他担任新一任《自然》总编至今。

坎贝尔说,他从小就对飞行器感兴趣:“我会开飞机,年轻的时候有飞行员执照。”他在学校期间还造过火箭发动机,不过最后还是“伴随一声巨大的‘bang’炸掉了。”他还对天文学感兴趣,喜欢科幻小说,尤其是阿瑟•克拉克的小说,因为“他的作品始终扎根于科学”。现在,他一大爱好是音乐,空闲时会自己弹弹钢琴,最喜欢的古典作曲家是德彪西和贝多芬。

作为一位期刊总编和科学家,坎贝尔博士与果壳网科学人畅谈了《自然》杂志、开放出版业、学术规范及学术界现况等话题。

《自然》为研究者服务

科学人:身为《自然》总编,你每天都要做哪些事情?

菲利普•坎贝尔:我要和编辑人员交流探讨目前及今后的出版内容,他们既包括《自然》及其系列期刊的编辑们,也包括帕尔格雷夫•麦克米伦的员工,因为现在自然出版集团与帕尔格雷夫•麦克米伦已整合在一起,我们一家公司同时提供自然科学和社会科学的内容。我也为《自然》写很少量的社论,并为公司发展提供建议。

我和我的编辑们还有一项重要职责:拜访实验室,和研究者沟通。拜访实验室的经历让我学到一件事:会见实验室领头人和博士后甚至研究生也是同等重要的。因为他们有时候对于出版过程了解很少,我们可以帮忙澄清一些误解,鼓励他们勇于发表自己的研究。

科学人:有人认为《自然》是“学术期刊中的通俗杂志”,你们对它是如何定位的?

菲利普•坎贝尔:1869年《自然》期刊创办的时候,的确是面向所有人的,即非专业人员、普通公众,还有科学家。大概五年前,我们进行了一次改版重新发布,推出在线版本,我们决定把《自然》作为面向研究者的刊物,而不再面向大众。不过,这里所说的研究者指的是研究者整个群体,比如说,很多生物方面的论文,是写得能让物理学家也看得懂。所以和专业论文相比,还是比较好懂的。此外,《自然》当中还有关于科学本身、公共政策、社会和伦理等议题的内容,所有人都能看懂。关注这些问题的人们,无论是公众还是科学界内部人士,都可以读这些文章。

科学人:所以事实上《自然》里既包括大众可以阅读的部分,也包括面向科学家的部分?你们如何平衡这两者?

菲利普•坎贝尔:我们不做平衡。我们只是每天、每周选取我们最感兴趣的内容。因为我们的读者是科学研究者,他们要比普通读者更想要看到更多的数据、更详尽的信息,所以我们会更多地提供这方面的信息。

“只是发表我们能找到的最好论文”

科学人:《自然》、《科学》和《细胞》被很多人认为是科学界最好的三本期刊,《自然》是否和其他两家存在稿源竞争关系?你们是怎么处理这样的竞争的?

菲利普•坎贝尔:我们竞争的唯一方式就是做好编辑工作,让研究者愿意由我们来编辑处理他们的论文。
我们的编辑经常去拜访研究者,和他们沟通,了解他们在做的具体科研项目。我们希望发表最有意义的研究,所以我们希望研究者能认可我们对论文的良好判断力,我们会找优秀的审稿人,会给论文提供好的建议,并以合适的方式发表这些论文。这就是我们所有能做的。我们不会通过负面评论其他期刊的方式参与竞争。

科学人:有不少期刊依靠提高影响因子来竞争,手段之一就是发表综述文章。《自然》对于综述性文章有没有什么特殊政策?又用什么手段提升影响因子?

菲利普•坎贝尔:我们乐于发表指明重要趋势的综述文章,一年中随时都可以发表。有些期刊考虑到影响因子的计算方式,喜欢把所有的综述文章放在年初时发表。我们不这样做,我们有一篇发一篇。我们不会策略性地多发综述文章。至于影响因子,其实它是被少数引用量巨大的论文主宰的。《自然》会发表很多文章,大部分的引用量也很低,但是我们还是喜欢这些论文,因为我们选择发表文章的时候不会考虑引用量——事实上引用量也很难事先预测。我们所做的就是发表我们认为有意义的论文。我们从不设编辑委员会,我们有同行评议人帮助我们,我们的编辑一直是选定文章和做最终决定的人,他们花费大量时间拜访实验室、阅读论文,掌握学科发展的最新情况。自然集团的所有期刊都这样,因此我们比较特别。

你问我怎么提升影响因子?我们只是发表我们能找到的最好论文而已,年复一年,一直如此。而从结果来看,人们似乎认为我们做得还不错。

科学人:那么你们都喜欢什么样的文章?

菲利普•坎贝尔:可以是技术上的突破,能够造福很多研究者的那种。也可以是澄清了一个许多人都想知道答案的问题。还可以是有巨大社会影响的文章。偶尔我们也会发表那些科学上或许没那么重要,但是和社会问题息息相关的论文,比如一种疾病的流行病学——也许在流行病学上没什么太新的东西,但是这种疾病目前非常引人注目,需要得到结果。但这只是少数情况,我们主要还是发表科学方面的文章。我最喜欢的论文,都是有关最新的发现,意想不到的发现。比如第一次发现环绕其他天体的行星,还有在印度尼西亚发现的一种史前小型人属佛罗勒斯人,论文都发表在《自然》上。这些都是完全出乎意料的发现,有关论文也是我最喜欢的。

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2004年10月28日的《自然》封面文章报告了佛罗勒斯人的发现,这是本世纪古人类学的一项重大突破。图片来源:《自然》集团

开放获取期刊并不一定导致质量下降

科学人:目前开放获取期刊(Open Access Journal)是学术出版行业的热点,自然出版集团对此有没有跟进?

菲利普•坎贝尔:我们有许多开放获取的期刊。自然集团旗下的《自然通讯》(Nature Communications)发表的论文中一部分是开放获取的,该刊创立至今发表了大约1000篇开放获取文章。《科学报告》(Scientific Reports)的论文全部是开放获取的,目前总共发表了约9000篇。

需要指出的是,我这里说所的开放获取,是指“金色”开放获取,也就是作者付费、论文发表后立刻成为开放状态。另一种模式称为“绿色”开放获取,即作者可以在六个月的保留期过后把论文上传供所有人免费获得,我们全部的期刊都满足这一模式。

除了这些,我们还开始发布一系列“Nature Partner Journals(NPJ)”合作期刊。比如我们刚刚推出的《NPJ生物膜和微生物群》,这也是金色开放获取的期刊。再比如,本月我们还会发行一种新的开放获取期刊,名为《科学数据》(Scientific Data),它发表的不是传统意义上的研究论文,而是对数据的描述。

科学人:而今开放获取期刊每年都发表数量极其巨大的文章,你认为这种模式是否会导致文章质量下降?

菲利普•坎贝尔:这不一定。开放获取的商业模式是作者支付费用来负担选稿流程,只要支付费用的人愿意为这个遴选过程付钱,文章质量就不会下降。我个人认为在可见的未来,开放获取和订阅形式会混合存在,这样就不会有经济上的问题了。诚然,标准太高、发文太挑剔的期刊成为开放获取期刊有困难;但我们既需要高门槛的杂志,也需要不那么精挑细选的杂志。而且对于要求严格的杂志,研究者也愿意付更多的钱。我不认为开放获取运动的开创者们会牺牲质量,自然出版集团作为全球领先的开放获取出版商,我们当然也不会牺牲质量。

开放期刊这种模式的长处同时也是它的问题:如果你推出一份开放期刊,立刻就开始赚钱,就能收回发行成本;而传统模式下要依靠订阅,创办期刊就是一笔投资,要好多年才能收回投资。然而,如你所言,由于开放获取这个商业模式来钱很快,有些糟糕的出版商就进入了市场,无视标准地发表毫无价值的文章。我认为唯一去芜存菁的办法,就是看看他们以前都发表了什么样的文章及其标准。比较好的是,那些糟糕的期刊很快就会被发现。

同行评审是个成功的制度

科学人:研究者常常抱怨说一篇论文要评审很久才能发表,他们自己也觉得评审别人的文章是巨大的负担。你觉得现行同行评审制度让人满意吗?有没有什么改进意见?

菲利普•坎贝尔:人们常说同行评审是最不糟糕的办法,对此我依然赞同。我还没有见到别的能解决问题的系统。有些期刊在尝试“开放同行评审”,前景如何还有待观察。在自然出版集团内部,如果一份期刊在同行评审后决定不发表某篇论文,我们会推荐论文作者选择集团内的另一份期刊,评审者的意见也会一并转交,从而缩短发表研究的时间。我们也总是催促评审者尽快回复。我觉得自然集团的期刊都很幸运,毕竟评审者还是喜欢为我们审稿的。作者其实也可以从同行评审过程中获益。当发表小鼠全基因组测序的时候,我们举行了一个新闻发布会,研究团队的负责人,著名基因组研究者埃里克•兰德(Eric Lander)站起来说,《自然》反馈给他们许许多多难对付的评审意见,但他们对此十分感激。我们追求质量,研究者也因此尊重我们。

科学人:你遇到过的最糟糕的学术不轨行为是什么?同行评审没能及时揭穿它,是这个体系的缺陷吗?

菲利普•坎贝尔:我遇到过的最糟糕的一次是物理学家詹•亨德里克•舍恩(Jan Hendrick Schön)。他发表了……我都不记得多少篇了,但是光《自然》就撤了他7篇稿子,《科学》和《物理学评论》也撤了差不多同样数目的论文。这表明合作论文时真的应该非常谨慎。舍恩当时在贝尔实验室工作,这是一家很受尊重很受信任的研究机构,两位论文合作者在业内也很有名望,但是他们身在德国,而舍恩在贝尔实验室准备材料和数据。舍恩的合作者相信他的材料和数据,但是论文发表不久之后人们就开始注意到,完全不同领域里的论文出现了一模一样的数据(因为领域不同,审稿人也不同)。很快人们发现这完全是胡扯,我们迅速撤掉了所有论文,贝尔实验室也立刻建立了外部调查组,组长是斯坦福大学的一个材料学教授。后来我去见他的时候问过他,“像舍恩这样的人,怎么会做出这种事情呢?”这太明显了,论文一发出来,研究者们立刻就能发现啊。他的回答是:每个领域里你都有不可理喻的人。没有别的解释,就是这样的人。完全不合逻辑。我想他是对的,我也想不出别的解释。

不过要知道,编辑和审稿人是不可能知道这些论文是造假了的,因为你看不到实验是怎么做的,你只能信任他的数据。所以,我们发表的每一篇论文都不是最终的定论。任何宣称都要靠整个科学界群体的验证——有时候是专门去重复原始实验,有时候是以其为基础继续推进研究看看能否行得通。只有那时你才能确认一篇论文是不是正确的。这一次系统很快就发现了错误,从这个意义上讲,整个系统是成功的。

预印本对科学传播的影响

科学人:近一两年中的几项大的科技新闻,比如希格斯玻色子、原初引力波和仙女座星系疑似伽马暴,都是未经同行评审就以新闻发布会、预印本或者社交媒体的形式流传开来了。你觉得这会影响研究者交流的方式吗?对媒体的科学报道的影响又如何?

菲利普•坎贝尔:类似的预印本模式在物理学界已经使用了很多很多年,甚至早在网上文库出现之前就有了,所以我觉得研究者群体里这不算全新的东西。他们知道这是未经验证的内容,所以会更谨慎地看待它。但是对于新闻行业而言,他们看预印本就会有危险——比如来自某个著名科学家的论文,他们会觉得是可信的,但大牛也会犯错。又或者一篇推测性的文章,不能算错,但是在外人看来也许就像是言之凿凿地下结论。所以任何想报道预印本的记者,都应该做同行评审——比如给业内专家打个电话。

科学人:你认为科学家有必要把他们的东西告诉大众吗?

菲利普•坎贝尔:先说公众这边吧。我认为任何科学家只要有为大众写作的天赋,那就有为他们写作的职责。毕竟,研究经费还是来自公众对吧?你在花纳税人的钱,他们有权知道你为什么花这笔钱。当然,有时由职业记者来写最好,但还有些时候,科学家本人的声音能带来更多的可信度,尤其是公众辩论的话题。这也是为什么我认为科学家写博客是个好主意。当然这也有风险,有的科学家写博客可能会不负责任,但人们应当学会如何判断。我认为,为了人们对科学的信任,为了让科学家的信息能传达给大众、而不是被人曲解,科学家应该利用这个机会。

而且,年轻人如果对科学有兴趣,他们看到科学家的文章,他们可能会得到激励。

科学人:比如布莱恩•考克斯?据说他吸引了很多女生学习物理。

菲利普•坎贝尔:是啊,我们很多人都嫉妒他的天赋。

科学人:是嫉妒天赋还是嫉妒脸?(笑)

菲利普•坎贝尔:他在很多方面都有不同寻常的天赋。(笑)

中国学术界的进步令人惊讶

科学人:自然驻上海办公室开张已经一年多了,这一年来他们做了哪些事情?接下来有何进一步计划?

菲利普•坎贝尔:我们上海办公室的编辑是全球编辑网络的一部分,所以他们并不只处理来自中国的论文。我们的编辑一直在和学术界沟通,我们开设了训练课程,帮助研究者学习如何在期刊和公众那里展示他们的成果;我们还提供编辑服务,提高论文作者的语言表达能力。这些服务和我们的期刊投稿是相互独立的,换而言之,如果你先让我们帮忙编辑论文再提交给我们的期刊,这对我们的审核过程没有什么影响。

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《自然》驻上海办公室墙上的海报。图片来源:《自然》集团

在出版方面,我们还和中国的研究机构合作出版一些刊物,比如去年我们和南京农业大学合作推出了英文期刊《园艺研究》,今年五月我们和中科院电子所合作出版开放期刊《微系统与纳米工程》,这是我们在中国的第九个合作期刊。我们还与大学联合举办新闻发布会,比如去年我们和中国农业大学联合发布鸭全基因组论文,上个月我们和浙大联合发布H7N9禽流感生物标记物的论文。

在编辑方面,我们会继续拜访研究者,继续关注那些有意义的发展领域。这样,我们到其他国家时就会对别人说:“嘿,你知不知道中国人在做哪些研究?”。

科学人:中国研究者常常对于论文数量和影响因子这样的量化指标过度热心。你觉得这是个严重问题吗?

菲利普•坎贝尔:作为证据的一部分,你需要去看数字。但是解读这些数字要非常谨慎。此外,在观察一些机制的运行时,也可以使用数字,比如整个国家或者所有期刊的情况,这时你可以用影响因子。但是以高影响因子期刊上发表文章来衡量单个研究者,这就有点危险了。另外,有些领域是没有办法用数字衡量的,比如社会科学领域的研究者,他们发表的方式是完全不同的,他们会出版专著,还有很多有价值的工作是在政府报告里,不是以简单的办法就可衡量的。数字是一个重要的指标,但不管是社会科学还是自然科学,我们需要更精细的办法来量化和衡量研究者的影响力。

科学人:你觉得为什么中国到现在还没有出现国际知名学术期刊?

菲利普•坎贝尔:对啊,你们觉得为什么呢?(笑)中国的科学发展史很悠久,描述这些科技成就的汉语也很古老,但以英文阐述中国科学研究的历史还相对较短,所以中国没有一本使用英文的国际知名期刊倒也可以理解。但是中国对科学事业的持续专注令人惊讶,假以时日,有理由相信中国会诞生一份国际知名的英语期刊。到时候我们会努力和他们竞争的。

科学人:对于中国的研究者和年轻学生,你有什么想说的吗?

菲利普•坎贝尔:简单地说,就是:“敢创新,多小心”。

一方面,要有创造力,富有想象力,批判性地思考科学想法和概念,并且尝试找到你自己的办法来解决有趣的挑战。在你的研究生涯里,应当永远专注于那些真正有意义的问题。当然,这说起来容易做起来难。如果你在求知上没有雄心,不敢运用你的想象力,那么你永远只能当一个追随者。

另外,不要试图走捷径。这不仅仅是说给中国学生的,而是说给所有人的。而今,各国的青年研究者都有发表文章的压力——特别是发表在高影响因子的期刊上。大胆断言是好事,但另一方面,如果在发表前不非常非常仔细地检验这些断言,那就是坏事了。在我自己还是个研究者的时候,每当我对我老板说我发现了什么有趣的新东西,他的第一反应永远是“我不信”。但他是对的,因为这意味着你得回去检查为什么你的仪器会给你发出这个看起来有意义的信号。最后,你多半会发现,这是自然的力量、设备、测量仪器和你之间一些小的共谋。我很严肃地说,在科学领域,任何在提出主张前不进行极为严格的自我评判的风气,都有导致科学失去公众信任的风险。

因此,发表科研论文时要谨慎小心,要花时间好好做研究,因为如果弄错了,如果急于求成下结论,或试图走捷径,那没人会原谅你的,你的名声会永远受损。(编辑:Calo)

IMG_0910_副本.jpg果壳网编辑与菲利普·坎贝尔的合影。图片来源:果壳网

@飘飘37、@wuou、@moogee对此文亦有贡献。

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科学人对话英国皇家学会会长:把科学做对了,再去讨论政治和经济

他有着跟牛顿相同的职位,能和英女王共进午餐;他曾凭重大生物学发现夺下诺贝尔奖,每年带着一帮科学家在白金汉宫开派对;他是全球著名的遗传学家,却有着离奇的身世。

这个传奇人物是谁?他就是现任英国皇家学会会长保罗·纳斯爵士(Sir Paul Nurse)。

现任英国皇家学会会长保罗·纳斯。图片来源:Sarah Lee/Guardian

保罗·纳斯精彩非凡的人生开始于1949年1月25日。那一天,保罗·纳斯成为英国一户工人家庭中最小的成员。“我父亲是个机械师,母亲作为保洁员养大了4个孩子。”保罗·纳斯在2001年为诺贝尔奖写的自传中说,“我是家里的幼子,有时候我就像是独生子一样。”

他的感觉没有错——家中的“父母”其实是他的外祖父母,而他生母则以他“姐姐”的身份陪伴了他一辈子。保罗·纳斯在57岁时才偶然知道自己身世不简单,后费劲周折知道这一秘密,并决定将它公开。

尽管身世复杂,保罗·纳斯还是度过了美好的童年。这个男孩在很小的时候就懂得在大自然中观察各种迷人细节来满足自己无止境的好奇心。虽然家里并不富裕,保罗·纳斯的家人一直努力支持他追求知识和其他各种可能性。

中学时,在生物老师的鼓励和纵容下,讨厌死记硬背应付考试的保罗·纳斯在校园生活中找到属于自己的乐子:野起来的时候,他探秘山林收集甲虫标本,驾驶滑翔机遨游天际;静下来的时候,他参阅《科学美国人》上记载的方法进行科学实验,钻研果蝇的眼色遗传。那时,这个“有才,任性”的小伙子还只有16岁。

成年后,保罗·纳斯的人生越发跌宕起伏:法语考试挂科差点让他与大学擦肩而过。幸亏相中他的遗传学教授出手相助,他才得以入读伯明翰大学——在那里,他既找到了人生方向,也遇到了他的妻子安妮。然而,意气风发的保罗·纳斯在研究生阶段却摊上了“世界上最无聊的课题”,他要看着一台机器做死板的操作。

但正是在这沉闷的机械操作中,保罗·纳斯悟出了“控制”的重要性,也更确认自己想研究的课题:此后,他的研究生涯一直专注于细胞如何控制自己在细胞周期中的行为。

在还没有DNA克隆技术的时代,保罗·纳斯和他的同事们艰难地摸索着酵母细胞周期的奥秘。他说自己曾思前想后好几个月,不知道该不该相信某个奇怪的实验结果。最终,对真理的追求使他最终重视了那离奇的数据,并从它身上发现了重要的结果。2001年,由于发现细胞周期中的关键调控因子,保罗·纳斯与利兰·哈特韦尔(Leland Hartwell)和蒂姆·亨特(Timothy Hunt)共享了诺贝尔生理学或医学奖。

保罗·纳斯在北京大学举行讲座。图片来源:阿斯利康

今年12月15日,保罗·纳斯应邀参加“诺贝尔奖创新启迪项目”,在北京大学举行了主题为“解密细胞增殖”的学术讲座。这个项目由著名跨国生物制药企业阿斯利康和诺贝尔媒体联合举办。在阿斯利康全球总部所在的伦敦,保罗·纳斯正在为一所新型研究所的崛起而劳心劳力。

讲座过后,果壳网科学人对保罗·纳斯进行了专访,这位一头利落银发,却满脸蓬勃朝气的诺奖得主,与我们分享了他作为学会会长、贵族好友、研究所负责人和遗传学家的种种趣事与构想。

与公爵开派对,跟政府讲科学

科学人:英国皇家学会和现在的英国皇室是什么关系?英女王会看你们的期刊吗?

保罗·纳斯:皇家学会早在1660年就成立了,当时是受英王查理二世(Charles II)的资助。皇家学会一直保持着与英国皇室的联系,一些皇室成员也对科学感兴趣,那个把美国“输掉”的国王乔治三世(George III)就是其中之一。皇家学会有一个会士类别叫做“皇家会员”(Royal Fellow)——当然这是和时代脱节的东西啦——但有那么五六个皇室成员,因为对科学感兴趣而被选为皇家会员,其中就包括英女王、爱丁堡公爵(即菲利普亲王)、威廉王子、查尔斯王子等等。女王的丈夫爱丁堡公爵是近些年跟皇家学会关系最密切的皇室成员。但他现在已经92岁了,来往就没那么频繁。我现在大概每两个月会跟女王的儿子约克公爵(即安德鲁王子)见一次面。他会来我家吃饭。

他对我们帮助很大。比方说,我们每年会从大概300个处在职业生涯中期,年龄30到40岁的研究者中投票选出30个。约克公爵会安排房间让我们在白金汉宫举行派对,我每年就安排他们和他一起聚会。有时,我也会跟英女王一起吃午饭呢。

科学人:“您在和女王吃饭时,跟她聊什么?”保罗·纳斯:“这我就不能告诉你们啦。”图片来源:阿斯利康

科学人:那英国皇家学会平常是怎么运作的?作为会长,你的日常工作包括什么?

保罗·纳斯:皇家学会相当于英国的国家科学学会,从这个角度看,跟中国的中科院有点类似。英国皇家学会负责甄别英国及英联邦国家的高质量科学研究,推动科学发展。学会也会负责组织研讨会,出版刊物。

我们还在与政府的交流中发挥重要作用,在科学相关政策的制定方面有着很大的影响力。我自己就花大量的时间跟部长们沟通。我们会出版科学政策报告——既包括关于科学的政策,也包括关于政策的科学,每年都会发布一系列重要报告,因此我们有相当重要的政治影响力。所以,相对于其他方面,我的工作更贴近政治一点点。在某种程度上,我像是非官方的政府首席科学顾问。政府自己也有一批科学顾问,但和他们比起来,我的身份更加独立。

科学人:考虑你们到跟皇室的关系,皇家学会的科学家在英国和在跟诸如美国这样的国家所受的待遇会有不同么?

保罗·纳斯:我并不认为会有区别。爵位什么的,都是历史遗留产物了,我们只是将这个传统保留了下来。不过,在筹措资金的时候倒是挺有用的,尤其是在美国。我在美国工作的时候就常常拿爵位说事儿。很有趣的一点是,在美国,特别是东海岸和西海岸,科学家是很受尊敬的,尤其是当你还有诺奖的时候。

可是在英国就不同了,人们会有所保留,他们不那么热情,这也是英国人的天性。跟科学家比起来,英国的人们更喜欢足球明星。

科学传播:让擅长的人做擅长的事

科学人:除了皇家学会会长一职,你同时还是弗朗西斯·克里克研究所(Francis Crick Institute)的行政总裁及董事。这个研究所和其他高校或产业内的研究机构有多大不同?

保罗·纳斯:区别可大了。这是个独立于高校和基金机构的新研究所,它规模很大,里面有1400位研究者,所有人在一栋大楼里工作。而从零开始到这个规模,只用了几周的时间。这个研究所是由原有的三家研究所合并而来的。

它有很多与众不同的地方,比如说,我们不分系。我们那有120位研究领导者,但没有分科系。我一直努力鼓励研究者进行跨学科研究。克里克研究所跟伦敦的三所大学有着共同博士生项目。虽然现在还不是,但长远来说,我们希望研究负责人将会是相对更年轻的研究者,年龄将在30到40岁之间。他们会到克里克研究所工作10到12年,之后,他们就得去别的地方。这不是永久性的职位。

我的构想是从全世界——我希望也包括中国——召集人才,让他们在这家研究所度过职业生涯的一段时期,之后离开。他们有些人会在英国定居,有些则会到海外工作,但他们会形成某种遍布全球的网络。大部分大学只会紧紧抓住自己最好的人才,跟它们不同,我们希望将这些人才“赶”到外面去,久而久之,我们会得到一个连接全世界的网络。

科学人:在科学传播和政策制定方面,你觉得科学家应该发挥怎样的作用?

保罗·纳斯:在面向公众的科学传播方面,我认为如果一个科学家擅长做科学传播,那么我们应该鼓励并尊重他做这样的工作。但很不幸,大多数科学家其实是不擅长的,而强迫别人做他们不擅长的事情是很傻的做法。

我的职责更多地与政策部分切合。15年来我一直会向英国首相提供科学建议,这期间英国首相都换了三四个了。作为科学家,我们有责任告诉他们怎样的科学对怎样的政策和问题有影响。但同样地,你首先得擅长做这些事情。

还是有某些人善于做传播、上电视的,这样的人应该得到鼓励。

保罗·纳斯祝科学人“Good Luck!(好运)”。他写字的时候是竖着写的,但写出来的字却仍然是横着的,这真是一项神奇的技能。图片来源:阿斯利康

科学人:比如布莱恩·考克斯(Brian Cox,英国物理学家)就很善于做科学传播。

保罗·纳斯:是的,我正巧跟他有些合作呢。我还不能告诉你做了些什么,但你会在未来几周看到他跟皇家学会有密切合作。布莱恩·考克斯是个很好的例子,他是个出色的交流者,我们应该尊重这样的研究者。

科学人:我们知道你在十几岁的时候就放弃了宗教信仰。在你看来,宗教和科学的关系是怎样的?

保罗·纳斯:它们的关系挺有意思的。有些人认为这两者是可以并存的。我认识一些虔诚的信徒同时也是非常好的科学家,对他们来说宗教和科学完全兼容。艾萨克·牛顿(Isaac Newton)是我的前很多很多任皇家学会会长,他就非常信奉宗教。法拉第也是一样。所以一个人是有可能既信奉宗教又做好科学的。

我认为科学渐渐地渗透了宗教的领域,它非常强大。谈及太阳系在宇宙中的结构时,西方宗教的教会曾非常强烈地认为地球是宇宙的中心。到了现在,他们根本就不评论这些事了。进化论与神创论之间的矛盾也是一样,教会之前认为人是被创造出来的,现在包括伊斯兰教和原教旨基督教在内的某些教会也还是这样认为,但大部分自由主义神学的信奉者对达尔文并不抵触。科学家已经开始研究行为科学、神经生物学、利他主义的遗传学、博弈论等等,我觉得最终他们会开始考虑探究伦理学。因此,我渐渐认为科学正在削弱宗教思想。而就我个人而言,我觉得科学和宗教是无法兼容的——虽然我知道有些人觉得能够共存。

科学人:你怎么评价理查德·道金斯(Richard Dawkins,牛津大学公众传播科学教授)呢?

保罗·纳斯:我跟理查德·道金斯很熟,他住在我家附近。我经常会同意他言论的内容,但并不总是认同他说话的方式。

科学人:目前,中国在转基因问题上产生很大争议。作为一个遗传学家,你怎么看转基因?作为皇家学会的“代表”呢?

保罗·纳斯:之前我们说过,皇家学会关于各种事情都会出版科学报告,近几年就有关于气候变化的和关于转基因作物等等话题的。但除了主报告之外,我们还会基于报告内容制作一份简短的“常见问题”。我们会向民众做调查,询问他们想知道哪些关于气候变化或者转基因作物的问题。之后,我们再给出答案。上周我们出版了关于气候变化的小册子,并将它发给上下议院的所有议员,让他们了解事实。如果在酒吧里有人就气候变化说了些很蠢的话,你就可以对照小册子来“打脸”,告诉他他错了。

我们也会就转基因的话题做一个这样的小册子。事实上我已经起草好了文本,现在正在重写,以便让公众更好地理解其中的内容。小册子上有大概17个问题。作为遗传学家,我认为在目前转基因争论中,人们对争论焦点的理解是有误的。他们的关注点通常都落在“这个技术安全吗”上。事实上,完全没有理由认为转基因技术是不安全的。人们应该关注的是“这个技术带来了什么”。在这个议题上,需要讨论的就是这样做会不会对环境有害、是否对食物有害的问题。可是,这些问题同样也能用来问传统育种啊。所以,我们需要重视的是最终的结果,而不是技术本身。

现在的争论中有很多不理性的观点,比如一些改良作物是通过对原作物的诱变形成的,这里头产生的是随机突变,各种各样的损伤都会出现——人们对这类作物却放心得很;转基因作物对基因的修饰非常具体,人们反而担心得要死。这里头有大量不理性的因素,我想其中一部分原因在于某些团体反对转基因是出于政治上和经济上的原因。他们不喜欢大企业掌握这种技术,他们不喜欢作物不受农民掌控。但这些人又并不从政治或经济角度表达诉求,却跑到“科学”角度制造争论。气候变化话题里也有这种现象。我们需要做的事情是把科学做对,之后再去讨论政治和经济的问题。(注:在英语语境下,“政治”一词是指包含公共生活在内的广义政治概念)

慷慨、好奇、高标准

科学人:在你的记忆中,你印象最深刻的,激发了你对自然科学的兴趣的一件事是什么?

保罗·纳斯:有好几件事儿呢。有个故事我蛮常提到的。我对自然历史和天文学很感兴趣。在我八九岁的时候,史泼尼克2号(Sputnik 2)载着一只小狗“莱卡”经过伦敦上空。我自己也有一只小狗,所以我为最后在大气层化为灰烬的莱卡感到很伤心。我现在还能非常清晰地记住当时的情景:我穿着睡衣,在大街上跑着,追着那颗卫星。之后我也对自然历史产生了兴趣。

在学校里,我遇到了很好的老师,那时候看《科学美国人》,那上面有些我能做的实验。大概十五六岁的时候吧,我开始照《科学美国人》复印本上的实验方法做果蝇的眼色实验,用紫外光做检测,分析眼睛颜色的色谱。这件事也挺重要的。45年之后,当我讲起这个故事的时候,《科学美国人》将那本1965年发行的正本寄给了我。

科学人:你有说过自己对天文学很感兴趣,你有没有看《星际穿越》这部电影?

保罗·纳斯:我还没看呢,但它在我的必看榜单上。

科学人:你从老师身上学到了哪些重要的东西?你曾说自己在科研中曾梦见天使与魔鬼,魔鬼让你忽略不符合解释的数据,而天使教你“对科学的追求就是对真相的追求”,这是真的吗?

保罗·纳斯:其实,天使与魔鬼的故事是我编出来的。我并没有真的做那个梦(笑)。不过有一件事是真的,那几个月我的确不太相信自己的实验结果。要做到相信自己的实验结果,是非常重要的一步。

我从我的导师身上学到的第一点是慷慨。我会在学生的论文上署名,但我不会在我实验室的所有论文上都署上自己的名字。因为有时候他们的工作是独立形成的,我就不会加自己的名字。

另一点是被我称为“对知识的无私好奇”的品质。所谓“无私”,是指只关注问题的本末,而不考虑将成果转化别的什么,既不沽名钓誉,也不为赚大钱,更不为转化成实际产品——就只是对问题本身感兴趣,哪怕全世界都对它不感兴趣。我记得当我在我第二位导师的实验室研究细胞周期的时候,就根本没人在意这个课题。但我这位苏格兰老板对它感兴趣,而且他是对的。他在实验室会跟我聊细胞周期聊好几个小时,他就是对问题本身感兴趣,哪怕他不可能因此而出名。

第三点是他们对好实验的高要求。如果你做不出好的实验,不忠于你的实验结果,不重复足够的实验次数来证明结果是正确的,那么光有好的想法是没用的。你得完成所有这些无聊的事情,才能得到你能相信的结果。生物学是很多变的,并不总是可重现的,你得不断尝试,你得用其他方法验证,你得靠可靠的证据来说明问题。这点是非常重要的。我的导师将这个观念教给了我,我也尽力将它传给我的学生。

科学人:和过去你在实验室做研究时相比,你觉得当今的学术氛围因为竞争激烈化等种种因素而变差了吗?

保罗·纳斯:人们的确这么说,但我并不完全相信这种说法。人们总是担心自己的饭碗,担心拿不到经费。说实话我当时也担心自己的饭碗和经费。现在人们为发论文、发好期刊而忧心忡忡,我们那时也一样的。但我有注意到,年轻的研究者更容易因为这些事情而感到压力山大。我是不觉得现在和我年轻那会儿有那么大的区别。我担心的事情,人们也同样担心,但似乎担心得更多了。我实验室里的博士后一天到晚担心下一步实验怎么办;但大概是我比较蠢,我总是觉得以后的事都没啥问题。我能感觉现在的研究者更忧心忡忡了,但我不确定大环境真的有改变那么多。拿美国来说,尤其是在生物学领域,人们成功申请经费的概率跟十五二十年前相比的确是低了,但在英国还好,科研系统的经费越来越多,压力似乎没那么大。我不太确定中国的情况怎样,但我觉得人们出于某些原因在自己吓自己。这种担忧对他们没啥好处,至少对健康肯定不好。

科学人:在你看来2014年最振奋人心的科学突破是什么?

保罗·纳斯:我不太能选出2014年最好的研究。但我愿意说一下“近年来”的事情。觉得在物理学领域,暗物质和暗能量是很重要的研究。它们并不都是今年的研究,但在15年前或20年前,我们还意识不到它们的存在。而现在我们知道,宇宙的95%都是我们未知的东西,这太令人惊叹了。当年我们还觉得我们所了解的东西已经能代表整个宇宙了,但事实才不是这样的。宇宙里那些到底是什么?想想都觉得神奇。

而生物学就从来没那么宏伟壮观,我也不知道我为什么会这样感觉。但我们能通过对基因组等的研究来探究生命运作的知识,这也同样非常神奇。通常生物学家会谈论大脑,但那东西太复杂了,我就想搞懂一些更“简单”的,只要弄明白细胞怎么运作就好——我们正慢慢地揭开这个秘密。

科学人:最后,你有什么想对中国的年轻研究者说的吗?

保罗·纳斯:我想对他们说,如果你们真的对自己所从事的事情充满热情,也想一直做这件事,那么就做吧。别担心太多,放手做就对了。但如果你不确定自己想做这件事,而想做其他事情,也不用为之感到惭愧。

科学人编辑和保罗·纳斯会长的合影。拍照时保罗会长主动伸手搂住了两位编辑,两位编辑也随手搂住会长的肩,于是有了这张气氛轻松的照片。图片来源:阿斯利康

感谢@Ent 对本文的贡献。

通过qinwei

计算机科学家周以真:既要煮好饭,也别让菜放凉了

计算机科学家是什么样子的?在许多人的刻板印象中,计算机科学家大概是一群神情严肃、言辞深奥的人——他们更多是男性,性格内敛,逻辑清晰,学着偏技术性的知识,讲着不明觉厉的话。微软全球资深副总裁周以真(Jeannette M. Wing)博士完全打破了这种刻板印象。

作为一位闻名学界的女科学家,周以真优雅而干练,端庄而热情,友善而坚韧。她既有着计算机科学家典型的思维特质,同时又散发着阳光般令人倍感舒适的气质。在2014亚太教育峰会的间隙,果壳网科学人采访了这位兼具东西方特质的杰出女性。

优雅干练的计算机科学家周以真博士。图片来源:Carnegie Mellon University

周以真从小热爱数学与科学,本科在美国麻省理工学院(MIT)主修电子工程。在学习过程中,她感受到计算机科学的无穷魅力,于是又在MIT攻读计算机科学系的硕士和博士学位。这位师从图灵奖得主罗纳德·李维斯特(Ronald Rivest)的年轻人在博士毕业之后首先去了南加州大学。但最终,以跨学科合作研究闻名的卡内基梅隆大学吸引了周以真,自1985年起,她开始在卡内基梅隆大学(CMU)任教。

她的工作深得同事的赞赏。卡内基梅隆大学校长杰瑞德·科恩(Jared Cohon)表示:“周以真是当今最具独创性、最有创造力的计算机科学家之一。”计算机科学系的兰德尔·布莱恩特(Randy Bryant)教授则说:“她能燃起每个人的热情,所有人都很信任她。”

周以真似乎是天生的老师。还是个孩子的时候,她就能让比她大的小朋友都在她面前整齐坐好:“都坐下,听我说。”在卡内基梅隆大学,周以真的严厉也让她在学生中闻名。一个学生叫她“Dragon Lady”——这个不太友好的词本用于形容强大神秘、盛气凌人的东方女子,但周以真接受了这个称呼。最让周以真感到满足的事情,莫过于看到学生在被复杂概念折腾得死去活来之后,最终掌握她所传授的知识。在卡内基梅隆大学,“Dragon Lady”渐渐成为饱含学生敬意的昵称。

在我看来,才华横溢的周以真更像是“龙女”——她曾在中国研习舞剑,也学习武术,是唐手道黑带四段。此外,周以真还有扎实的芭蕾舞功底,也跳过探戈、现代舞、爵士舞乃至踢踏舞。她所掌握的才艺如此之多,人们不禁要问她是怎么挤出时间学这么多东西的。“日程表啊。”她说。周以真的青春活力数十年不减,究其原因,她说那不过是因为“天性乐观,过着简单的生活”。

舞剑,技击,舞蹈,周以真在计算机科学之外的领域同样多才多艺。这些强健身心的爱好让她总是充满活力。正是出于这种好学的天性,周以真也鼓励学生涉猎多个领域的知识。图片来源:Jeannette M. Wing/Carnegie Mellon University

这位既醉心教研,又不懈学习其他知识的计算机科学家,后来历任卡内基梅隆大学计算机科学系主任、美国国家科学院计算机科学与通讯部门主席、美国国防部高级研究计划署(DARPA)信息科学与技术委员会委员和美国国家科学基金会(NSF)计算机与信息科学与工程局(CISE)助理局长。凭借无可挑剔的工作经验和学术背景,她从2013年1月加入微软研究院,目前担任微软全球资深副总裁,负责微软研究院全球各核心研究机构及微软研究院学术合作部的工作。

在周以真的众多成就中,她于2006年发表的《计算思维》(Computational thinking)是最为人称道的成果之一。周以真倡导运用计算机科学的基础概念解决问题、设计系统并理解人类行为的思维方式。这一理念推动了计算机科学在全球教育领域的发展。她期盼所有年轻人都能从计算思维中获益,并鼓励他们张开怀抱去拥抱跨学科研究的新理念。“如果我们希望做未来的弄潮儿,我们就需要去创造未来。”她说。

周以真主张用计算思维解决生活和工作中遇到的种种问题。图片来源:Carnegie Mellon University

计算思维:既得煮好饭,也别让菜放凉了

科学人:能不能介绍一下什么是计算思维?

周以真:简而言之,计算思维就是像计算机科学家一样思考。当然,这并不是个令人满意的回答,因为我还得解释什么是计算机科学。

实际上,计算思维是一种思考方式,是用计算机所能有效执行的方式来对问题进行表述并提出解决方案——这里所说的“计算机”既可以指机器,也可以指人。换句话说,计算思维也是一种解决问题的方式。

科学人:有没有什么用计算思维解决问题的例子?

周以真:举个例子,如果你要做一顿饭,既要煮饭又要炒青菜炒肉,但又不能做好菜了但饭还没煮熟,要怎么做?这三项任务都需要花费资源和时间。在做饭这件事上,你就相当于一个操作系统。我们在计算机科学中所学习的,正是如何调配有限的资源,完成所有任务。

一般来说,计算思维中最重要的几个思维过程是抽象、分解以及组合。所谓“抽象”,是指忽略所有不相关的复杂细节,而只专注于问题关键部分的能力。你会注意到,我刚刚并没有提及“锅是啥颜色的”,“厨房有多热”,因为这些都是不相关的细节。

“分解”能让我们将问题分割成一个一个小的部分,我们将这些小部分各个击破,最终通过“组合”将各部分重整起来,形成一个针对原问题的解决方案。

这种解决问题的方式是可以规模化的,远超人手可及的范畴——当你在用笔记本电脑的时候,有上千个进程同时在占用上千种不同的资源,但你还是可以用它完成工作。因为它在用计算思维解决问题。

科学人:计算思维是像游泳一样一旦学会就能一直掌握的,还是需要长期系统训练才能保持的?

周以真:我认为两种情况都有。举个例子,我们小时候都会学算术,这个学习过程是系统化的:我们不断练习加减乘除、作百分比图什么的,最终才掌握这些基本技巧。而作为一个成年人,在日常生活中的很多方面——买东西、填纳税单、估算车程——我们都可以在无意识的情况下使用我们的算数技巧。计算思维也是一样的,只不过我们已经在基础教育中教算术,而没有教计算思维。

科学人:微软正在做将计算思维推广到教育体系的工作吗?

周以真:自2006年以来,从K-12(从幼儿园到高三)到高校,计算思维在不同的教育系统中取得了很大的成果。其中,成绩最喜人的国家是英国。西蒙·佩顿-琼斯(Simon Peyton-Jones)等德高望重的计算机学家在基层做了许多努力,英国教育部也自上而下地传达规定。自今年秋天起,所有K-12的学生将按年级学习合适的计算机科学概念。

我相信中国的大学也正在计算思维的应用上取得进展。这里的高校都设有《大学计算机基础》课程,而我们正试图改变这些课程的内容。和只教学生怎么用Word、Excel或者PPT相比,学生更需要被传授计算思维,来掌握怎么样既“做好饭”,又不至于“把菜放凉”了。

我很高兴微软亚洲研究院正在引领这种变革。响应中国教育部的号召,我们在征集计算机课程的改革方案,并为最终选出来的21个优秀方案提供资金上的支持。希望到2015年的时候,能有700万中国大学生接受计算思维教育。我们还有很长的路要走,不过我很受鼓舞,对未来也很乐观。

无论是人还是机器,都能运用计算思维来更有效率地解决各种问题。图片来源:carnegiemellontoday.com

计算机科学:最受欢迎的大学课程

科学人:今年,哈佛大学的计算机科学导论课程第一次击败经济学课程,成为新生报名数量最多的课程,你怎么看这种现象?

周以真:在美国,计算机科学是目前最受欢迎的学科。这主要是因为计算机科学家在业界供不应求,他们需要从高校招揽计算机方面的人才来满足业界发展需求。谷歌、微软、脸书这样的科技企业在计算机科学方面的人才需求很大,人们对这个学科的兴趣自然也与日俱增了。非计算机专业的学生也意识到他们需要学习计算思维和计算机技能。

科学人:你最初为什么会对计算机科学感兴趣的?

周以真:我是在麻省理工学院读电子工程时对计算机科学感兴趣的。那时,我得上一门叫“计算机程序的构造与解释(Structure and Interpretation of Computer Programs)”的必修课。在这门课上,我接触到了之前从没听说过的思路,比如λ演算。在那之前,我倒也上过一些编程课程,但并不太重视计算机科学。但当我意识到计算机科学并不只是编程,而具有数学和科学的深度时,我对这个学科着了迷。

科学人:在你看来,在大学和商业世界两个领域,计算机科学是否有着不同的侧重点?

周以真:先说说计算机科学的教育。大学的任务之一在于使下一代具备未来劳动力所需的技能。全世界的大学都正意识到计算技能的重要性——这种技能并不仅仅是指编程,还是指进行抽象思维的能力。因此,大学需要确定他们正在向学生传授商业世界以后会需要的技术技能与思维方式。

至于计算机科学的研究方面,学术界的研究人员会以长远的眼光来看待他们所关注的问题,而不会仅仅局限在自己选择攻克的问题上。而在一个典型的企业研发实验室里,研究人员在科研时更需要考虑公司的任务、公司的产品和服务。

微软研究院算是一个例外。跟其他企业的研发实验室相比,微软研究院鼓励研究者进行长线研究,他们可以自由选择钻研哪些问题,并且公开发布研究结果。而和在高校相比,我们的研究者又更有可能将研究结果转化为微软产品或服务,产生巨大影响。同时,他们也能够获得高校所不可能拥有的数据与计算资源。

科学人:除了计算机科学之外,你对哪个领域最感兴趣?

周以真:我的兴趣挺广泛的:我打心底喜欢数学、科学和工程类学科。而因为我自己的研究是关于安全和隐私的,我对社会科学、经济学和行为科学也有所认识。由于我在美国国家科学基金会(NSF)的经历,我对技术和政策也有兴趣。抛开职业不谈的话,我个人的业余兴趣则在于文科,尤其是文学,戏剧和舞蹈。

跨学科研究:计算机科学的舞台

科学人:以往在大学,专业间的界限很清楚,似乎精专是最重要的。你怎么看现在提倡的学科交叉?

周以真:在我看来,跨学科研究就是对两个或两个以上科目的内容进行综合的研究,并且探索这些科目如何进行相互作用。一个学科的问题可能通过另一学科的技术和知识进行解决,解决问题的过程则反过来推动两个学科的共同进步。

回顾科学发展的历程,我们会发现过去的几个世纪其实有许多学科彼此交互和融合,最后形成一个新学科的例子。计算机科学也是这样一种融合的结果,它是从数学、电子工程、运筹学和商科的交融中产生的。今天的很多新学科也是计算机科学和其他学科结合产生的,计算生物学就是其中之一。

科学人:计算机科学在跨学科研究中起着怎样的作用?

周以真:我回答这个问题可能会有些偏心,因为我觉得计算机科学在所有科学学科中都有所作为,甚至在除了科学与工程学之外的领域都发挥着作用——现在在美国,你甚至可以攻读“数字新闻学”的硕士。

周以真博士和图灵奖得主姚期智博士在峰会上谈论计算机科学在跨学科研究中作用。图片来源:微软亚洲研究院

科学人:其他专业的学生与计算机科学专业的学生交流时似乎有隔行如隔山的疏离感,反之亦然。作为教育者,你们怎样让学生多去了解其他领域?

周以真:就美国而言,不同的大学会有不同的机制去鼓励学生进行专业外的学习,其中一个方法是要求学生分布式地修习不同领域的课程。卡内基梅隆大学(CMU)则会要求计算机科学系的学生必须辅修其他课程。另外由于CMU是私立大学,上学很贵,所以很多学生一次主修两三个学科,物尽其用嘛。学校本身形成了多学科学习的文化氛围,学生们也就会以此互相竞争。

我想要强调的是,学校应该鼓励而不是限制学生的自主发展,因为大学的宗旨在于让学生发掘自己的潜力。这也是通识博雅教育的亮点之一。

科学人:在你看来,哪个学科会因计算机科学而发生最大的变化?又有哪个学科最可能反过来推动计算机科学继续发展?

周以真:我相信所有学科都能从计算机科学的进步中获益,反过来,计算机科学也能从所有其他学科的发展中得到好处。所以要从那么多学科里挑一个是很难的,不过要是硬要选的话,目前我会选生物。

一方面,计算机科学向生物学提供了许多形式模型来表现或解释复杂系统在互动时的动态变化——毕竟操作系统本身就是一个由交互过程组成的复杂系统。另一方面,计算机科学家发明了能分析大量数据的技术,机器学习也让我们得以揭示隐藏在大数据中的规律。

反过来,生物学也在推动计算机科学的进步。任何生物系统中发生的相互作用,无论是规模还是本质都远超当今计算方法所能企及的地步。更远地看,生物系统可以被看做信息处理系统。我们或许能利用自然或者合成的生物系统的计算能力来制造新型的计算机。想象一下,未来的计算机也许是用生物材料制成的呢!

科学人:马克·扎克伯格(Mark Zuckerberg)在访问清华时表示Facebook在未来10年会专注于开发人工智能和虚拟现实。在你看来,计算机科学的未来将是怎样的?

周以真:现在是所谓“人工智能的春天”。计算机视觉、语音、机器翻译和自然语言处理领域,各自经过了数十年缓慢而持续的发展。到现在,我们已有能力将它们融合起来。微软正将这些人类智能中的不同子任务整合起来,希望让计算机看得见、听得懂、说得出、学得会。

我们也正置身于一个“移动为先,云为先”的时代。这意味着无论何时何地,每个人都能通过小型设备获取海量数据与巨大的计算能力。所谓“普适”,就是指任何人在任何时间地点都能计算。

当然,现实还是会给我们的热情泼冷水,我们仍面临着种种重大的技术难题,微软研究院和计算机科学界都期待攻克这些挑战。

科学人:机器学习取得了前所未有进步,面对可能随之而来的道德问题,比如隐私问题,我们做好准备了吗?

周以真:当前,互联网的规模让第三方得以轻易地获取我们的个人信息,数据挖掘和机器学习又进一步让推断我们的个人习惯和偏好变得简单,使第三方与我们的互动更加个人化:向我们推荐书籍啊,提醒我们朋友的生日啊什么的。不管是心甘情愿或是毫不知情地,人们都在用部分隐私换取更多效用。

因此,我们需要更好更公开地交流个人隐私问题:企业与消费者、政府与公民、技术人员与政策制定者、计算机科学家与社会科学家、科学家与伦理学家之间,都需要进行沟通。我们应该开发新的技术让人了解他人知道自己的哪些信息,也应该有新的政策则应促进某种隐私保护技术的推广,使它更加具有影响力。(编辑:wuou)

周以真目前的研究兴趣在于可信赖计算,其中重点集中在安全和隐私方面。计算机科学的未来会是怎样的?我们拭目以待。图片来源:Carnegie Mellon University

感谢@Jerrusalem 对此文的贡献。

文章题图:Carnegie Mellon University

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【论文故事】有多少塑料垃圾从陆地进入海洋?

海洋常常给人留下浩瀚而洁净的印象。然而,当你知道仅2010年,192个沿海国家和地区就可能向海洋中排入了480-1270万吨的塑料垃圾时,这一美好的印象也许要大打折扣——以中位数800万吨为例,如果将它们放到一起,能让超过4个北京市区的面积都淹没在齐脚踝深的塑料垃圾之中。这些流入海洋里的脏东西,已在不知不觉中成为全球性的环境问题。

海洋里到底有多少塑料垃圾?

早在20世纪70年代,就有科学文献提到了海洋塑料垃圾问题。然而之后40多年,都没有文献较为严谨地估算和分析海洋塑料垃圾的数量与来源,直到现在。乔治亚大学的珍娜·詹贝克(Jenna Jambeck)博士与同事对被排入海洋的塑料垃圾数量做了全球性的评估,研究结果发表在最新一期的《科学》上 。

2010年从陆地进入海洋的塑料垃圾图示(点击图片查看大图)。图片来源:Lindsay Robinson/University of Georgia 汉化:Calo

“调查海洋垃圾是一个比较新起研究领域,这个领域10年前才开始发展起来。过去没有那么多数据可以用。”珍娜告诉果壳科学人,“而现在,我们在世界的每一 个角落中找寻着塑料的踪影——在海床上,在沉积物中,在海冰里等,我们终于问对了问题,也找到了合适的科学家来参与寻找问题的答案。”

珍娜和同事综合了全球固体垃圾、人口密度和经济状况的数据,估算了每年有多少沿海国家和地区生产的塑料从陆地进入到海洋里。他们将被人乱扔的垃圾,或者虽然被收集起来但是处理得不合格的垃圾(如被扔到垃圾堆中,或者被扔到开放的、不被管理控制的垃圾填埋场里)定义为“未妥善处理垃圾”,这些垃圾能被流水、风、海浪带到海洋里。

“获取数据是最大的挑战。”珍娜说。研究人员选取了全球192个沿海国家和地区,以距离其海岸线50千米以内的居住人口为研究对象,计算每年有多少处理不当塑料垃圾能够进入海洋。他们统计了这些地区每年每人产生的垃圾的质量、塑料垃圾占所有垃圾的百分比、处理不当塑料垃圾占所有塑料垃圾的百分比等数据,估计出2010年各国进入海洋的塑料垃圾的质量。

研究发现,2010年192个沿海国家和地区一共产生了2.75亿吨塑料垃圾,其中有480万吨到1270万吨进入了海洋。这是多少呢?珍娜告诉果壳科学人,取中位数800万吨垃圾为例,这些“相当于在所研究的192沿海国家和地区里,每一英寸的海岸线上都有5个装满塑料的购物袋。”如果垃圾处理设施没有得到改进,研究估计到2050年,进入海洋的塑料垃圾累计量将增加一个数量级。

海面漂浮的塑料只是冰山一角

这项研究得出的进入海洋的塑料垃圾量,比海上漂浮塑料垃圾大几十倍乃至过千倍, 这意味着还有大量的塑料垃圾在河床、北极海冰和海岸线上。珍妮告诉科学人,目前还不清楚这些塑料会对海洋生态系统造成怎样的影响。

此外,海洋塑料垃圾还可能来源于其他途径,如在捕鱼活动中产生,或者由海上船只掉落的塑料部件形成。然而,由于缺乏这方面的数据,研究只能计算从陆地转移到海洋的塑料量,但无法知道总共有多少塑料垃圾进入海洋,陆地转移的塑料垃圾在其中占了多少比例。

可以确定的是,人口数量和垃圾处理水平很大程度上决定了哪些国家是海洋垃圾大户。珍娜对科学人说:“即便各国垃圾估算量可能因为模型的不同而不同,但未妥善处理垃圾最多的前20个国家的排名不会因此而改变——这个排名很大程度上取决于沿海50千米范围内的人口密度。”

研究结果显示,处理不当垃圾最多的20个国家中,有16个是中高收入或中低收入国家。这些国家垃圾处理设施的设置可能跟不上发展的脚步。而作为发达国家的美国尽管垃圾处理能力高,但人均垃圾产生量很高,塑料垃圾问题仍然不可忽视。如果这20个国家的未妥善处理垃圾能减少50%,到2025年,全球未妥善处理塑料垃圾总量量就可以减少41%。珍娜和她的同事指出,发展中国家应该提高垃圾处理水平,而发达国家则要致力于减少垃圾的生产量。

据估计,2010年各国海岸线50千米范围内居住人口产生的,可进入海洋的塑料垃圾数量(单位:百万吨)。研究选取了192个沿海国家和地区,没被选取的国家用和地区白色表示。图片来源:Jambeck et al., Science 2015.

同心协力才能解决问题

“我们的研究目的只是估算全球塑料垃圾流入海洋的量,而并不在指责垃圾量大的国家。确实,让发展中国家参与减少海洋塑料垃圾的工作比较困难,毕竟经济发展让他们必须面对许多其他的问题。”珍娜对科学人表示,“不过,在恰当的体制中提高收集、固定和存放垃圾的能力,或许能起到帮助。在垃圾处理方面,将不正规的部分做得更正规一些——尽管这需要几百万的人共同努力——改善工人的工作环境,保护他们的健康、减少他们工作的难度,则是另一种思路。当然,处理垃圾的资源也应该得到改进。”

东南亚的许多国家都扮演着“世界工厂”的角色,经济发展和环境污染怎样权衡?珍娜认为这正是全球化的挑战之一,货物在不同国家间进出口,垃圾也是。“这里面也涉及到了公平性的问题。在我看来,既然我们在许多方面都已‘打成一片’,那么我们也应该同心协力地去解决海洋污染问题。这不是一两个国家的问题,而是全球性的问题。”珍娜说。(编辑:Calo)

参考文献:

  1. Jenna R. Jambeck et al., Plastic waste inputs from land into the ocean. Science 347 (6223): 768-771
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【论文故事】减轻压力,使人们更能“感同身受

共情(empathy)是一种人类和其他众多哺乳动物所共有的能力,它让我们能够感知他人、携手合作、对弱者施以援手。然而,生活经验也告诉我们,这种理解他人感受的神奇技能并非任何情况下都能顺利发动。加拿大麦吉尔大学(McGill University)的研究人员近期在《当代生物学(Current Biology)》期刊上发表论文[1]称,社会压力对共情具有至关重要的影响作用。为此,果壳网科学人对论文的通讯作者杰弗里•莫吉尔(Jeffery S. Mogil)教授进行了采访。

已有研究表明,人类[2]和小鼠[3]均能对其他同类个体的痛觉体验表现出共情反应,而且当对方为熟识的个体时,这种“感同身受”的效果还会更加明显。莫吉尔教授等人从该现象入手,利用一种经典的动物痛觉模型——腹部紧缩测试(abnominal constriction test,又名扭体测试)对小鼠进行观察。在该测试中,小鼠被注射0.9%的醋酸溶液后,酸性刺激物产生的腹部痛感会令其出现身体扭动的症状。有趣的是,与独自参加测试的小鼠相比,当一对同笼“室友”同时接受醋酸注射时,它们身体扭动的次数明显高于单独进行实验的情况,也就是说,面对同为“天涯沦落鼠”的同伴,在共情的作用下,小鼠感受到了更强烈的痛感;而与之不同的是,当对方为陌生小鼠时,则实验鼠的表现与单独测试没有显著差别。这一结果很好地重复了前人的结论。

陌生小鼠配对实验时共情反应明显下降,研究者推测,这种现象很可能与被迫在陌生环境中与陌生鼠互动时产生的社会压力有关。为了证明这一观点,研究者把目光转向了社会压力的生物学基础。在后续实验中,他们对部分小鼠施加了一种名为甲吡酮(metyrapone)的药物。甲吡酮能够抑制机体糖皮质激素的合成,而糖皮质激素被称为“压力激素”,它会参与众多与压力和应激反应有关的过程。结果发现,糖皮质激素合成被抑制后,陌生小鼠配对的扭体测试也出现了明显的疼痛行为增加。相反,如果在测试前对小鼠进行长达30分钟的限制活动处理,使它们进入“高压状态”,在这种条件下,它们与“室友”之间的疼痛共情反应也会消失。由此看来,小鼠的压力与共情反应之间确实存在着联系。

小鼠如此,那么人类又如何呢?下一步,莫吉尔教授等人将目光转移到了人类被试。他们招募了若干大学生被试,并将他们进行两人一组进行配对实验,一些配对中,两位被试互为同性好友,另外一些则为陌生人。人类实验的设计与小鼠实验类似,只不过在这里,注射醋酸变成了让被试将非利手浸入4℃的冷水。浸冰水30秒后,被试通过填写量表的方式报告他们对痛觉的感受程度。每名被试都会接受两次测试,一次单独测试及一次双人面对面的测试。结果发现,与小鼠实验类似,人类被试在看到好友的痛苦时报告了比单人测试更强烈的疼痛,而与陌生人同时接受测试时并没有表现出这种现象。

此后,被试们口服750毫克甲吡酮,并再次进行了冰水测试。这一实验的结果也与小鼠实验惊人相似:研究者分析实验现场视频发现,被试在服药后在与陌生人配对的实验中表现出了更为频繁的痛觉行为,也就是说,他们对陌生人的共情反应增强了。研究者在论文的讨论部分指出,人类被试与小鼠结果的高度吻合是一个值得注意的发现,这说明高级形式的共情,尤其是情绪的共情在人类和小鼠之间具有类似的调控机制。莫吉尔教授还告诉果壳网,在他的实验室里,“目前有一系列正在进行中的实验表明,物种间的行为表现具有完美的共性。我们相信,这种共性能够提供许多惊人而又重要的讯息。”

当然,在日常生活中要想减轻压力、提升共情,并不需要使用药物。在实验的最后一部分,研究者邀请陌生配对组的被试们玩了一款名为《摇滚乐队》(Rock Band)的音乐游戏:其中一半的被试独自玩单人模式,而另外一半则玩的是双人合作模式。在酣战4曲之后,被试们再度进行了冰水测试,结果发现,玩合作模式的被试们更能体会到对方的感受。检测发现,合作玩游戏后被试唾液中的糖皮质激素水平降低,问卷调查的结果也表明,共同玩游戏的经历使得他们之间的信任感和亲密度均有上升。这也说明,社交压力的降低确实提高了被试对陌生人的共情能力。

至于为什么选择《摇滚乐队》用于实验,莫吉尔教授表示一切纯属巧合:“因为一个做音乐认知的同事手头正好有这个游戏……我们相信,任何能够促进相互了解的活动都能产生同样的效果,不过这个想法还有待更多实验验证。”

摇滚乐队(rock band)为Harmonix Music Systems开发的一款模拟演奏音乐游戏,多个玩家可以组成“乐队”共同完成乐曲

话说回来,我们为什么会更容易对熟悉的人产生共情,同时又倾向于抑制指向陌生人的共情反应呢?莫吉尔教授认为,这背后或许有演化方面的原因:“我们应当记住,在人类演化史的绝大部分时间里,人们都居住在小型的群体或部落里,与陌生人的来往非常少,而为数不多的互动往往与暴力行为有关。因此,进化压力局限于对熟人产生共情反应的能力。人人都相信自己能够理解陌生人的感受,但是,已有众多研究表明,在控制严格的实验中,与熟人、尤其是亲人相比,人们对陌生人的共情反应幅度会小得多。”(编辑:窗敲雨)

参考资料:

  1. Martin, Loren J. et al. Reducing Social Stress Elicits Emotional Contagion of Pain in Mouse and Human Strangers. Current Biology.
  2. Goubert, L. et al. Facing others in pain: the effects of empathy. Pain 118, 285-288 (2005).
  3. Langford, D.J. et al. Social modulation of pain as evidence for empathy in mice. Science 312, 1967-1970 (2006)
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酷炫动图:化学实验

自从互联网视频时代到来,就有很多美丽的化学反应动图在网上流传。本文将对这些反应进行整理,对每一个反应给出原理、出处和危险指数。

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硫氰酸汞分解(“法老之蛇”)

pharaoh serpent.gif

原理:硫氰酸汞受热分解,部分产物燃烧。
2Hg(SCN)2 → 2HgS + CS2 + C3N4
CS2 + 3O2 → CO2 + 2SO2
2C3N4 → 3(CN)2 + N2

花絮:硫氰酸汞于1821年由德国人合成,之后不久它燃烧的特殊现象就被发现。很长一段时间里作为一种焰火在德国出售,但是最终因为多例小孩误食而中毒的事故被禁止。

录制者:ChemToddler

危险:高。汞化合物有毒,反应产生的硫化汞、二氧化硫和氰气也有毒。没有通风橱和专业人士指导,切勿自行尝试!

 

火柴燃烧

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原理:火柴头包含红磷、硫和氯酸钾。擦火柴时产生的热量使红磷和硫燃烧、氯酸钾分解出氧气辅助燃烧。

花絮:最早的摩擦式火柴头上只有硫,1826年英国化学家约翰·沃克首先使用了氯酸钾,但他的火柴非常危险,经常有火球掉下去把衣服和地毯点着。

录制者:UltraSlo

危险:很低,但请勿给小孩火柴玩,可能造成火灾。

 

氢气遇到火

fire and hydrogen balloon.gif

原理:氢气易燃易扩散,在空气中可以爆炸式燃烧。

花絮:兴登堡号飞艇的下场就是这一幕的放大版。

录制者:Prf Slo & Dr Mo

危险:中。由于爆炸可能伤人,请像图中那样遥控点燃。

 

汞和铝锈

mercury and allunium.gif

原理:铝是高度活泼的金属,但是表面的氧化铝层阻止了它和空气中氧气完全反应。而汞会破坏这一保护层,使得铝迅速“生锈”。

这是一段延时摄影。该过程真实长度约半小时。如果画面下移,你会看到底下有一大堆铝锈粉末。

花絮:这是飞机上严禁携带水银的原因之一。有传说称二战时一些美军突击队员会携带汞用来破坏德国飞机。

录制者:Theodore Gray (对,就是那个西奥多·格雷)。

危险:中低。汞单质有毒,不可食用,请在空气流动通畅的地方实验以免汞蒸汽中毒。

铁棒与硫酸铜

iron and copper sulfrate.gif

原理:将除锈处理后的铁棒放入硫酸铜溶液中,铁单质比铜更加活泼,置换出来的铜形成漂亮的松散沉淀。
溶液原本是蓝色的(水合铜离子颜色),随着反应进行,蓝色逐渐变淡。

花絮:铜离子本身并没有蓝色,无水硫酸铜是白色粉末。水溶液中蓝色的是六水合铜离子。

录制者:DizzyCtube

危险:低。铜溶液有毒,不可食用。

 

气体点燃

gas ignition.gif

原理:燃烧需要可燃物和氧气接触,狭窄的瓶口使得氧气只能逐渐进入,燃烧面逐渐下移。

录制者:Fabian Oefner (感谢 @章鱼喵.时见疏星)

危险:中高。可燃气体处理不当极易导致爆炸。

 

燃烧的镁投入水中

magnesium.gif

原理:常温下镁与水其实就可以反应,但除非是镁粉,否则速度很慢。高温时二者会剧烈反应生成氧化镁和氢气。氢气继续燃烧,和燃烧的镁一起产生炫目的光影效果。

花絮:这个反应是日本设计的一种试验性发动机的基本原理。镁和水反应生成的氧化镁在激光的作用下重新分解成镁单质和氧气,整个反应只消耗水,而激光则由太阳光提供动力。不过这一发动机投入使用似乎还很遥远。

录制者:Periodic Videos

危险:中。镁燃烧时高温,遇水剧烈反应可能溅出红热液态镁导致烫伤。

 

丙酮“溶解”泡沫塑料

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原理:浅浅一层丙酮并不能真的把整块泡沫塑料“溶解”,实际上它只是溶解了聚苯乙烯的长链,让泡沫塑料里的大量空气逃逸出去。但是,长链交联的地方丙酮无能为力,所以碗底部还会剩下残存的聚苯乙烯。

花絮:502胶滴到泡沫塑料上发生的事情与此类似。

录制者:Barrett

危险:低。丙酮有一定毒性和挥发性,应在通风处实验,勿饮用。

 

血液和过氧化氢

blood in hydrogen peroxide.gif

原理:血液中有高效的过氧化氢酶,能够催化过氧化氢分解为水和氧气,大量氧气形成泡沫效果。

花絮:过氧化氢酶是一种非常常见的酶,几乎所有好氧生物体内都有发现。在细胞内它的主要作用是催化活性氧成为氧气,阻止它破坏细胞。过氧化氢酶也是所有酶中效率最高的酶之一,每个酶分子每秒钟可以催化数百万个过氧化氢分子。

录制者:Igor30

危险:低至中。高浓度过氧化氢腐蚀性很强,但低浓度比较安全。没有其他威胁,除非你的血液来源有问题……

通过qinwei

酷炫动图:物理篇

酷炫实验动图栏目又和大家见面了,这一次的主题依然是物理。

警告:图多杀猫,如果你在使用3G上网,请立刻关闭此页面!

隐形球

原理:让球隐身的关键在于相似的折射率。这里的小球是高吸水性材料,它们的吸水性实在太强,以至于吸满水时的折射率已经和纯水没有多大差别,因此当浸入水中时,它们自然就与背景融为一体了。

花絮:事实上,只要调配一种折射率合适的液体,用同样的方法也可以让玻璃棒消失不见。植物油+婴儿油就是一种可行的方案[1]

​图片来自:http://gr5.org/index_of_refraction/

录制者:IncredibleScience

危险:很低。这些高吸水性材料广泛地应用在生活用品中,只要避免误食、误吸,就不会有什么危险。

锡疫

原理:你有没有听过一个“锡纽扣在严寒中变成粉末”的故事?这张动图呈现的就是这个过程。随着温度的降低,银白色的金属锡会逐渐转化成另外一种同素异形体——不具有金属特性的灰锡粉末。这个过程也被叫做“锡疫”。

花絮:在锡中加入锑或铋可以抑制灰锡的产生。

录制者:wwwperiodictableru

危险:很低。(不过,把锡器冻成粉末还是挺浪费的……可以留着化蜡扦嘛~)

浸不湿的海绵

原理:海绵吸水的过程是毛细现象,这种现象只有在海绵材料与液体之间的附着力足够强时才能发生。而这种海绵材料与金属汞的亲和性很低,它们无法彼此浸润,液体汞很难附着在海绵的小孔当中,因此它也就不会将海绵“浸湿”了。

花絮:沾不上水的魔术沙也是一种原理类似的表面现象。

录制者:TAOFLEDERMAUS

危险:中高。吸入汞蒸气可造成中毒,需要在通风橱中小心操作。

水转印

原理:水转印是一种通过水将平面印刷的图文转印至不同材质物体表面的技术。进行这种转印时会首先在塑料薄膜上印刷图案,然后将薄膜平铺在水面上,喷洒活化剂溶解破坏薄膜,再把需要转印的物体慢慢压入水中,这样图案就会贴在物体表面了。

花絮:很多纹身贴纸也可以看作一种水转印。另外,你还可以自己在家做个水转印美甲。

录制者:elpasopowdercoating.com

危险:低。活化剂成分为有机溶剂,易燃,吸入可能带来不适,喷洒时应注意防护。

过冷水冰沙

原理:结晶过程需要一些凝结核的引发,当纯净的水放在光滑洁净的容器中冷冻时,由于凝结核的缺乏,可以在低于凝固点之后依然保持液态,形成过冷水。而当过冷水受到扰动、凝结核引入之后,结晶就会迅速发生。

花絮:事实上,人工降雨的关键就是往“过冷云”里加点凝结核。

录制者:bob0rama

危险:很低。居家物理实验好选择,记得要用纯净水。

水立方

原理:这张图来自一个超疏水涂层材料的宣传短片。这块板的四周涂有超疏水涂层,在中间没有涂层的部分,材料与水的亲和性比较好,水可以铺展开来。而在有涂层的部分,材料与水彼此亲和性很差,因此旁边的水就呈现出向内回缩的趋势,减少与疏水涂层的接触。

花絮:如果想试试接地气的简易疏水涂层,洗洁精是个不错的选择,它可以帮你防止镜子起雾 。

录制者:ultratechvideo

危险:很低。

肥皂泡风暴

原理:该图片来自一项研究[2],在实验中,半圆形的肥皂泡膜底部会被加热,在热量的作用下液膜产生强对流,进而生成了漩涡,科学家们用高达每秒500帧的拍摄记录下了这一过程。这些肥皂泡漩涡的运动模式与大气中的气旋(例如飓风)有相似之处,因此,科学家们希望通过观察它们来帮助建立计算大气流动的模型。

花絮:事实上,木星的大红斑也是一个巨大的气旋。

录制者:Hamid Kellay et al.

危险:很低。(是的,本期除了一个例外,剩下的基本人畜无害。)

(编辑:Ent)

参考资料:

  1. http://gr5.org/index_of_refraction/
  2. http://www.nature.com/srep/2013/131213/srep03455/full/srep03455.html
通过qinwei

恐惧管理理论:死亡当前,后悔反而较少

很多人都有这样一种想法:随着死亡的来临,人们的内心将充满遗憾,他们会抱怨自己已经没有时间去实现那些曾经的梦想,也没有时间去弥补自己这辈子犯下的过错。

然而,最近来自瑞士巴萨尔大学的研究者却提出了相反的观点——他们发现,当人们意识到死亡来临时,他们不仅不会满心遗憾,反而会觉得那些令人遗憾的事现在看起来也没什么。研究论文[1]于1月4日发表在期刊《实验社会心理学》(journal of experimental social psychology)上。

关于人临死时的情绪体验,有两种假设:恐惧管理理论(terror management theory)和死亡凸显性假设(mortality salience hypothesis)。出于自我保存的本能,当人们意识到自己终有一死时,将不可避免地陷入焦虑当中。而为了缓解这种焦虑,人们会主动采取防御机制——通过自我肯定的方式,例如告诉自己我在这个世界上是有意义的,来增加自己的自尊(self-esteem)。而死亡凸显性假设也认为,对死亡有关想法的唤醒和暗示,会增强个体自尊以及个体对自尊的追求。因此,研究者假设,人们出于维护自尊的动机,会自行减少对遗憾事件的遗憾程度。他们把这一效应称为死亡凸显性效应(mortality salience effect)。

在电影《生死停留》(Stay)中,导演用整部片子为我们展现了主人公亨利(图中男子)在临死前几分钟的内心活动。亨利因为内心充满了愧疚,认为是由于自己的过失害父母和爱人失去了生命,因此他在这几分钟里营造出一个梦境来弥补自己的过失,消除内心的愧疚。图片来源:vacau.com

为了揭开死亡和遗憾之间的关系,研究者从网上招募了83名被试,将他们分为了死亡组和牙疼组。死亡组的被试首先要执行两个任务:“简短描述下当你死亡时你所体验到的情绪”以及“尽可能多地列出当你死亡时,将会发生的事情”,以唤起他们的死亡体验。而牙疼组的被试则要被唤起有关牙疼的体验。之后两组被试需要在16个后悔事件中选择哪些是他们所经历过的。

在比较了两组被试选择的后悔事件的数目后,研究者发现,死亡组被试选择的数目要远少于牙疼组。这表明当人们体验到死亡后,被试对那些本应令人遗憾的事情变得不再敏感了,他们会否认这些失败对自己来说是件遗憾的事。

然而这一实验在确定遗憾水平下降上存在一些问题。因为结果的差异很有可能是被试思维建构水平不同造成了这一效应。因为牙疼是一种许多人都亲身经历过的具体事件,而死亡只发生在未来,它需要人们动用高级思维能力去想象一种未曾发生过的情景。因此死亡体验可能触发了被试的抽象思维,使他们在随后的任务中也以这一思维水平思考遗憾事件。比方说“与父母发生矛盾”这一事件,死亡组的被试会更多地从整体视角考虑这一事件,他们会认为自己与父母之间的关系还行;而牙疼组被试则更关注这一事件中的具体细节,他们可能会回想到与父母发生的某次具体争吵,因而认定这是件令人遗憾的事。

在后续实验中,研究者通过改进实验设计,将上述可能存在的认知机制排除掉了,就像研究者自己所言,人们减少遗憾水平的行为是为了维护自己的自尊,而不是一个纯粹的认知过程。

这项研究验证了恐惧管理理论和死亡凸显性假设。研究者从该理论和实验结果出发,认为当人们体验到死亡时,出于对抗焦虑维护自尊的目的,他们会主动减少对遗憾事件的遗憾程度。最后,研究者还给人们提出了减少遗憾的方法——心理修复工作(psychological repair work)。具体而言分为三个方法:

  1. 弱化遗憾事件的重要性:比方说一个男士失恋了,他可以告诉自己失恋没什么,又不是世界末日;
  2. 从失败中发现积极点:失恋男士可以告诉自己现在又重获自由身,想约谁就约谁;
  3. 从正面角度解释遗憾事件:失恋男士可以告诉自己这段感情本来就没有未来,及早结束才是最好的选择。

所以,当意识到死亡不可避免,再多的后悔哭诉也无济于事时,还不如用些方法维护下自己的自尊,在哀燕声声中,体面地离开这嘈杂的世界。(编辑:球藻怪)

参考文献:

  1. Rudert, Selma Carolin, et al. “An Unscathed Past in the Face of Death: Mortality Salience Reduces Individuals’ Regrets.” Journal of Experimental Social Psychology (2015).