什么是电磁辐射,你的世界是几维的
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两周前我在加州太浩湖畔的山里滑雪。虽然已经是四月下旬了,山顶的雪还是很厚实。缆车高悬在山谷中间前进,四面都是寂静的雪山峰顶,天空湛蓝透亮,一片白皑皑的雄壮山岭背后是太浩湖的波光。让人很容易忘记世界上其他角落正在发生的事。

“法国选举的结果出来了么?”安静的缆车车厢里忽然有人问。

“刚出来。”另一个人掏出手机看了看说道。“马克龙和勒庞进了下一轮。”

“头几名的得票数都差不多。”第三个人的消息显然更详尽。“勒庞差一点就是第一。”

缆车里除了我以外的几个人都是白人中年男子,彼此看起来也并不熟悉。大家有一搭没一搭地聊着,说到勒庞的排外政策,川普的名字好像就在大家的嘴边打转,但并没人真的提到他。每个人都不知道其余的人是什么政治立场,谈及刚刚过去的美国大选显然不是件安全的事。紧凑的车厢里空气莫名变得有点紧绷起来。

“唉,雪场上别谈政治了。”一个人忽然说。大家哄然大笑,气氛又缓和了下来。

这是大选前后的美国社会里日常但又微妙的一幕。理论上说,美国人每四年都要经历一次社会的撕裂和弥合,对此早已轻车熟路。但这种撕裂的严重程度却正在随着时代发展急剧恶化。一项长期社会调查追踪了美国人能否接受自己的配偶和自己政治立场不同,上世纪六十年代时只有 5% 的人表示介意,2008年这个比例上升到了 25% 左右,2010年开始接近一半,到了2016年,你已经很难找到一个希拉里的支持者和一个川普的支持者不彼此鄙夷,更不用说还心平气和地坐在一起谈论政治了。

社会割裂的方向有时候是匪夷所思的。就在我滑雪的那个周末,全美国几乎所有大城市都组织起了捍卫科学的 March for Science,锋芒直指川普政府。回到上世纪六十年代,很难想象科学竟然能成为判断意识形态的一个指标。如果请当时的民众猜测哪个党的候选人会旗帜鲜明地支持科学,恐怕所有人都会一头雾水。但在今天,科学早已是泾渭分明的政治议题。就在游行前一天,马克龙在法国选战的紧要关头还贴出了英文声明来声援科学界:

“对每个参与 March for Science 的人,我想对你们说:法国永远是科学和学术的故乡。面对与日俱增的不信任,科学必须承担起自己的社会责任,而法国也必须诚实地面对自己。我向你们保证,我将捍卫知识,进步,以及启蒙的价值。”

而勒庞对这场活动不置一词,正如大家能预料到的那样。

图片 1马克龙(左),勒庞(右),两位截然不同的候选人。(图片来源:india express)

编辑的话:在谣言粉碎机粉碎的谣言当中,关于辐射的话题占了很大一部分。而很多辐射相关的谣言,都是源于对电磁场以及非电离辐射的相关概念不了解。由此我们翻译整理了世界卫生组织(WHO)关于电磁场的内容,帮助大家了解电磁场与非电离辐射。这是第一篇,关于电磁场的定义与我们身边电磁场的来源。第二篇:WHO告诉你,电磁辐射对健康有什么影响?第三篇:WHO告诉你,电磁辐射领域研究有什么新进展?

(文/David Hambling)疼痛到来时令人难以忍受。起初,它只相当于电吹风吹拂皮肤,但是几秒钟后,你的大部分表皮就仿佛被炙烤一般剧痛。这武器无人能够抵挡,剧痛之下,深藏的本能使人挣扎逃跑。

2002年,勒庞的父亲,国民阵线上一代领导人老勒庞出人意料地在法国总统大选首轮选举中位居第二,对决时任总统希拉克。

然后他迎来了毫无悬念的惨败。在当时的法国政坛上,老勒庞居于极右翼,希拉克处于中右,左翼由时任总理若斯潘领导。这种线性的排列反映了传统民主政治意识形态光谱的格局。在这种局面下,不慎在初选中落马的若斯潘当即宣布支持希拉克,整个政治谱系从中右到最左都归于希拉克麾下,孤立了极右的勒庞,年轻人在街上打出了“宁可要骗子也不要法西斯”的口号(希拉克常常被左翼称为骗子)。最终,希拉克在第二轮里以 82% 的选票赢得了史无前例的压倒性胜利。

乍看起来,2017年仿佛历史即将重演。中间派的马克龙和极右派的勒庞进入了第二轮选举,传统的右派政党领导人菲永和左派政党领导人阿蒙立刻表示支持马克龙,勒庞又像她的父亲一样被孤立在极右一隅。但和2002年相比,2017年有一个醒目的区别:极左翼的梅朗雄宣布中立,而他在初选中获得的20%的选票成了勒庞争取的重点。

政治光谱不再是一条直线,而是弯成了一个首尾相接的环。极右翼和极左翼试图合流了。

类似的趋势也发生在美国。川普能在大选中获胜,端赖中部州里白人蓝领工人阶级出人意料地倒戈。这部分选票本来不但是民主党的铁票,而且在民主党初选中倾向于支持比希拉里更左的桑德斯,却又在大选中投向了位于希拉里右边的川普。

大选结束之后桑德斯愤怒地咆哮:“失去工人阶级的选票,简直是民主党的耻辱!”但这只不过反映了在政治颠覆的年代里还在套用一维线性的意识形态光谱所带来的尴尬。政坛虽然仍然被习惯性地描述为左翼和右翼,但两党内部早已分崩离析,只维持着名义上的团结。工人阶级固然不愿意无条件支持希拉里,支持希拉里的那些硅谷的民主党新贵、城市职业精英和年轻技术移民们也会觉得,自己和密歇根州一个高中学历的白人下岗工人之间,也确实几乎没有任何共同点啊。

众所周知,左翼和右翼的概念源自1789年法国大革命后国民工会里议员座位的排列方式。这种偶然形成的一维结构具有惊人强大的生命力,几经革命还是一直坚持到了二十一世纪之初。法国虽然小党林立,历次大选最终总还是忠实地归队于左右对决。但这个结构看起来已经无法用来准确刻画今天的世界了。要描述一个典型选民的政治立场,需要用比左右更多的方向才行。

所以这个世界是几维的呢?

定义和来源

电场是由电压的差值产生的:电压越高,产生的电场也会越强。磁场是由电流流过时产生的:电流越大,磁场越大。在没有电流流过的时候,电场也会产生。如果有电流流过,磁场强度将随着功率消耗的变化而变化(注:也就是说跟电阻大小有关系),但是电场强度保持恒定。

疼痛的来源是一种全新的武器,原本由美军秘密研发,现在已经可以使用。这是真正的疼痛射线,可以在战场、监狱和动乱中镇压敌方。它的名字叫做“主动拒止”(Active Denial)。在过去10年里,没有一件非致命武器经历了像它这么多的研究和测试,在美国的研发资金就达到了约1.2亿美元。

大约一百年前,德国数学家豪斯朵夫问了一个看似奇特的问题:如何判断一个空间的维度。

在传统的数学体系里这问题没有意义,维度是在定义空间之初就预设好的。点是零维,线是一维,面是二维,诸如此类。

图片 2正方形(左),立方体(中),四维超立方体(右)。(图片来源:wikipedia)

但豪斯朵夫的问题是,如果不是一个传统的连续空间,如果根本就是一个离散但密集的个体的集合,如果它的结构复杂混乱,不能简单刻画为一条线或一个面,我们该怎么定义它的维度呢?

他提出了一个极具洞见,既新颖又深刻的思路。在传统的几何学里,空间的大小是维度的的指数函数。一维空间如果尺度倍增,空间也会扩大两倍,二维空间尺度倍增之后会扩大四倍,三维空间会扩大八倍。依次类推。豪斯朵夫说:既然如此,就把维度反过来定义为空间尺度变化的对数好了。如果一个空间的尺度倍增之后扩大了 2 的 n 次方,就可以说这个空间是 n 维的。

这个想法的威力在于,它完全不需要这个空间有任何规整的几何结构,可以定义在任何曲折混沌的对象上。而维度甚至也不需要是固定的整数。在上面那个定义里,n 是被计算出来的,而计算的结果可能是任何非负实数,一个空间完全可以是 1.58 维的。也没有理由它一定在空间内部处处相等,维度是个局部的概念,不是全局的。

就这样,豪斯朵夫大大解放了人们对于维度的理解。他的洞察源于这样一个简单但又极少被重视的事实:古典的几何对象只能够刻画简单完美的形状,而现实世界要模糊晦涩得多。非整数维度并不是数学的臆想,恰恰相反,不完美的维度是大自然的本质,反倒是纯粹的点线面体才是数学家高度抽象的理想概念。正如半个世纪后将豪斯朵夫的观念发扬光大的分形几何创始人孟德布洛特所说的那样:

“云朵不是球形,山峰不是锥体,海岸不圆滑,树皮不平整,闪电也并不是一条直线。”

显而易见,这种超越规整结构,试图探究纷乱离散的空间的观念在根本上就属于现代。豪斯朵夫的论文发表于一战结束不久的1919年,整个欧洲都在面对古典体系的崩塌和浩劫中支离破碎的社会。就在差不多同一个时期,斯特拉文斯基的春之祭在巴黎首演,粗暴的和弦和不规则的调性彻底告别了浪漫主义时期的古典音乐;毕加索正处在立体主义绘画创作的高峰期,竭力拆解几乎所有绘画对象的静态视角;德布罗意正在写博士论文,指出,任何物质都既是粒子也是波,量子力学的不确定性原理呼之欲出;维特根斯坦出版了名著《逻辑哲学论》,宣布:一切形而上学的陈述都是没有意义的。

虽然人们普遍相信数学是普适的,但数学观念的产生并不能脱离现实社会。豪斯朵夫的想法不会诞生在更早一二百年前的欧拉或者高斯的脑海里。如果外星人有和我们一样发达的数学,了解一下它们的社会发展到什么状态之后才出现了类似的概念,会是一件有趣的事。

电磁场的自然来源

在我们周围的环境中,电磁场无处不在,但是我们的眼睛看不到。在雷雨天气时,空气中局部电荷的积累可以产生电场。而地球的地磁场可以让指南针指向南北方向,鸟类和鱼类就是用地磁场来判断方向的。

许多人想阻止这种光线投入实用,但是围绕它的争议还远远没有定论。支持者称,使用“主动拒止”能够拯救生命。他们宣称,它造成严重伤害的几率微乎其微,而且危害比泰瑟枪、橡皮子弹或警棍要小。这个理由颇有说服力,但是如果考虑到人性的黑暗面,事情就没那么简单了。

如果要用同样的方式来理解社会,我们可以这样来粗略地定义维度:假定人和人的意识形态相似程度可以被度量出来,只要统计出一个人周围和他相似程度在一个特定距离以内的人数,把这个距离放大一倍之后的人数之比是 2 的几次方,在这个人的视角来看的社会就是几维的。

比方说:

一个理想中的所有人都紧密团结在一个核心周围的社会,扩大尺度并不会增加人数,所以这个社会是零维的。这是合情合理的事,一个万众一心的社会等同于它的核心,而单点当然是零维的。

一个简单的民主社会模型里,所有人排成从左到右的政治光谱,如果这个分布是均匀的,把尺度扩大两倍就刚好能包括两倍的人数,所以这个社会是一维的。如果他们的分布在这条直线上并不均匀而是更集中在中间派周围,其维度就还要更小一些,介于 0 和 1 之间。

一个更现实一点的模型是人们并不排成一条纯粹的直线,同时还表现出其余方向上的差异性。他们的分布更像是一个橄榄球的形状。在《政治学期刊》(The Journal of Politics)上最近刊发的一篇论文里,作者所描述的中国社会的意识形态光谱分布大致就是这个模型,其维度大致介于 1 和 2 之间。

但真实的世界恐怕远比这些模型都复杂得多,今日尤其如此。社会早已不再围绕着一个统一的中间派作为核心,而是分裂成若干各自为政的气泡,画地为牢,渐行渐远。在社交媒体的作用下,由于议题的变幻,这些气泡之间可以表现出复杂的合纵连横,但彼此已经不再有情绪的共振和精神的团结,昨日的联盟会是明日的仇寇。不同的人在不同的视野中观察出的世界面貌可以全然不同,无法再用一个单一的维度和形状来描述它了,云朵和闪电也许才是更合适的比喻。

在古典观念熏陶下长大的一代人,往往会在这幅新的世界图景面前手足无措,甚至会对周遭的变化表现出惊人的麻木不仁。1989年12月23日和12月25日,柏林墙刚刚崩溃之后,伯恩斯坦受邀在西柏林和东柏林分别指挥演奏了贝多芬的第九交响曲,成为不朽的经典。欧洲的统一近在咫尺。《欢乐颂》在1985年被定为欧共体的会歌,进而在1993年成为欧盟的国歌。显而易见,历史已经终结,天下即将大同,《欢乐颂》的歌词即将成为现实。只有最悲观的人才会愿意预期,仅仅一弹指间,欧盟就将命悬一线,而纳粹将会卷土重来。

躲在一个气泡里的个体可以假定岁月静好,一切宛如昨日幻乐,但这往往是悲剧的起源。他看到的只是一个复杂屈折的世界在更低维度上的投影,一个对狂飙突进的历史湍流的简笔画般的描摹,一个更容易被媒体所采纳和记忆的粗糙叙事,一座层移倒悬重重折射下的海市蜃楼。而真实——如果真实仍然有意义的话——则掉落在幽暗深邃的维度的缝隙里。在那里,一幅粗粝斑驳扭曲异质的图景,会让一个在不经意的一瞥之间扭过头去的观察者惊骇和战栗不已。

2017年5月7日,法国总统大选第二轮投票中,马克龙以二比一的选票比例赢了选举,他发誓要重建一个新法国,让极端主义不再有容身之地。《欢乐颂》在胜选集会上再次被奏响,这首诞生于两百年前的,代表古典浪漫主义最高成就的音乐作品,在今天仍然象征着人类对一个统一、和谐、进步、自由、平等、包容的世界的憧憬。

你更愿意相信,这是新时代的序曲,还是一阙旧日梦想的挽歌呢?

电磁场的人造来源

除了自然来源以外,电磁波谱也包括了很多人造来源产生的电磁场:X射线可以用来检查运动时意外骨折的四肢;每一个电源插座的电力与极低频电磁场有密切的联系;拥有更高频率的无线电波可以用来传递信息,无论是通过电视天线,广播电台还是手机基站。

疼痛射线

“主动拒止”的创意可以追溯到雷达对于生物组织效果的研究。从20世纪40年代起,研究者就已经知道,特定频率的雷达装置产生的微波辐射能够加热旁观者的皮肤。不过,将这种微波能量用作非致命武器来研究,则是直到20世纪80年代末才起步的。这项研究属于军事机密,地点在美国新墨西哥州阿尔布开克的科特兰空军基地,由那里的空军研究实验室(AFRL)操办。

AFRL的研究人员首先面临的问题是,能不能让微波在不伤害皮肤的前提下引起疼痛。微波炉的那种辐射是肯定不行的,因为它会深入人体内部,几秒钟便会摧毁细胞。

AFRL团队找到了解决问题的关键,那就是使用毫米波。这是一种波长很短的微波,频率约为95千兆赫。通过对人类自愿者的测试,他们发现这种微波只会穿透皮肤最外层大约0.4毫米,因为它们会被表皮组织中的水分吸收,无法深入。只要对射线的功率有所限制,将施加在每平方厘米皮肤上的能量控制在某一个水平之下,皮肤组织的温度就不会超过55摄氏度,比能够让细胞受损的温度稍低一些(参见《生物电磁学》期刊,第18卷,403页)。

虽然不会受伤,但人会感觉到异常疼痛,因为人的表皮含有一种叫做“热伤害感受器”(thermal nociceptor)的痛觉感受器。它们负责对威胁做出迅速反应,并在受到刺激时启动“抵制反应”。

图片 3亚毫米波只能深入皮肤0.4毫米,足以产生疼痛,却不足以造成伤害。图片来源:《新科学家》

要制造武器,下一步就要产生能射到几百米之外的高能光束。在当时,人类已经有能力将波长较长的微波送到远处,比如使用雷达系统,但是要将同样的技术应用到毫米波上则行不通。

在AFRL的配合之下,美国马萨诸塞州华森市的军工承包商雷神公司(Raytheon Company)造出了一台原型机,它包含一个关键部分:一只回旋管。回旋管是用来放大毫米微波的装置,它产生出一个旋转的电子环,被一块低温冷却的超导磁体固定在一个磁场当中。电子旋转的速度和毫米微波的频率正好匹配,形成一种共振效应。接着,被放大的毫米微波再传到一根天线上,通过天线发射出去。

“主动拒止”的第一台原型机取名“零号机”,于2000年完工,重达7.5吨,体积太大,不易搬动。没过几年,又有一台可以移动的样机问世,这次可以放在重型车辆上运输了。

今天的“主动拒止”系统是专门给军队设计的,外表看来就像一面装载在卡车上的巨大卫星天线。它发出的微波束直径约2米,能够击中几百米之外的目标。这种微波是脉冲式的,每次脉冲持续3至5秒。

据不幸被这种射线击中的人报告,那种感觉教人痛楚难当。《连线》杂志线上博客“危险房间”的记者斯宾塞·埃克曼(Spencer Ackerman),在2012年的一场媒体招待会上,感受了一把这种射线的威力。“你可能觉得自己能够忍受那种烧灼感,但是你的身体绝不会同意,”他说,“起先,我的肩膀和胸的上半部感到了一阵干冷,像是在早春的时候来到了弗吉尼亚的田野上。但是仅仅过了一秒,那些部位就好像烤焦了似的,那是一种酷热的刺痛。这种感觉导致你的神经直接接管了已经变得软弱无力的意识。我之所以会逃开,并不是因为我觉得应该逃开——我只是跟着身体的指示在行动而已。”此外,这种射线很难屏蔽,因为微波能够穿透衣物。

眼下,雷神公司正在制造体积较小的系统,供执法人员或商业海事人员使用。它们可以放在监狱等室内环境,或者安装在船只上抵御海盗的袭击。用不了多久,手提版本也可能问世。雷神已经研发出了几台小型实验原型机,其中的一台大小和重型步枪相当,打算配备给警察使用。

近年来,其他国家也开始研发各自的疼痛射线。虽然美国的系统仍然领先全球,但以色列已经开始了早期研究。2012年,俄国政府也宣布将制造自己的疼痛射线装置。

那么,这项技术为什么至今还未投入使用呢?美军的高级将领一直主张将这种武器部署在敌对环境当中,说这样就可以控制人群、预防暴力的升级。2010年,“主动拒止”运入阿富汗,但之后又原封送回。不久前,美国国防部又在一份报告中指出,如果先前在利比亚的班加西部署非致命武器,2012年的领馆袭击事件就有可能避免。这份报告还建议,在其他类似的海外哨所引入这类武器。报告中并未点名要求“主动拒止”,但它显然是不二之选。

图片 4能够发射“疼痛射线”的“主动拒止”武器系统,外表看来就像一面装载在卡车上的巨大卫星天线。图片来源:hapico.com

波长和频率的基础知识

几乎无害

“主动拒止”迄今未投入使用,一个关键的问题就是,它是否会对人体造成未曾预见的伤害。在这方面,证据又怎么说呢?

AFRL在20世纪90年代末就开展过早期测试,以研究这种武器造成烧伤的可能。他们做了一个小型试验装置,用射线照射自愿者背部几平方厘米的皮肤。结果显示,副作用似乎少而轻微,于是AFRL扩大了测试的规模。

从那以后,总计有超过1.1万人接受了照射。根据美国国防部的说法,其中只有8人烧伤,6人身上起了黄豆大小的水泡,另外2人需要医治,但后来都恢复了健康,没有留下遗患。如果这些数字属实,伤害率真的不到千分之一,那么疼痛射线就要比其他非致命武器(比如泰瑟枪)优越得多。据美国司法研究称,泰瑟枪造成的严重伤害,每1000人中就有3人。(需要说明的一点是,这个数字没有得到泰瑟枪制造商的认同,而且它反映的是实际使用中的比例,而非受控实验。)

那么,对于身体的其他影响呢?毫米波是否会引发癌症?对眼睛和生殖器等敏感部位,又有什么危害?

作为非电离辐射,毫米波不太可能诱发癌症。不过研究人员还是在小鼠身上进行了超过12周的研究。研究在《癌变》杂志(Carcinogenesis)上发表,结论是该射线没有致癌风险(参见第22卷,1701页)。

另有几项同行评议研究探索了这种射线对眼睛的影响,对是否佩戴眼镜、隐形眼镜和护目镜的情况都做了考虑。对灵长类动物的实验表明,这种射线只有在眼睛保持睁开的情况下才会造成伤害,但由于人眼在被照射时有眨眼反射,因此被疼痛射线所伤几乎是不可能的。至于生殖器官,有研究表明这种射线对精子的活力和形态均无影响。

进一步的研究又探索了这种射线对于起搏器、金属植入物和类似医疗装置的影响,结果都没有发现什么特别的危害。还有一些测试甚至开始另辟蹊径,比如有人测试了喝伏特加能否使人更加耐痛,还有人研究了化妆的作用——两者均无效果。

这些的医学研究已经通过了几个军事专家委员会的核实。不过,最有说服力的评估或许来自一个叫作“人类危害顾问委员会”(HEAP)的独立学者团体。这个委员会曾在2002年、2004年和2007年被召集起来,目的是评估科研项目的质量。它的结论和上述发现吻合,认为“主动拒止”系统“造成伤害的可能性很小”。事实上,委员会成员表示,对这项研究相当满意。其中一人甚至说道:“别的研究项目也应该考虑得这样周到才是。”

尽管如此,还是有人反对这项技术的应用。他们声称,该技术有可能对人类造成任何医学评估都无法预见的伤害。

这些反对声是在2010年浮出水面的。当时美国洛杉矶的一家媒体报道说,一家名叫“皮切斯拘留中心”的监狱打算用一项新技术来中止囚犯间的打斗。那项技术同样由雷神公司研发,是“主动拒止”系统的民用版本,名叫“袭击干预装置”(Assault Intervention Device)。这个疼痛射线的翻版比军用版要小,被设计安装在公共区域的天花板上,能够发出直径10厘米的射线。

这项试验的发起人鲍勃·奥斯本(Bob Osborne)是洛杉矶县警局的前任指挥官。他说,他相信这个装置能够减少伤害,对囚犯和狱警都有好处。他还说,目前用来阻止囚犯斗殴的方法,通常是用警棍甚至徒手,都会导致严重瘀青,甚至折断骨头。

实际上,一个美国司法部召集的独立咨询委员会已经为拘留中心的试验亮起了绿灯,理由是“该装置造成伤害的风险极小”。委员会只附加了一条规定,要求每次使用装置都要记下“特定而详细”的医疗数据。委员会成员之一、来自密歇根州底特律市韦恩州立大学的辛西娅·伯尔(Cynthia Bir)表示:“我们非常欢迎他们开展试验,只要能按规定记录就行。”

图片 5多项医学研究表明,“主动拒止”武器系统除了给人造成灼烧感以外,不太可能对人产生真正的伤害。但这种武器系统的实际应用,遭遇到了一个意想不到的难题。图片来源:secretsofthefed.com

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