凿空厚壁

视频 讲稿

大家好,我是苑明理,一位工程师。今天我想给大家分享的题目是《凿空厚壁:得见星空》。

我想在开始之前先问一下大家,有多少人是我们“大刘”—刘慈欣—的读者?有一些朋友已经提到《三体》,但是我今天这个题目其实跟《三体》没有关系,相关的倒是另外一部小说。

这部小说是刘慈欣的非常出色的一个作品,叫做《山》。它讲述了一个故事中的故事。它从这样一个设定开始: 有一个行星,在它的地核里,就是它星球最核心的那一部分,里面有一个文明世界。 这个文明世界里的人,通过一种叫做泡船的东西,就是我后面这幅图里的小泡泡,开始探索周围的世界。 他们用了 10 万年的时间,历尽千辛万苦,终于从地核抵达到了这个行星的表面。小说里描写了一个非常让人激动的场面: 他们可以遥望头顶的星空,看到一幅壮美的图景。 所以我用"凿空厚壁"这句话来作为我这次演讲的题目。我下面要讲的东西,在内容上其实跟这个行星完全不一样,可是在寓意层面上,两者有很深的关联。

下面我先给大家简单地介绍一下我创造的瓦克星的设定。 我们的飞船马上就要出发了,飞往的目的地就是瓦克星的世界。 它是什么样的星球呢?它比地球略微大一点。我们可以在图示的上面看到地球和太阳系,下面就是瓦克星和它的太阳在一起。它有两个太阳,围绕这两个太阳在旋转。 而且我们这两个太阳中,一颗是黄星,较暗的一棵星;一颗是蓝星,光亮程度稍高。然后我们的飞船在逐渐逐渐飞临瓦克星,我用计算机模拟出来的一幅画。

我们在太阳系,看到的星体都是像月牙一样的形状,或者是满月之后凸出来的那种形状。但在这里大家可以看到图像是像一个鸭梨一样的形状。为什么呢? 因为在这个星系里,它有两个太阳的光芒在照耀,所以就形成了这样一幅图案。

一句话来概括我这个计划就是:我想通过模拟一个有两个太阳的行星世界,把上面的山川、海洋、风雷雨点甚至生物都模拟出来。 然后通过这样一个过程,来促进物理、数学和计算机知识的教育。

它是一个教育项目不是一个科研项目。如果是实际科研的话,有太多的未知因素是我们无法确定的。但如果我们设定了这个场景,跟地球略微类似,却有稍有不同的话, 我们就可以在这个模拟过程中发现很多有意思的事情。

我设计了一条探索的路径。首先我们要进行行星系的建模,我们要确定一些几何关系。 确定一个行星的稳定的轨道,探索一下上面怎样才是一个适合生命居住的环境; 然后我进行行星建模,把行星表面上的物理环境给刻画清楚。当光、热、水的条件都具备了,我们甚至可以去考虑上面的生命。 生命这个阶段,我目前还只是简单的想了一下, 只做了比较少的探索。最后,我们甚至可以去探讨,在这样一种环境下,他们的文明会具有怎样的观念。

我先简单展示一下我模拟出来的初步成果。

这幅图是一个地图,大家可以看到黄色的部分和蓝色的部分,黄色的部分是黄星照射的区域,蓝色的部分是蓝星照耀的区域,而白色的部分是这两颗恒星同时照耀的区域。 跟地球上稍微不一样的地方在哪里呢? 我们知道在地球上当我们的一个地极处于极昼的时候,那么另一个地极一定处于极夜。可是在这个恒星上,它一年中总会有那么短暂的几天, 它的两极分别在两个太阳的照耀之下。我在设想,如果这个行星上有一个文明的话,这几天可能会成为他们的节日。这是一点不太一样的地方。

下面进行到行星建模的部分,我考虑了怎么样把它的陆地和海洋,甚至山川、高原,低地这些都模拟出来。我通过一种分形算法,达到了这个目的。 我还甚至考虑去模拟上面的大气。我们可以用一种非常简单的微分方程把大气的几种状态刻画出来,然后就让这个系统演化。下面的这幅图是我们模拟的初期。 它有红色和蓝色两部分。蓝色表示的是温度比较低,红色表示是温度比较高。这是一个大气的垂直的剖面图,我们看到下面是接近地表的部分,上面的部分就是高空。

高空是冷的,下面是热的。光线照耀到地表,然后地表去加热大气,这是模拟一开始的场景。随着模拟的推进,我们就会发现,慢慢的,中间这一层就变成一个低温层,越往高处温度越高,从中间层往低处走也是温度变高。这个结果其实刚好跟地球上是一样的。 就是说会出现两个层次的大气。第一个层次是底下的对流层,因为高空的空气是冷的,空气会往下降,而且形成对流,比较丰富的天气现象会在里面发生。 上面的部分叫做平流层。在瓦克星上,这跟地球上是一模一样的。这个结论当时让我兴奋了好几天。

然后我做了简单的设计,尝试模拟上面的植物。我模拟了植物的生长,在数学里有一个完美的系统叫做 L-system 可以把植物的生长完美的刻画出来。 我更想去做但目前还没有去做的是:在这样的一个环境里,植物会是怎样的形态?它跟地球不一样,它的光线照射、水也是不一样的。怎样的植物形态才是更合适的形态? 这是我目前想去探索的,但是还没有做的。

我们简单结束对瓦克星物理世界的一个描述。下面我想步入一个更有意思的环节,尝试去看一下它上面的文化系统。 我会带领大家去看一下它上面的空间观念、时间观念以及数字观念是什么样的?

我现在先进入到第一个环节:空间。 现在有一个非常热的词叫增强现实。大家可能会认为增强现实是一个非常酷的科技名词,比如说谷歌眼镜的例子。 那大家有没有问过自己,最早的增强现实是什么?是最近才发明出来的吗,还是很早以前就有?我有一个看法:最早的增强现实其实在很久很久之前就已经出现了,比如说四方位。 方位感其实是生物内在的生理机制,但人类的空间秩序是一种文化的产物,它不是这个世界本身就具有的一种东西。

可以设想一下,很久很久很久之前,原始人走出了洞穴,他们看到远处有一座山,或者是一条河流,给它们命名比如黄浦江、佘山。这是人类赋予自然界,而不是自然世界固有的。这是命名。 我们出门要怎么走才能到佘山?比如说要往西走。这个“西”其实是人类赋予这个空间一种秩序,是赤裸裸的物理世界里没有的属性。

所以我认为地名和四方位,就是最早的增强现实技术。它其实很久很久之前就发明了。 右侧这个图案是在金沙出土的一个四鸟环乌考古遗物,它告诉我们: 古人是对太阳的运转有了深刻的观察和理解之后,才提出了四方位的概念。

大家可以看一下这幅图,这是国际空间站拍摄的上海和苏州的上空的夜景。大家可以看到苏州清晰的街区这种网状结构,而且街区是沿着东西和南北方向展开。 可以想象,人类发明了东西南北观念之后,这种观念物化到我们的环境当中,我们后来人一出生就接触到了有东西南北这种观念的一个世界,可能就从来不奇怪, 也不去想东西南北是什么,因为地标从来里就有这种东西。但其实这会使我们处于一种麻木的状态,体会不到事物最本质是层面。 瓦克星给我们提供了一个机会,让我们可以问一下,在这个星球上,它的东西南北究竟是什么?

比如太阳从东边出从西边落,但在地球上我们要精确的定义正东和正西的话,必须在春秋分才能达到。但对瓦克星来说,怎么样定义它的春秋分呢?它的轨道是零乱的,不是那么规整的一个圆。 另外,我们可以把一天内日影最短的那个方向定义为南方。但瓦克星有两个太阳,你怎么定义正午时光呢?北极星指北是我们最常见的一个说法。 但北极星的存在是一个偶然,地球是旋转的,在地球上某些时刻因为有岁差的原因,也可能看不到北极星,那我们怎么定义北?

所有这一切,会迫使我们去思考究竟什么是东西南北。 我自己是走了一段弯路才认识到这个问题。 我一开始认为,北半球的中纬度地区的房子指向是朝南,因为采光量在这个方向上是最大的。我于是设计一个程序然后让它跑,跑了好久最后得出一个结论:算出来的方向刚好就是经线的方向。 我那一刻才恍然大悟,原来东西南北的本质是来源于行星旋转那个稳定的地轴。沿着地轴稳定的指向,我们就可以把东西南北顺利地定义出来。

所以说,我们因为生活在已经有东西南北的一个世界里,就可能不去思考它是怎么被创造出来。这种懒得思考、麻木僵化的思维,就是主题—凿空厚壁—里所指的“厚壁”。 这也符合刘慈欣小说里的原意,厚壁不单是指要攻克的行星从地核到地表的物理空间,还包括我们内心世界;最开始我们是无知的,有一个错误的判断, 但是随着探索的深入,我们把这个错误消除了,于是就认识到了一个更加真实、真切的世界,这就是我这次演讲主要想强调的。

好,下面我们看一下历法。 我们先看一下地球上的考古遗物。这是一个新石器时代的骨头,上面可以看到这些小点,它们记录了地球上月象的变化。 这边是柏林德国国家历史博物馆的一个金属帽子,它是青铜时代人们记录时间的一种日历。 于是,大家可以看到,通过对某种天文现象的观测,人类确定了地球上计时的一个周期。 那么,我们就可以问瓦克星上最显著的天文现象是什么?

我经过一段时间的思考,得出了一个结论,在瓦克星上其实最壮观的一个天文现象就是日食,但它和地球略微不同——它是交错出现的两种日食。 大家首先看到的是地球上新西伯利亚地区的一次日食,这个日食的景象非常壮观。在瓦克星上,大家可以设想一下上面日食的场面,它会是另外一种非常壮观的情况, 跟地球上先亮再变暗再变亮的过程不一样。

第一次是黄星从蓝星前面经过,接着下一次,就是蓝星从黄星的前面经过。天空一开始是由两颗恒星照耀是一种颜色,当黄星从蓝星前面经过的时候, 这个世界的光线就会变得越来越暗,同时越来越黄;然后,光线颜色发生变化又慢慢复原,恢复到先前的光明程度和色彩。接下来是交错的下一场日食, 那个时候天空先变暗,变蓝然后再变黄。 这种交错出现的两种日食跟地球上非常不同。 在此基础上,那里的智慧生物就可以以此定义一种时间周期,来确立一种称为"食历"的历法。

地球上的文明成就还有一种:《尚书·尧典》里记载了先人怎么通过观测恒星的位置,来判断一年的四季。这里用到的方法就是判断恒星的位置。 在瓦克星上也可以通过观测背景星空来确定它的时间,但这里就不再是一个简单的周期,而是一个类周期的现象,这样我们可以就可以定义另一种"星历"。

更有意思的问题是,地球上有四季的说法,它和植物的生长有关系,是一种农业历。在地球上,农业历跟天文历的周期是吻合的。 那么在瓦克星上会成立吗? 让我们看一下模拟。我们看到两个星体的旋转,和光线在纬度上的分布。从底下这根线,我们可以看到的行星接收能量的大小变化。通过分析这个能量变化, 我发现这个周期是几年的,而不是一年。于是,我们就可以得到一个结论:瓦克星上有着非常复杂的气候变化,不是简单的四季,周期远大于一年,是一种多年的不重合的类周期。

下面让我们进入到数学的部分。大多数朋友都会有一个印象,数在逻辑上是非常坚实的。那么,我想让大家看一下,数其实还可以有多种不同的选择。

古代埃及文明做乘法的一种方式,比如11×35,古代埃及人是先把11写在这一侧,然后35写在这一侧,然后他们一次把它们都扩大二倍,在左侧我们就得到了1248,在右侧我们得到了35、70、140、280,他们会发现1+2+8刚好是11,于是他们就把右侧的35跟70跟280加在一起,最后他们能得到一个正确的数。 这种方法可能显得非常笨非常原始,跟我们现代人用的方法不一样。我们现代人用的方法更多地依托于乘法表,我们从小就背的小九九,大九九,总共是81项。 但对古巴比伦文明来说,他们是一种60进制的数制。那对于一个60进制的文明怎么去做乘法呢?难道还要背一个乘法表吗? 如果背乘法表的话,总共有3600项,这是任何一个普通智力的人都做不到的。他们怎么样才能把乘法运算做出来呢?

人们猜测了一些非常巧妙的方法,比如通过一个平方表来实现。因为A+B的平方等于A的平方加上B的平方再加上2AB,利用这个关系,我们就发现,A+B和的平方,减去A的平方,再减去B的平方。 这个差出来之后再除以2,刚好就是A×B。 换句话说,我们可以构造另外算法,它以平方关系为基础,只需要配合减法和除2的操作,就能顺利的完成乘法。 这是完全不同的一种心理过程,我们竟然还可以通过别的方法来实现乘法操作!

下面回到我的结语部分。我们日常生活中有很多习以为常的观念,当来到另一个完全陌生的环境,这些原有的观念就不能简单成立,我们得去设想另外的一些方法来方便我们生活。

古代中世纪时代的一个神学家 Nicole Oresme,他有一种宇宙观:上帝眷顾的世界,并不只有我们的一个,而是有很多很多的可能。这是一种哲学上的形而上探讨。 头几年我们发射了 Kepler 卫星。在卫星帮助下,我们观测了天空中很小的一个区域,就是大家在图上看到的那个方块的区域,就已经发现了几千颗行星, 这些行星中,可能有一些会类似地球这样有水存在的,我们称它们是处于宜居带的行星。 于是我们可以肯定,在如此浩缈的一个宇宙空间里,一定有非常多的行星世界。 于是,我们不能不有一种发自内心深处的疑惑—我们的位置究竟在哪里?

最后,希望我们可以存有一颗谦卑的心,意识到宇宙如此之大;同时还能保持一份敏感,令我们体会到大千世界的众多不同; 在这种最深切的好奇的感召之下,让我们去探索广阔的宇宙。

谢谢大家。