趣谈：高考作文中派生出的科学

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来源：北青网　2013-06-12 16:38

【编者按】：历年的高考作文都备受各界关注，今年也不例外。9日浙江卷爆出文学常识性错误，更使这一关注甚嚣尘上。我们继而发现，今年各地的高考作文题有不少科学含量，比如北京卷的爱迪生如果来到21世纪；重庆卷的大豆变成豆腐之后；福建卷的地球引力……我们邀请几位科学界人士，来聊一聊高考作文中派生出的科学。

　　爱迪生曾预言智能电话

　　◎马之恒

北京卷

　　科学家：假如爱迪生来21世纪生活一个星期，最让他感到新奇的会是什么呢？

　　文学家：我想，手机会不会让他感到不可思议呢。

　　科学家：我同意。手机是信息时代的一个标志物，简直称得上是一部掌中电脑，丰富的功能一定会让这位大发明家感到新奇。

　　文学家：手机的广泛应用，深刻地影响着人们的交往方式、思想情感和观念意识，或许这也是爱迪生意想不到的吧。

　　今年高考北京卷的语文作文题，可以说是从杨振宁和莫言这两位诺贝尔奖获得者的对话衍生而来。在今年5月于北京大学举办的这场对话中，两位大师提到了一个有趣的问题：“假如‘发明大王’爱迪生来到现代，会对哪样东西印象深刻。”讨论的结果，是大多数现代人已经离不开的通讯工具——手机。

　　现代的手机早已脱离了单纯的通讯工具的功能，而是成为整合了上网、游戏、多媒体娱乐、地图导航，乃至简单的科学研究等许许多多功能的“百宝箱”，甚至部分承担起个人电脑的职能。为了实现这些功能，以及改进手机通讯网络的性能，有赖于全球各地无数个团队的创新工作。因此，如果爱迪生来到现代社会，很可能会为手机只有手掌大小却凝聚了大量的智力资源而惊叹不已。

　　爱迪生的主要创新工作，集中在19世纪后半叶和20世纪初。这是一个人类科学技术开始走上“快车道”、一日千里的时代，也是最后一个个人能够凭借自身力量完成影响世界的发明的时代。在蒸汽机已经实用化并且不断完善之后，对电能的使用又拉开了第二次工业革命的帷幕，使基于电学的发明创新不断涌现。爱迪生本人以及与他同时代的贝尔等发明家，其研究工作有相当一部分是彼此平行的。也就是说，这些发明家在试图解决同一个问题的时候，走了不同的道路，因而形成了“平行科技”现象。其中，爱迪生在发明留声机之后改进了贝尔的电话，以及贝尔在发明电话之后改进了爱迪生的留声机，成为科学史上的佳话。

　　19世纪70年代中期，贝尔在研究利用科技手段帮助聋哑人与社会沟通的问题时，偶然发现有可能用电模拟出人讲话时的声波变化，亦即利用电流来输送人发出的声音。1875年6月，贝尔制成了以液体（硫酸）作为拾音器的电话雏形。这个电话装置完成的第一次通话，是传送了贝尔不小心打翻了硫酸之后的呼救声。1876年2月，贝尔为这个发明申请了专利。在他之前，意大利裔移民穆奇也发明了可以通过电信号传输语音的装置，但由于穆奇没有钱申请专利，而且不懂英语无法进行申请，因此电话发明者的桂冠就戴在了贝尔头上。

　　但贝尔的发明并不完美，特别是电话机中装有硫酸这一点，使电话存在一定的危险性，声音传输的质量也受到限制，难以实用化。大约在1878年，爱迪生给出了解决方案，那就是碳精拾音话筒和响铃装置。基于爱迪生改进方案的电话设计，一直沿用到20世纪80年代前后，才被更为先进的技术所取代。

　　爱迪生与贝尔“隔空对话”的另一个例子，则是贝尔对留声机的改进。1877年8月，爱迪生在试验他发明的留声机，并灌制世界上第一张“唱片”《玛丽有只小羊羔》的时候，他使用的是将锡箔纸包在金属圆筒上制成的“唱筒”，作为储存和播放介质。此后的10年里，留声机的各个部分一直在改进，但唱筒一直是留声机唯一的录放介质。到1887年，爱迪生已经为留声机加上了扩音喇叭和发条马达。而贝尔则为留声机设计出一种蜡筒，使唱筒可以像后世的磁带一样反复使用，寿命也有所延长，不再像锡箔唱筒一样容易报废。

　　但同样是在这一年，旅美的德国人柏林纳制成了另一种结构的留声机。他使用和现代电唱机相似的唱片，让宝石针头从唱片中心向外逐行读取唱片上录制的声音（与现代电唱机刚好相反）。这种全新的结构，迅速显现出它易于批量复制，而且储存容量具有较大提升潜力的独特优势。于是，当柏林纳在1891年发明用虫胶制作唱片的方法之后，唱片迅速在欧美普及，令唱筒日渐式微。进入20世纪之后，尽管爱迪生还“顽固”地坚持生产唱筒和对应的留声机，但他发现自己已经在录音设备这个领域被“孤立”了。到1912年，不易复制又难以提升容量的唱筒终于退出了历史舞台。

　　1908年，61岁的爱迪生由于年事已高，对新生事物的理解能力大不如前，逐渐退出一线研究工作。1911年，他在《大都会》杂志发表文章，对未来科技给出了11项预言。在100年后的今天看来，这些预言有4项正确，分别是机器人应用于工业生产、电话智能化、电力机车取代蒸汽机车和农业机械化。在关于电话的预言中，爱迪生认为未来的电话将具有“智能”，甚至允许人们通过语音控制来查询信息，找到需要的联系人。这样的功能，与今天一些智能手机上的语音拨号系统异曲同工。（作者为北京科技报记者）

洞穴中的蛾子

　　◎马之恒

　　江苏卷

　　一群人来到光线暗淡、人迹罕至的洞穴里探险，洞穴里很神秘，他们就点了几支蜡烛，发现里面竟然有一群色彩斑斓的蝴蝶，他们欣赏了一会儿，不想惊动打扰蝴蝶就离开了。几天后，他们回到原地，想看看蝴蝶在不在，却发现蝴蝶已经栖居到更深更黑的地方去了。他们在想，是不是几支蜡烛的光亮影响了蝴蝶的生活习惯呢？

　　江苏卷的故事很唯美，但在高考结束后，这道题目在网上却招来吐槽声一片。网友们普遍认为这道考题有欠严谨，材料内容违反了蝴蝶的生活习性，并不科学。

　　在高考结束之后，一些网友发现，这段材料系根据《读者》杂志2011年发表的文章《轻一点，别点蜡烛》删改而成。通过这篇文章和作者用手机拍摄的“蝴蝶”照片，我们可以对当时探险者的见闻有更清晰的了解。如作者所言，他们进入的岩洞是一处钟乳石洞，两次进入岩洞的时间相隔几个月之久；作者拍下的照片则显示，他当时看到的是一种休息时翅膀平铺展开的昆虫。

　　这些线索表明，文章的作者，以及当年进入岩洞的其他探险者，看到的并非蝴蝶，而是蛾类。

　　蛾类，俗称蛾子，与蝴蝶同属昆虫纲鳞翅目。这个目是动物界中的第二大目，其中包含的物种仅次于昆虫纲鞘翅目（也就是甲虫那一类）。在全世界目前已知的大约150万种现存动物中，鳞翅目占据了20万种之多。在北京自然博物馆的动物展厅里，有一张根据不同的纲和目包含的物种数量绘制的科普图，那上面硕大的甲虫和蝴蝶，就是要告诉人们昆虫纲的这两个“超级大目”在自然界里的“分量”。

　　在鳞翅目内部，蝴蝶和蛾类的比例大致是1:9，蛾类占据绝大多数。在中国有分布的大约8000种鳞翅目昆虫中，蝴蝶和蛾类的比例大致是1:3，蛾类仍然是“多数派”。

　　虽然蝴蝶与蛾类在外观上有些相似，但如果仔细观察，也可以分辨出来。一般来说，蝴蝶的躯体比较瘦小，蛾类的躯体则比较肥大；蝴蝶的触角通常呈鼓槌状，蛾类则是羽毛状。从习性上看，蝴蝶在休息时翅膀会并拢竖起，蛾类则是张开平放；蝴蝶的活动时间大体严格限制在白天，蛾类则是日夜都有可能飞行，但大部分蛾类在夜间会更为活跃。此外，从色彩是否亮丽来分别蝴蝶和蛾类未必“靠谱”，虽然蝴蝶当中有很多色彩斑斓的成员，但蛾类之中也有些种类相当漂亮。从自然历史类博物馆中收藏的蛾类标本中，我们就能知其一二。

　　由此可见，探险者们在岩洞中看到的，其实是某种有着美丽的翅膀花纹的蛾类。由于它的外表不同于生活中常见的一些蛾类，因此被误认为是蝴蝶。不仅如此，考虑到蛾类成虫大多生命短暂，因此作者和同伴们两次进入岩洞，看到的很可能是两群不同的蛾类，甚至是两个不同的物种。不过行文至此，我们不妨再追问一句：抛开高考试卷和《读者》杂志上的材料不谈，蝴蝶有可能栖居在岩洞里吗？

　　答案是肯定的。虽然大部分蝴蝶会以卵、幼虫或蛹的形式熬过冬天的严寒，但也有少数蝴蝶，比如孔雀蛱蝶，会以成虫形态过冬。或者说，这部分蝴蝶有冬眠的习性。和许许多多冬眠的动物一样，冬眠的蝴蝶也需要把代谢速率大幅降低，以减少体内养分的消耗，熬过草木凋零、食物稀少的冬天。因此，蝴蝶必须谨慎选择冬眠场所：冬眠地点必须在整个冬天里基本保持恒温，而春天到来时又足以让蝴蝶感受到温度变化；而且，冬眠地点必须干燥，因为潮湿的环境容易滋生真菌，而冬眠状态的蝴蝶对此无从防备。一部分山洞的确有可能同时符合这两个条件，所以在山洞比较靠近洞口的地方，确实有可能发现正在冬眠的蝴蝶。

　　但如果根据《轻一点，别点蜡烛》一文的描述，作者与同伴是进入一处钟乳石洞探险的。这样的洞穴环境潮湿，而且作者看到“蝴蝶”的位置离洞口已有300米之遥。在这里，洞穴的气温基本恒定，不会随着季节变化而改变。因此，在这篇文章给定的环境中，作者看到的仍然不会是蝴蝶。

究而知之银河系

　　◎文镌

天津卷

　　中国自古有“学而知之”的说法，这里的“学”，通常被理解为从师学习。韩愈就说过：“人非生而知之者，孰能无惑？惑而不从师，其为惑也，终不解矣。”随着时代的发展，我们获取知识、掌握技能或懂得道理的途径日趋多元。请结合你的心得和体验，在“____而知之”中的横线处填入一字，构成题目，写一篇文章。

　　晴朗的夏秋夜晚，在远离喧嚣都市的郊区抬头仰望天空，可以看到一条银白色的带子从北方地平线上涌起，在头顶上汹涌跃过，向着南方奔流而下。这条银白色的带子就是银河，是天空最神秘壮观的景象。在古代罗马，人们把银河称作Vialactea,就是“乳汁之路”，现代英语里的MilkyWay也有着同样的意思。人们总想知道银河到底是什么。为了搞清这个问题，天文学家可谓煞费苦心。银河与银河系是两个不同的概念，银河系是一个天文学概念，而银河只是我们用肉眼能够看到的银河系的一小部分。遥远的古代人们就认识了银河，但用科学的方法研究银河系的历史只有400年。经过几代天文学家在这400年间的努力探索，我们已经比较清楚地了解银河系的形态、物质组成和运动规律。恰好今年天津高考语文卷的作文是“_____而知之”，笔者觉得如果要套用在银河系研究上，可以概括为“究而知之”，究即探索、研究。

　　第一位以科学态度探索银河本质的科学家是伽利略。他在1609年用自制的望远镜第一次观测星空，发现银河是由无数暗弱的星星聚集在一起。伽利略意识到星星多且密集，肉眼无法分辨，所以银河看起来就是一条银白色的带。伽利略首次证实银河是星星汇集成的庞大系统，揭开了银河神秘面纱的一角。第一次从实测角度描述银河系外形的是英国人赫歇尔，1785年赫歇尔通过对星星计数的方法断定银河系是扁平的盘状结构，太阳位于银河系中心。赫歇尔用他的望远镜一共进行了1083次观测，统计了117600颗恒星，这无疑是一项浩大的工程。赫歇尔的工作并非完美，关于太阳在银河系中心的结论甚至是错误的，但他所开创的研究方法和银河系呈扁平的盘状结构的结论都具有重要意义。赫歇尔的工作使人类的视野从太阳系扩展到更为广阔的银河系，这是一次巨大的飞跃，他也因此被后人尊称为“恒星天文学之父”。

　　1916-1917年，美国天文学家沙普利测量了93个球状星团中的造父变星，通过造父变星可以计算球状星团的距离。通过对测量结果的分析，沙普利发现这93个球状星团并不是相对于银河系中心呈对称分布。对这种现象可以有两种解释。第一种是太阳位于银河系中心，而球状星团的空间分布相对于银河系中心不对称。第二种是太阳不位于银河系中心，球状星团的空间分布相对于银河系中心对称。沙普利选择了第二种解释，他认为太阳不位于银河系中心，而是靠近银河系边缘位置。沙普利将太阳从银河系中心移开有重要意义，这是自哥白尼提出日心说以来，人类再次破除自己位于宇宙中某种中心地位的观念，为正确认识银河系乃至整个宇宙奠定了基础。

　　直到20世纪20年代初，人们对整个宇宙的认识依然停留在银河系内，很多人认为银河系就是整个宇宙。银河系是不是整个宇宙，当时的学术界有过激烈争论。1920年4月，美国科学院礼堂专门举行了一次“宇宙的尺度”的辩论会，论题就是银河系的大小、结构和旋涡星云的本质。鉴于当时观测条件的限制，争论没有胜利的一方。1925年元旦在一次美国天文学学术会议上，美国天文学家哈勃宣布了他的重大发现，哈勃利用造父变星计算了两个旋涡星云M31和M33的距离，遥远的距离说明这两个旋涡星云都位于银河系之外。哈勃的这一重大发现实际上是将银河系降级为宇宙中的一个普通旋涡星系，或者更形象地说银河系只是宇宙这个汪洋大海中的一个小岛屿。从此，人类的视野从银河系扩展到星系世界，为正确认识宇宙奠定了基础。

　　今天的天文学家凭借性能优良的空间望远镜可以看到宇宙的边缘，但我们所在的银河系依然有许多谜团没有解开。或许正应了古人所说的“不识庐山真面目，只缘身在此山中”。古人并没有悲观地认为“庐山不可识”，我们也不妨对银河系研究的未来做一些乐观的展望，人类探索银河系的脚步一刻都不会停止，随着更多优秀青年加入到银河系研究队伍中，银河系的许多谜团将会被慢慢解开。

　　（作者毕业于中国科学院上海天文台）

即使地球失去引力

　　顾城也不会变成孤儿

　　◎张轩中

福建卷

　　顾城的《忧天》：我仰望着夜空，感到一阵惊恐；如果地球失去引力，我就会变成流星，无依无附在天宇飘行。据此作文。

　　“黑夜给了我黑色的眼睛，我却用它来寻找光明。”这是给我最深印象的顾城的诗句。这双黑色的眼睛在“仰望着夜空”时，感到一阵惊恐;他想“如果地球失去引力，我就会变成流星，无依无附在天宇飘行。”诗人终是诗人，他将我们带入了想象的海，思想的深渊。但是，作为一个物理人，看到地球引力、流星、天宇，我不由得想到的是物理学。

　　地球的引力是怎么产生的？根据三百年前提出的牛顿的万有引力定律（这个理论后来被爱因斯坦的广义相对论所取代），引力的产生是因为地球具有质量。什么是质量？这个问题是最基础也是最深奥的物理问题之一。按照最现代的物理学理论，质量是由所谓的希格斯机制产生的。现在已经90岁的英国物理学家希格斯（P.W.Higgs）年轻的时候提出了希格斯机制。希格斯场被认为是物质的质量之源——它就像是一桶油漆，在它里面滚过的芝麻与绿豆都会变重——这也就相当于得到了质量。2012年，多名物理学家声称在ATLAS（LHC粒子物理实验）中捕获了希格斯场衰变成两个高能光子的过程。这一实验的发现，被认为很可能在未来两年内会被授予诺贝尔物理学奖。因此，简单地说，地球的引力产生于质量，而质量产生于希格斯场。

　　那么，地球引力的形成与质量的大小是什么关系？在地球上，我们一般以地球的重力测量质量。比如我们在水果店买了3斤苹果，这三斤的重量就是利用苹果受到的地球重力大概是30牛顿的重力来衡量的，3斤其实是苹果的“引力质量”。在爱因斯坦的广义相对论中，爱因斯坦假设，所有物体的引力质量与惯性质量是一样的，这就是等效原理。爱因斯坦的广义相对论更预言，引力质量会按照爱因斯坦引力场方程描述的那个复杂的物理规律产生引力场。所以，如果地球失去质量，确实会失去一部分引力场。

　　引力场的秘密很多很复杂，这也是牛顿与爱因斯坦为什么被公认为最伟大的两个物理学家的原因。

　　粗略地说，如果按照牛顿的万有引力定律，在地球失去引力以后，诗人顾城会因为惯性离开地球，这个时候他会被太阳的引力场俘获，成为绕着太阳旋转的太空人。这个时候的诗人不是流星，因为流星的轨迹是双曲线，而诗人这个时候走的是绕太阳公转的椭圆轨道。而如果根据爱因斯坦的广义相对论，地球失去引力以后，诗人顾城将在太阳所影响的时空中走测地线运动，将依偎在太阳的周围，不会变成一个太空孤儿。

　　顾城《忧天》诗的科学侧面是一个巨大的宇宙图像，值得人们想象和深思。

（作者为80后科普作家）

大豆变豆腐胀气依旧

　　◎史军

　　重庆卷

　　大豆是蛋白质含量极其丰富而又十分廉价的食物。可境遇曾一度尴尬，煮熟的大豆难以引起人们的食欲，还会引起肠胃胀气……豆腐的诞生彻底改变了大豆的命运……让普通大豆得到了升华。自拟题目，自选文体。

　　今年重庆高考卷涉及了我们平时常吃的大豆。在神农同志的尝百草行动中，豆科（蝶形花科）大豆属的大豆被挑选出来，以“菽”的名号位列五谷，跟稻、黍、稷、麦一起撑起了中土粮食的天空。大豆起源于何处还没有定论，但据考古证据显示，3000年前我们的祖先就开始种植大豆了，而6000年前遗址中发现的野生大豆，说明利用大豆的资源要早得多。

　　我们为什么会跟大豆杠上了？这不是因为它们可以变化成豆豉、豆腐、豆酱等诸多美味，大大提高了中华烹饪技术，而是因为蛋白质不仅可以提供日常所需能量，还可以为大脑发育提供必需的氨基酸。在《枪炮钢铁和细菌》一书中，详细介绍了不同文明古国的蛋白质来源，两河流域有驯化的野牛，南美有羊驼，北非有骆驼，中国则有大豆！而同样有人居住的新几内亚之所以没有发展出帝国，没有蛋白质来源是一个重要的原因。

　　不过，吃大豆在很长一段时间内都是我们和东亚邻邦的特别做法。直到18世纪初，大豆才传入欧洲。只是欧洲人不缺少蛋白质来源，他们饲养的牛、猪等动物已经足以完成此项任务，于是大豆的角色就变成饲料了。

　　1765年，大豆被一名叫SamuelBowen的水手带到了美国。于是，这种作物找到了更广阔的空间。不过，美国人民同样没有把大豆当做美食，而是开发出了它们潜在的工业用途。在第一次世界大战结束后，美国急于推进国内的农产品生产，首先就是改良耕地土壤，而带有固氮菌的大豆就成了不二之选。种植大豆可以有效地提高耕地的有机氮含量，从而让耕地焕发新生。但是，生产出来的大豆怎么用呢？它们没有被送进豆腐坊，而是送去了榨油厂。只不过，这些榨出来的油没有进炒菜锅，而是变成油漆刷在了汽车上。虽然生产汽车的福特老兄力主推进美国的大豆美食，甚至开发出了大豆冰激凌，但是美国友人们始终是把大豆制品当做娱乐产品，浅尝辄止。

　　但是，在中国，这个需要大豆承担供给蛋白质重任的地方，它们走上了另一条道路。如果不嫌弃的话，成天嚼大豆也是可以的，只是口味单调而已。变成豆腐，无非想换换口味而已。胀气的问题也不能完全解决，因为那是由豆类的多糖引起的。虽说磨制和过滤过程可以去除一些，但是它们确实还存在，别说是做成豆腐，就是做成豆腐干也不能完全解决。

　　另外，大豆的豆腥味也是让很多人，特别是西方人无法接受的重要原因。这种特殊的腥味主要是由以己醛为代表的30多种化学成分产生的，其间掺杂了不同大小的醇、醛、酸和酚类化合物。究其原因，是因为大豆中的脂肪氧化酶太活跃了，它们会氧化其中的亚油酸，从而产生小分子化合物，让大豆油和其他豆制品染上了浓浓的豆腥味。这点，咱们国人也忍了，谁让咱们蛋白质来源不足呢。不过，忍着忍着就习惯了，甚至爱上了，莫非这就是传说中的斯德哥尔摩综合症？

　　总的来说，大豆不止变成豆腐这一个出路，豆腐也仅仅是改变口味的一个解决办法。但是，要看到，每做出一个改变，就放弃了其他更重要的改变。变和不变需要慎重选择，毕竟变成了豆腐的黄豆就无法再榨油了。

　　（作者为果壳阅读策划人　植物学博士）

　　插图/冼莉