科学家们在普通条件下观察单个量子振动

当一根吉他弦被拨动时,它会像任何振动的物体一样振动,像波一样上升和下降,正如经典物理学定律所预测的那样。但是根据量子力学定律,即在原子尺度上描述物理学的工作方式,振动不仅应该表现为波,而且应该表现为粒子。同样的吉他弦,当在量子水平上观察时,应该作为能量的单个单位振动,即声子。

现在,麻省理工学院和瑞士联邦理工学院的科学家们首次在室温下在一种普通材料中创造并观察到一个声子。

到目前为止,单个声子只能在超低温和精确设计的微观材料中观察到,研究人员必须在真空中进行探测。相比之下,研究小组在室温下在一块钻石上创造并观察到单个声子。研究人员在《物理评论X》杂志上发表的一篇论文中写道,研究结果“让量子行为更接近我们的日常生活。”

麻省理工学院Kavli天体物理和空间研究所的博士后Vivishek Sudhir说:“我们对振动(波)的日常体验和量子力学告诉我们的必然是粒子之间存在着两分法。”“我们的实验,因为是在非常有形的条件下进行的,打破了我们日常经验和物理学告诉我们的必然事实之间的紧张关系。”

该团队开发的技术现在可以用于探测其他常见的量子振动材料。这可能有助于研究人员描述太阳能电池的原子过程,以及确定为什么某些材料在高温下具有超导性。从工程学的角度来看,该团队的技术可以用来识别共同的携带声子的材料,这些材料可以在未来的量子计算机之间实现理想的互连或传输线。

论文的主要作者之一Sudhir说:“我们的工作意味着我们现在可以使用更广泛的系统来进行选择。”

苏迪尔的合著者是瑞士联邦理工学院的圣地亚哥·塔拉格·维勒兹、基廉·西博尔德、尼尔斯·基普弗、米切尔·安德森和克里斯托弗·加兰。

量子力学“民主化”

声子,量子力学中描述的振动粒子,也与热有关。例如,当一个由相互连接的原子有序晶格构成的晶体一端受热时,量子力学预测热量会以声子或分子间键的个别振动的形式在晶体中传播。

单声子很难探测到,主要是因为它们对热很敏感。声子容易受到任何大于其自身能量的热能的影响。如果声子本身的能量较低,那么暴露在较高的热能下可能会触发材料的声子集体激发,使探测单个光子成为大海捞针般的努力。

第一次观察单个声子的努力是用一种特别设计的材料来实现的,这种材料以相对较高的能量容纳很少的声子。然后,这些研究人员将这些材料浸入几乎绝对零度的冰箱中,Sudhir将其描述为“残酷、极冷”,以确保周围的热能低于材料中声子的能量。

“如果是这样的话,那么(声子)振动就不能从热环境中借用能量来激发多个声子,”Sudhir解释说。

然后,研究人员向材料中注入光子脉冲(光粒子),希望一个光子能与一个声子相互作用。当这种情况发生时,光子,在一种称为拉曼散射的过程中,应该会以一种不同的能量反射回来,这种能量是由相互作用的声子传递给光子的。通过这种方法,研究人员能够探测到单个声子,尽管是在超高温度下,而且是在精心设计的材料中。

“我们在这里所做的是提出一个问题,如何摆脱围绕这个物体所创造的复杂环境,并将这种量子效应带到我们的环境中,在更常见的材料中看到它,”Sudhir说。“从某种意义上说,这就像是让量子力学大众化。”

百万分之一

在这项新研究中,研究小组将戴蒙德作为实验对象。在钻石中,声子自然地以几十太赫兹的高频运转——如此之高,以至于在室温下,单个声子的能量高于周围的热能。

“当这种钻石晶体在室温下放置时,声子运动甚至不存在,因为室温下没有能量激发任何东西,”Sudhir说。

在这个振动平静的声子组合中,研究人员的目标仅仅是激发一个声子。他们向钻石(一种由碳原子组成的晶体)发射高频激光脉冲,每个脉冲由1亿个光子组成,希望其中一个光子能与声子相互作用并反射回来。然后,研究小组将测量碰撞中光子频率的降低——确认它确实碰到了一个声子,尽管这个操作不能分辨在这个过程中是一个还是多个声子被激发了。

为了破译被激发的声子数量,研究人员向钻石发射了第二道激光脉冲,因为声子的能量逐渐衰减。对于每一个被第一个脉冲激发的声子,第二个脉冲可以使它失活,以新的、高能量光子的形式带走能量。如果一开始只有一个声子被激发,那么就会产生一个新的高频光子。

为了证实这一点,研究人员在玻璃的两边各放置了两个探测器,并放置了一个半透明的玻璃,通过这个半透明的玻璃,新的高频光子将从钻石中出来。光子不会分裂,所以如果多个声子被激发然后被去激发,产生的光子应该穿过玻璃并随机地散布到两个探测器上。如果只有一个探测器“咔哒”一声,表示探测到了一个光子,那么研究小组就可以确定这个光子与一个声子相互作用。

“这是一个聪明的把戏,我们可以确保我们只观察到一个声子,”Sudhir说。

光子与声子相互作用的概率大约是100亿分之一。在他们的实验中,研究人员以每秒8000万脉冲的速度对钻石进行轰击——Sudhir将其描述为在数小时内“数以百万计的光子组成的序列”,以探测到大约100万个光子-声子的相互作用。最后,他们发现,具有统计意义的是,他们能够创造和检测到单个量子振动。

苏希尔说:“这是一种雄心勃勃的主张,我们必须谨慎地进行科学严谨的研究,不允许有任何合理的怀疑。”

当他们发送第二个激光脉冲来验证单个声子确实被创造出来时,研究人员延迟了这个脉冲,在激发的声子能量开始衰减的时候发送到钻石中。通过这种方式,他们能够收集声子自身衰变的方式。

“因此,我们不仅能够探测单个声子的诞生,还能够探测它的死亡,”Sudhir说。“现在我们可以说,‘用这种技术来研究一个声子在你选择的材料中消失需要多长时间。这个数字非常有用。如果死亡所需的时间很长,那么这种材料就可以支持相干声子。如果是这样的话,你可以用它做一些有趣的事情,比如太阳能电池中的热传输,以及量子计算机之间的互连。”

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欧不裂的怪异行为现在是可以预测的了

这是很多学龄前儿童都知道的一个现象:当你把玉米淀粉和水混合,奇怪的事情就会发生。轻轻地在碗里搅拌,混合物就像液体一样四处流动。挤压它,它开始感觉像糊。用手把它卷起来,它就会凝固成一个橡胶球。试着把球捧在手心,它会像液体一样慢慢流走。

我们大多数玩过这种东西的人都知道它叫“欧不裂”(oobleck),这个名字来源于苏斯博士(Dr. Seuss)的《巴塞洛缪与欧不裂》(Bartholomew and the oobleck)中一个黏糊糊的绿色黏液。另一方面,科学家们把玉米淀粉和水称为“非牛顿流体”——一种根据物理操作方式而显得更厚或更薄的物质。

现在,麻省理工学院的工程师们开发了一个数学模型来预测欧不裂的怪异行为。利用他们的模型,研究人员精确地模拟了欧不裂在各种条件下是如何从液体变成固体再变回来的。

除了预测这些物质在学步儿童手中的作用,这个新模型还可以用于预测欧不裂和其他超细粒子的解决方案在军事和工业应用中的表现。一种类似于卵圆石的物质能填满公路坑洞,并在汽车驶过时暂时变硬吗?或者,这种泥浆可能会填充防弹背心的衬里,短暂地变形为一个额外的盾牌,以抵御突然的冲击。有了团队的新欧不裂模型,设计师和工程师可以开始探索这种可能性。

麻省理工学院机械工程副教授Ken Kamrin说:“这是一种简单的材料,你去杂货店买玉米淀粉,然后打开水龙头。”“但事实证明,支配这些物质如何流动的规则非常微妙。”

Kamrin和研究生Aaron Baumgarten今天在《美国国家科学院院刊》上发表了他们的研究结果。

成块的模型

Kamrin的主要工作集中在描述粒状物质(如沙子)的流动。多年来,他建立了一个数学模型,可以准确预测在许多不同条件和环境下干颗粒的流动。当Baumgarten加入这个小组时,研究人员开始建立一个模型来描述饱和的湿沙是如何移动的。大约在这个时候,Kamrin和Baumgarten看到了关于欧不裂的科学演讲。

卡姆林说:“我们看过这个讲座,我们就欧不裂是什么,它与湿沙有什么不同进行了长时间的辩论。”“在和亚伦进行了一番激烈的讨论之后,他决定看看我们能否把这个湿沙模型变成欧不裂的模型。”

欧不裂的粒状物质比沙子要细得多:一粒玉米淀粉大约1到10微米宽,大约是一粒沙子的百分之一大小。卡姆林说,在如此小的尺度上,颗粒会受到影响,而像沙子这样的大颗粒则不会。例如,由于玉米淀粉颗粒非常小,它们可能会受到温度和颗粒间电荷积聚的影响,从而导致它们之间的轻微排斥。

卡姆林说:“只要你慢慢地挤压,这些颗粒就会互相排斥,在它们之间形成一层液体,就像液体一样滑过彼此。”“但如果你做得太快,你就会克服那个小小的排斥力,粒子就会接触,就会有摩擦,它就会像固体一样。”

这种在小尺度上发生的排斥力,揭示了实验室尺度下大型颗粒和超细颗粒混合物之间的一个关键区别:无论你是轻轻搅拌还是用拳头猛击,湿砂在给定堆积密度下的粘度或稠度都保持不变。相比之下,欧不裂在缓慢搅拌时具有较低的液体粘度。但是如果它的表面被冲孔,接近接触点的泥浆的快速增长区域变得更加粘稠,导致欧不裂的表面反弹并抵抗冲击,就像一个固体蹦床。

他们发现,应力是决定材料粘性大小的主要因素。例如,欧不裂受到的扰动越快、越有力,它就越“笨拙”——也就是说,底层的粒子产生的摩擦(而不是润滑)就越多。如果它缓慢而温和地变形,欧不裂的粘性就会降低,粒子的分布会更均匀,它们像液体一样相互排斥。

研究小组试图建立细颗粒排斥力的模型,他们的想法是,也许可以在湿沙模型中加入一个新的“团块变量”,从而得到一个精确的欧不裂模型。在他们的模型中,他们用数学术语来描述这个变量在一定的压力或力下如何增长和收缩。

鲍姆加滕说:“现在我们有了一种可靠的方法来建模,当你随意变形时,身体里的任何一块材料会变得多么块状。”

轮子旋转

研究人员将这个新变量纳入到他们更一般的湿沙模型中,并观察它是否能预测欧不裂的行为。他们用自己的模型来模拟其他人之前的实验,包括一个简单的设置——欧不裂在两块板之间被挤压和剪切,还有一组实验——一个小弹丸以不同的速度射入欧不裂的容器。

在所有的场景中,模拟与实验数据相匹配,重现了欧不裂的运动,重现了它从液体变成固体,然后又变回来的区域。

为了了解他们的模型如何在更复杂的条件下预测欧不裂的行为,研究小组模拟了一个在深泥浆床上以不同速度行驶的齿形轮。他们发现,轮子旋转得越快,在欧不裂里形成的鲍姆加顿所说的“凝固前沿”的混合物就越多,它暂时支撑着轮子,这样轮子就可以滚动而不会下沉。

Kamrin和Baumgarten说,这个新模型可以用来探索各种超细粒子溶液,比如欧不裂,在用作坑洞或防弹衣的填充物时的行为。他们说,该模型还可以帮助识别通过工业工厂等系统改变泥浆流向的方法。

卡姆林说:“对于工业废料,你可能会得到微粒悬浮体,它们不会以你期望的方式流动,你必须把它们从这个大桶移到那个大桶,可能会有人们还不知道的最佳做法,因为还没有这种模式。”“也许现在有了。”

这项研究部分得到了陆军研究办公室和国家科学基金会的支持。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2019/oobleck-behavior-predict-cornstarch-1006

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这就是一个“模糊”宇宙的样子

暗物质很可能是孕育宇宙中第一个星系的起始成分。大爆炸后不久,暗物质粒子会聚集在一起形成引力“晕”,把周围的气体拉进它们的核心,随着时间的推移,核心冷却并凝结成第一个星系。

尽管暗物质被认为是宇宙结构的支柱,但科学家对它的性质知之甚少,因为这些粒子至今仍未被发现。

现在,麻省理工学院普林斯顿大学和剑桥大学的科学家们发现,早期的宇宙和最早的星系,根据暗物质的性质会有很大的不同。这是第一次,研究小组模拟了如果暗物质是“模糊的”而不是冷的或热的,那么早期星系形成的样子。

在最广为接受的假设中,暗物质是冷的,由缓慢移动的粒子组成,除了引力效应之外,它们与普通物质没有相互作用。暖暗物质被认为是冷暗物质的一种稍轻、稍快的版本。而模糊暗物质,一个相对较新的概念,是完全不同的东西,由超轻粒子组成,每一个约为1兆兆分之一(10-27)的电子质量(冷暗物质粒子要重得多——大约是电子的105倍)。

在他们的模拟中,研究人员发现,如果暗物质是冷的,那么早期宇宙中的星系将形成接近球状的晕。但是,如果暗物质的性质是模糊的或温暖的,那么早期的宇宙看起来就会非常不同,星系首先形成的是延伸的、类似尾巴的细丝。在一个模糊的宇宙中,这些细丝会出现条纹,就像竖琴上星光闪烁的琴弦。

新望远镜上线,能力进一步回早期宇宙,科学家可以推断,从星系形成的模式,暗物质的性质,是否今天占近85%的宇宙中,模糊而非是冷还是热。

麻省理工学院Kavli天体物理和空间研究所的物理学副教授Mark Vogelsberger说:“早期宇宙中的第一个星系可能会阐明我们今天所拥有的暗物质类型。”“要么我们看到了这种灯丝模式,模糊暗物质似乎是可信的,要么我们没有,我们可以排除这种模式。我们现在有了实现这一目标的蓝图。”

Vogelsberger是今天发表在《物理评论快报》上的一篇论文的合著者,该论文的主要作者是普林斯顿大学的Philip Mocz,剑桥大学的Anastasia Fialkov以及之前的苏塞克斯大学。

模糊波

虽然暗物质还没有被直接探测到,但将暗物质描述为冷的假说已被证明在描述可观测宇宙的大规模结构方面是成功的。因此,星系形成的模型是建立在暗物质是冷的假设上的。

Vogelsberger指出:“问题是,冷暗物质的观测和预测之间存在一些差异。”“例如,如果你观察非常小的星系,这些星系中暗物质的推断分布与理论模型预测的并不完全一致。所以这里存在紧张局势。”

于是,研究人员近年来提出了暗物质的其他理论,包括温热理论和模糊理论。

“暗物质的性质仍然是一个谜,”Fialkov说。“模糊暗物质是由基础物理,例如,弦理论所激发的,因此是一个有趣的暗物质候选。宇宙结构是证实或排除暗物质模型的关键。”

模糊暗物质是由非常轻的粒子组成的,它们以量子的、类似于波的方式活动,而不是作为单个粒子。莫茨说,这种量子的、模糊的性质可能产生了早期的星系,它们看起来与标准模型预测的冷暗物质完全不同。

莫茨说:“尽管在宇宙晚期,这些不同的暗物质情景可能会预测出星系的相似形状,但第一批星系将会有显著的不同,这将为我们提供关于暗物质是什么的线索。”

看到不同的感冒和早期宇宙模糊,研究人员模拟小,早期宇宙立方的空间,测量直径约300万光年,跑的时候看到暗物质星系形成给定的三个场景:冷,温暖和模糊。

每次模拟开始时,研究小组都假设暗物质的某种分布,科学家们基于对宇宙微波背景的测量得出了一些想法。

“即使在早期,暗物质也没有恒定的密度,”Vogelsberger说。“在恒定密度场的顶部有微小的扰动。”

研究人员能够使用现有的算法来模拟寒冷和温暖的暗物质环境下的星系形成。但是为了模拟具有量子性质的模糊暗物质,他们需要一种新的方法。

一张竖琴琴弦的地图

研究人员修改了他们对冷暗物质的模拟,使其能够解决两个额外的方程,以模拟在一个模糊的暗物质宇宙中星系的形成。第一个是薛定谔方程,描述了量子粒子如何作为波,第二个是泊松方程,描述了波如何产生密度场,或者说暗物质的分布,以及这种分布如何导致引力——最终将物质拉入形成星系的力。然后他们将这个模拟与一个模型结合起来,这个模型描述了宇宙中气体的行为,以及它在引力作用下凝聚成星系的方式。

在所有这三种情况下,星系形成的地方都存在着密度过高的地方,或者引力坍缩的暗物质密度过大的地方。然而,暗物质的模式是不同的,这取决于它是冷的、热的还是模糊的。

在冷暗物质的情况下,星系形成于球状晕和更小的次晕。温暖的暗物质产生了第一个像尾巴一样的丝状星系,没有亚晕。这可能是由于温暖的暗物质更轻、速度更快的特性,使得粒子不太可能以更小的亚晕团块形式存在。

类似于温暖的暗物质,模糊的暗物质沿着细丝形成恒星。但后来量子波效应开始影响星系,星系形成了更多的条纹状细丝,就像无形的竖琴上的琴弦。Vogelsberger说,这种条纹模式是由干涉造成的,当两个波重叠时就会产生这种效应。当这种情况发生时,例如在光波中,每个波的波峰和波谷排列的点形成较暗的点,形成明亮和黑暗区域交替的图案。

在模糊暗物质的情况下,它产生的不是亮点和暗点,而是一种密度过高和密度过低的暗物质交替模式。

Vogelsberger解释说:“在这些密度过高的地方,你会受到很大的引力吸引,气体会随之而来,在某一时刻,会沿着这些密度过高的地方形成星系,而不是密度过低的地方。”“这张照片将在整个早期宇宙中复制。”

研究小组正在对早期星系在由模糊暗物质主导的宇宙中可能的样子进行更详细的预测。他们的目标是为即将到来的望远镜提供一张地图,比如詹姆斯韦伯太空望远镜,它可能能够在足够远的时间看到最早的星系。如果他们看到了由莫茨、菲阿尔科夫、福格尔斯伯格和他们的同事模拟的丝状星系,这可能是暗物质的性质是模糊的第一个迹象。

Vogelsberger说:“基于对早期宇宙的观察,我们可以为暗物质的性质提供这种观察性的检验,这在未来几年将成为可能。”

这项研究部分得到了NASA的支持。

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工程病毒可以抵抗耐药性

在对抗抗生素耐药性的斗争中,许多科学家一直在尝试使用一种被称为噬菌体的自然产生的病毒,这种病毒可以感染并杀死细菌。

噬菌体通过不同于抗生素的机制杀死细菌,而且它们可以针对特定的菌株,这使它们成为克服多药耐药性的一个有吸引力的选择。然而,快速发现和优化定义明确的噬菌体来对抗细菌目标是具有挑战性的。

在一项新的研究中,麻省理工学院的生物工程师们表示,他们可以通过使一种与宿主细胞结合的病毒蛋白发生突变,从而迅速对噬菌体进行编程,杀死不同的大肠杆菌菌株。研究人员发现,这些经过改造的噬菌体也不太可能引起细菌的耐药性。

麻省理工学院电子工程、计算机科学和生物工程副教授Timothy Lu说:“正如我们现在越来越多地在新闻中看到的,细菌耐药性正在不断演变,对公众健康的问题也越来越多。”“与抗生素相比,噬菌体是一种非常不同的杀死细菌的方式,抗生素是抗生素的补充,而不是试图取代它们。”

研究人员创造了几种工程噬菌体,可以杀死实验室中培养的大肠杆菌。其中一种新创造的噬菌体还可以消灭两种大肠杆菌菌株,这两种菌株对小鼠皮肤感染中自然产生的噬菌体有抗药性。

卢是这项研究的资深作者,该研究发表在10月3日的《细胞》杂志上。麻省理工学院博士后Kevin Yehl和前博士后Sebastien Lemire是这篇论文的主要作者。

改造的病毒

美国食品和药物管理局(Food and Drug Administration,简称fda)已经批准了少数几种噬菌体用于杀灭食品中的有害细菌,但它们尚未被广泛用于治疗感染,因为找到针对特定细菌的天然噬菌体可能是一个困难而耗时的过程。

为了使这种治疗方法更容易开发,Lu的实验室一直在研究工程病毒“支架”,它可以很容易地用于针对不同的菌株或不同的抗性机制。

“我们认为噬菌体是一个很好的工具包,可以杀死和降低复杂生态系统内的细菌水平,但要有针对性,”卢说。

2015年,研究人员使用了一种来自T7家族的噬菌体,这种噬菌体可以自然杀死大肠杆菌。研究表明,他们可以通过交换尾巴纤维(噬菌体用来附着在宿主细胞表面受体的蛋白质)编码的不同基因,使之针对其他细菌。

虽然这种方法确实有效,但研究人员想要找到一种方法来加快噬菌体对特定类型细菌的裁剪过程。在他们的新研究中,他们提出了一个策略,允许他们快速创造和测试更多的尾部纤维变异。

从先前对尾部纤维结构的研究中,研究人员知道,这种蛋白质由称为beta片的片段组成,这些片段通过环状结构连接在一起。他们决定只系统地突变形成环状结构的氨基酸,同时保留beta结构。

耶尔说:“我们确定了一些我们认为对蛋白质结构影响最小的区域,但这些区域能够改变蛋白质与细菌的结合作用。”

他们创造了约有1000万种不同尾巴纤维的噬菌体,并对它们进行了几次大肠杆菌菌株的测试,这些菌株已经进化到能够抵抗非工程噬菌体。大肠杆菌对噬菌体产生耐药性的一种方法是使“LPS”受体发生突变,使其缩短或缺失,但麻省理工学院的研究小组发现,他们设计的一些噬菌体甚至可以杀死具有突变或缺失LPS受体的大肠杆菌菌株。

魏茨曼科学研究所(Weizmann Institute of Science)的分子遗传学教授罗特姆·索雷克(Rotem Sorek)说,这有助于克服使用噬菌体作为抗菌素的一个限制因素,即细菌可以通过突变受体产生耐药性,噬菌体利用这些受体进入细菌体内。

通过对噬菌体-细菌识别生物学的深入了解,加上聪明的生物工程方法,卢和他的团队成功地设计了一个庞大的噬菌体变体库,每个变体都有可能识别出稍微不同的受体。他们表明,用这个文库而不是单一噬菌体来处理细菌,限制了耐药性的出现,”Sorek说,他没有参与这项研究。

其他目标

Lu和Yehl现在计划将这种方法应用于针对大肠杆菌使用的其他抗性机制,他们还希望开发能够杀死其他类型有害细菌的噬菌体。耶尔说:“这仅仅是个开始,因为还有许多其他的病毒支架和细菌可以作为攻击目标。”研究人员还对利用噬菌体作为一种工具来对付生活在人类肠道内并导致健康问题的特定菌株很感兴趣。

“能够有选择地打击那些非有益的菌株,在人类临床结果方面会给我们带来很多好处,”卢说。

这项研究由国防威胁减少局、美国国立卫生研究院、美国陆军研究实验室/陆军研究办公室、麻省理工学院士兵纳米技术研究所以及国家癌症研究所的科赫研究所支持(core)资助。

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专家敦促在气候行动上“全速前进”

麻省理工学院(MIT)本学年计划举办六场气候变化专题讨论会,全球气候科学专家小组在第一场讨论会中描述了目前对这一主题的知识状况。他们还讨论了需要进行更多研究以确定气候变化的影响究竟会以多严重和多快的速度发生的领域,以及需要采取何种紧急行动来应对气候变化将带来的巨大破坏。

李和杰拉尔丁·马丁环境研究和化学教授苏珊·所罗门是本次会议的主讲人,她对当今气候科学的现状进行了概述,并解释说,涉及的时间尺度之大“是这个问题如此引人入胜的原因之一”。然而,她补充说,这也给传达这个问题的紧迫性带来了真正的挑战,因为现在产生的二氧化碳排放可以在空气中持续数个世纪,随着时间的推移,它们的影响会越来越大。

她说,即使世界将温室气体排放稳定在今天的水平,气温将继续上升,海平面将继续上升更多。从50 – 100%的预期从一个给定的温度升高的二氧化碳量“管道,”她说,因为它需要时间改变了大气和海洋达到一个新的平衡状态:“温度稳定后几百年,但海平面一直走。”

她说:“看看有记录以来最热的25年,你会清醒地认识到,如果你32岁,你就已经活过了所有那些年。”我们这一代人,生活在有史以来环境记录中最温暖的星球上。她说,这种增长是我们无法摆脱的。“即使我们突然停止”并消除所有的温室气体排放,“1000年的温度也几乎保持不变。”控制它的是排放的累积二氧化碳。”

研讨会上,画了一个麻省理工的责任能力人群礼堂,是由克里伊曼纽尔,塞西尔和艾达绿色大气科学教授和特色的两个权威气候科学家小组描述当前的知识状态的关于气候变化的影响和程度,剩下的不确定性以及如何解决这些问题,以及如何变暖可能不同的物理效应在不同政策的方法。

麻省理工学院总统l .拉斐尔•赖夫引进第一的六个计划座谈会,说,“我相信,作为一个社会,我们必须找到方法来积极推进气候科学和投资在减缓和适应气候变化技术大大便宜:便宜足以赢得广泛的政治支持,为每一个社会,负担得起的,在全球范围内部署。”

赖夫补充说,实现这一目标的方法之一是对碳排放征税,这“将继续压低(可再生能源的)价格,并使非碳替代能源更具吸引力”。这显然是事实。然而,不太清楚的是,碳成本之锤是否足以推动全球社会变革。他说,在非碳或低碳替代能源方面继续取得进展也至关重要。

尽管人类引起的全球气候变化的图景总体上已得到确认,但在其中一次小组讨论中,牛津大学(Oxford University)物理学教授雷·皮埃尔亨伯特(Ray Pierrehumbert)描述了一些尚存的不确定性来源。他说,不确定性的最大来源在于一些可能发生的复杂反馈效应,特别是涉及云的反馈效应。

云反射阳光,因此提供了一些冷却,但也绝缘,因此有助于保持表面温暖。它们的动力学非常复杂,“涉及到从毫米到数千公里的物体之间的相互作用”。结果,“我们不知道天气会变得多糟的一个原因就是云层,”Pierrehumbert说。

但这种不确定性不是自满的理由。他说,“不太可能有什么神秘的效果会让事情变得更好”。相反,“事情很可能会变得更糟。”

加州理工学院(Caltech)的环境科学教授塔皮奥施耐德(Tapio Schneider)补充说,云的不确定性包括它们如何受到空气污染的影响,空气污染为水滴提供了成核中心。这些相互作用是复杂的模型,但“似乎其中一些气溶胶效应比预期的更强。”他说,这可能意味着全球变暖的程度将超过预期。

麻省理工学院的大气科学教授Paul O’gorman说,研究变暖的大气对当地环境的影响是很重要的。他说:“一些国家将出现更大的季风。”例如在印度,由于大气环流模式的变化,一些地区的降雨量实际上可能增加一倍。在这些变化的细节中“有许多悬而未决的问题”,而这些问题的答案可能对区域规划至关重要。

Pierrehumbert补充说,虽然各国已经做出承诺,试图将全球变暖控制在2摄氏度以内,但这在某种程度上是一个武断的上限。“气温升高两度,情况就会变得可怕,但气温升高四度,情况就更可怕了。”

麻省理工学院负责研究的副院长Maria Zuber主持了第二次小组讨论,她说,这一系列研讨会的目的是在气候变化问题上“教育和动员麻省理工学院社区”,以及“我们如何加大力度”应对这一问题。

威尔逊中心的高级研究员雪莉·古德曼描述了气候变化对军事设施和整体军事准备的影响。“这是一个威胁倍增器,”她说。“它将以不同的方式放大和加剧我们的国家安全挑战,”她说。

例如,由于海冰融化而开放的北冰洋正在创造一个全新的利益冲突地区,俄罗斯和中国都在采取行动控制该地区的潜在资源,从航道到石油储备。

伍兹霍尔研究中心(Woods Hole Research Center)总裁菲利普·达菲(Philip Duffy)介绍了他的工作,他为企业提供了有关气候变化可能对其设施产生的具体当地影响的详细信息。他补充说,在这种情况下,气候变化也可能是风险的倍增因素,比如干旱和其他影响导致的地区冲突和外移。

全球变化科学与政策联合项目的联合主任约翰·赖利(John Reilly)也强调,尽管气候变化影响的细节仍然存在任何不确定性,“但这并不意味着我们应该等到科学解决了。”实际上,我们需要相反的效果。“如果存在一系列可能的后果,那么非常严肃地对待”真正极端和灾难性的后果是很重要的。“气候模型所显示的一系列可能结果中,如果不采取协调一致的行动,气候变化”可能会使地球上的大片地区无法居住。即使这种可能性很小,也会主导整个成本效益计算。

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部署无人机应对气候变化

Norhan Magdy Bayomi在她的家乡开罗为她的研究生论文做实地研究时,亲眼目睹了气候变化对当地社区的影响。

她所研究的低收入社区的居民住在狭小的、绝缘很差的公寓里,这些公寓的设备不足以应对该地区不断上升的气温。他们住在狭小的房间里,家人住在不足500平方英尺的单间里,而且通常没有空调,甚至连风扇都没有,因此很多人在大热天都不愿待在家里。

这有力地说明了气候变化最可怕的方面之一:那些面临其最极端影响的国家,其适应资源往往也最少。

这一认识指导了Bayomi作为建筑系建筑技术项目博士生的研究。目前是她在该项目的第三年,她主要关注发展中国家,研究那里的低收入社区如何适应不断变化的热模式,记录全球热浪和人口的适应能力。她的研究重点是建筑施工和社区设计如何影响居民抵御高温的能力。

她使用带有红外摄像机的无人机来记录城市建筑的表面温度,包括各种设计和建筑材料的结构,以及建筑之间的城市峡谷中的室外条件。

“当你看到无人机这样的技术时,你会发现它们并不是真正设计出来的,也不是通常用来解决这类问题的。我们正试图将这种技术结合起来,以了解什么样的适应策略适合于应对气候变化,尤其是对服务不足的人口而言,”她说。

天空中的眼睛

Bayomi目前正在开发一种计算工具来模拟城市地区的热风险,该工具将建筑性能、可用的城市适应资源和人口适应能力纳入其数据。

“目前可用的大多数工具主要是使用人口、收入和温度的统计数据。我想把建筑如何影响室内条件下,城市居民的可用资源,以及它们如何适应热暴露——例如,如果他们有一个冷却空间可以去,或者有问题的电源和他们没有访问吊扇,”她说。“我正试图将这些细节添加到等式中,看看它们将如何影响未来的风险。”

她最近开始研究纽约布朗克斯区的类似变化,以了解不同地区的建筑建设、人口适应和气候变化的影响是如何不同的。Bayomi说,她的导师John Fernandez教授鼓励她思考如何将不同的技术应用到她的研究领域。

Bayomi对无人机和城市发展的兴趣并不局限于热测绘。作为建筑与规划学院(School of Architecture and Planning) DesignX创业项目的参与者,她和她的团队创建了Airworks公司,该公司利用无人机收集的空中数据,为开发人员提供自动化的场地规划和建筑模型。Bayomi在该公司从事热成像工作,她希望在完成学业后继续从事这项工作。

Bayomi还与费尔南德斯的城市代谢组在空中温度记录项目合作Tarek Rakha博士的佐治亚理工学院的助理教授。该项目是开发一个cyber-physical平台校准建筑物能源模型,使用无人机配备红外传感器,自动检测传热异常和信封物质条件。Bayomi的团队目前正在研发一种无人机,这种无人机能够捕捉这些数据并实时处理。

第二个家

Bayomi说,她在麻省理工学院发展起来的人际关系,无论是在她的项目内部,还是在整个学院,都深刻地影响了她的毕业经历。

“麻省理工是一个让我感到宾至如归的地方。即使作为一个阿拉伯穆斯林妇女,我也总是有家的感觉。“我和导师的关系是让我保持专注的主要原因之一,因为我有幸拥有一位理解并尊重我的想法的导师,他给予我探索新领域的自由。”

她还欣赏建筑技术项目“独特的家庭氛围”,包括午餐研讨会和社交活动在内的多个学术和非学术活动。

当她不从事气候技术工作时,Bayomi喜欢演奏和制作音乐。她已经弹了20年的吉他,在大学期间曾是乐队的一员。音乐在Bayomi的生活中扮演着重要的角色,是她重要的创作途径。她目前创作的是受摇滚影响的迷幻音乐,这是一种按旋律和电子声音分类的音乐类型。去年,她以“Nourey”的名字发行了自己的首支单曲,目前正在为下一首单曲做准备。她喜欢把吉他融入到她的歌曲中,这种元素通常不会在恍惚的曲调中听到。

她说:“我试着用吉他在恍惚音乐中营造气氛,这并不常见。”

自2015年来到麻省理工学院以来,Bayomi一直是麻省理工学院埃及学生协会的成员,现在担任副主席。该俱乐部致力于联系麻省理工学院的埃及学生和在埃及的学生,以鼓励未来的学生申请并根据成员自身的经验提供指导。

“目前,我们在工程、斯隆管理学院(School of Management)、媒体实验室和建筑等领域的学生非常多,包括研究生和本科生。此外,通过这个俱乐部,我们试图在麻省理工学院为那些因文化挑战而感到想家和孤独的人创造一点家的感觉,”她说。

2017年,她参加了麻省理工学院(MIT)在麻省理工学院博物馆(MIT Museum)举办的马萨诸塞州公立学校假期周(Vacation Week)活动。

她说:“只要有可能,我都愿意参加这类活动,这能增加我在这里的学术经验。”“麻省理工学院是举办此类活动的丰富场所。”

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一种防腐蚀薄原子板的新方法

许多具有光学、电子或光电应用前景的二维材料在暴露于氧气和水蒸气时迅速降解,这一事实阻碍了它们的发展。到目前为止,开发出来的防护涂层已经被证明是昂贵和有毒的,并且不能被取下。

现在,麻省理工学院和其他地方的一组研究人员已经开发出一种超薄涂层,价格便宜,使用简单,可以通过涂上特定的酸来去除。

研究人员表示,这种新型涂层可能为这些“迷人的”2D材料开辟广泛的潜在应用领域。他们的发现发表在本周的《美国国家科学院院刊》(PNAS)上,由麻省理工学院研究生聪苏(Cong Su)撰写;李菊教授、孔晶教授、丁嘉教授、胡钧君教授;以及麻省理工学院、澳大利亚、中国、丹麦、日本和英国的其他13所大学

李说,对二维材料的研究是一个“非常活跃的领域”,这种材料可以形成只有一个或几个原子厚度的薄片。由于其不同寻常的电子和光学特性,这些材料有很好的应用前景,例如高灵敏度的光探测器。但其中许多物质,包括黑磷和一类被称为过渡金属双卤金酸盐(TMDs)的物质,在暴露于潮湿空气或各种化学物质时都会腐蚀。它们中的许多在短短几小时内就会严重退化,从而无法用于实际应用。

李说,这是开发此类材料的“关键问题”。“如果你不能在空气中稳定它们,它们的处理能力和用途是有限的。他说,硅之所以成为电子设备中无处不在的材料,原因之一是当暴露在空气中时,它会在表面自然形成一层二氧化硅保护层,防止表面进一步退化。但是对于这些原子厚度的材料来说,这就更困难了,它们的总厚度甚至可能比二氧化硅保护层还小。

人们曾尝试在各种2D材料上涂上一层保护屏障,但迄今为止,它们都存在严重的局限性。大多数涂层比2D材料本身要厚得多。大多数还很脆,很容易形成裂缝,让腐蚀的液体或蒸汽通过,而且很多有毒,造成处理和处置的问题。

研究人员说,这种新涂层基于一系列被称为线性烷基胺的化合物,改善了这些缺点。这种材料可以应用在1纳米(十亿分之一米)厚的超薄层上,在应用后对材料进行进一步加热,愈合微小的裂缝,形成一个连续的屏障。该涂层不仅不受各种液体和溶剂的影响,而且显著地阻止了氧气的渗透。而且,如果某些有机酸需要的话,它可以稍后被除去。

“这是一种独特的方法”来保护薄的原子薄片,李说,这产生了一个额外的单分子厚度的层,称为单层,提供了非常持久的保护。“这使材料的寿命延长了100倍,”他说,并将其中一些材料的可加工性和可用性从几个小时延长到几个月。他补充说,这种涂层化合物“非常便宜,容易使用”。

除了对这些涂层的分子行为进行理论建模外,该团队还用新涂层保护的TMD材料薄片制作了一个工作光电探测器,作为概念验证。涂层材料是疏水性的,这意味着它强烈排斥水,否则水会扩散到涂层中,溶解掉涂层内自然形成的保护氧化层,导致快速腐蚀。

苏解释说,涂层的应用是一个非常简单的过程。将2D材料简单地放入液态己胺(线性烷基胺的一种形式)浴中,在常压下130摄氏度的温度下,在大约20分钟后形成保护涂层。然后,为了产生光滑的、无裂纹的表面,材料在相同的六胺蒸汽中浸泡20分钟。

苏说:“你只要把晶圆放入这种液体化学物质中,然后让它受热就可以了。”“基本上,就是这样。涂层“非常稳定,但它可以被某些非常特殊的有机酸除去。”

这类涂层的使用可能会为有前途的2D材料的研究开辟新的领域,包括TMDs和黑磷,但也可能是硅烯、锡宁和其他相关材料。由于黑磷是所有这些材料中最脆弱和最容易降解的,这就是该团队最初的概念证明。

Su说,新的涂层可能提供一种克服“使用这些迷人的2D材料的第一个障碍”的方法。他说:“实际上,在将这些应用程序用于任何应用程序之前,您需要处理处理过程中的降级问题。”现在这一步已经完成。

团队包括麻省理工学院的研究人员的部门核科学与工程、化学、材料科学与工程、电气工程和计算机科学、电子研究实验室,以及其他人在澳大利亚国立大学,中国科学院大学在丹麦奥胡斯大学,牛津大学,在日本信州大学。支持的工作中心激子学与能源前沿研究中心由美国能源部资助,由美国国家科学基金会,中国科学院,英国皇家学会,美国陆军研究办公室通过麻省理工学院的士兵纳米技术研究所和东北大学

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赖夫校长在麻省理工学院气候研讨会上发言

雷夫总统在今天的“气候科学进展”研讨会上发表了以下介绍性讲话。

下午好!我很高兴来到这里与大家在一起。

麻省理工学院,说服人们离开实验室和教室参加白天的活动是出了名的困难。吸引一群人来填满Kresge礼堂感觉几乎是不可能的!所以,今天下午的座无虚席意义重大。它是这一主题的紧迫性和重要性的一个清醒的标志,也是麻省理工学院气候行动社区的广度、深度和热情承诺的一个鼓舞人心的标志。

同时:通过直播向大家问好!本届会议的知识和思想正在世界各地得到分享,这是非常美妙和恰当的。

这是六次研讨会中的第一次。为了完成这个出色的系列,我花了好几个月的时间,为此付出了巨大的努力。在此,我要向气候行动专题讨论会组织委员会表示感谢和钦佩,特别是向其主席保罗·乔斯科教授表示感谢和钦佩。应对气候变化的挑战将需要我们所有的集体智慧和无数麻省理工学院的头脑和双手的最佳工作,所以我希望我们能保持这个了不起的水平的兴趣和出席的六个系列!

这六次研讨会将帮助我们评估麻省理工学院的人们通过麻省理工学院的气候行动计划所取得的成就,它们将为我们未来的计划提供信息和激励。在这项工作中,我要感谢负责研究的副总裁玛丽亚·祖伯,感谢她四年前在制定计划、跟踪我们的进展以及展望未来方面发挥的领导作用。

我还要向今天的主讲人苏珊·所罗门教授表示深深的敬意。苏珊在从臭氧层损耗到全球变暖等主题上创造出一流的科学成果方面有着无与伦比的记录:这些一流的科学构成了改变世界政策的跳板。我们很幸运,在2012年她加入了我们的团队。她今天能和我们在一起,我们当然很幸运。在我们努力增加基础知识和加速迈向可持续的人类社会的进程中,我们不需要比这更强有力和更鼓舞人心的声音了。

在我们开始之前,我想承认这是麻省理工学院社区生活中的一个严肃时刻。现在是我们就许多紧迫的问题进行紧张接触的时刻,这些问题包括我们如何为研究所的工作筹集资金以及我们应该遵循哪些原则。这是一个严肃辩论和认真倾听的时刻。

在这个财富不断增长、联邦基金不断缩水的时代,很明显,作为一个整体,我们需要考虑许多问题。我们需要了解捐赠人口的变化本质。我们需要决定如何衡量捐赠者行为的政治、文化和经济影响——以及更多。

像这样的问题当然与我们如何资助MIT在能源和环境方面的工作有关,与在座各位的工作有关。

作为麻省理工学院气候行动社区的成员,我们需要就前进的最佳方式进行认真的对话。我们尊重辩论的能力一直是麻省理工学院的特色优势。因此,我希望你们在今后的日子里,尤其是与那些与你们意见不同的人进行这些对话。

考虑到今天要发言的人,再看看在座的各位,我意识到在座的全是气候专家,而作为一名前电气工程师,我不是其中之一。因此,我将根据我在这里、在华盛顿以及在慈善界的观察和对话,就我一直在努力为麻省理工学院的气候科学与解决方案工作提供支持的情况,发表一些看法。

去年6月,我们的麻省理工学院毕业典礼演讲者是著名的慈善家、前纽约市市长迈克尔·布隆伯格。在他发表讲话的当天,他宣布了一项非凡的个人承诺:投入5亿美元,启动一项新的国家气候行动计划,他称之为“超越碳”。

他描述了一个雄心勃勃的议程的政治行动:采取必要步骤关闭燃煤电厂,阻止新的气体工厂的创建,支持国家和地方政客的领导,创造激励机制碳税和,用他的话说,把气候挑战“直接人。”

正如他向麻省理工学院的听众解释的那样,在他看来(我引用他的话),“至少在可预见的未来,战胜气候变化将更少地依赖于科学进步,而更多地依赖于政治行动。”就在10天前,美国前副总统、气候行动先驱阿尔·戈尔在《纽约时报》上发表了一篇文章。他对采取政治行动的必要性提出了类似的观点,因为,用他的话来说,“我们拥有我们需要的技术。”

我非常欣赏布隆伯格市长和副总统戈尔。我深深感激他们早期的领导和不懈的行动主义。我欣赏他们对已经开发出来的技术的信心——其中一些是在这个校园里发明和改进的。我同意,除非社会需要改变政策、优先事项和行为,否则技术本身无法拯救我们。我同意他们的观点,即为气候行动建立广泛的政治支持是绝对重要的。

但是,怀着最大的敬意,我想提出另一种看法,因为我相信,我们同时还需要做许多其他重要的事情。

  • 我们需要大幅提高预测气候变化局部影响的能力,并设计出让沿海城市和其他脆弱地区能够适应和生存的解决方案。
  • 我们需要提高太阳能电池和风力涡轮机的效率,减少对稀有或昂贵材料的依赖。
  • 而且,我们需要更好的网格级存储选项来处理间歇性。
  • 我们需要找到方法来扩大国家的输电基础设施,以支持太阳能和风能的有效利用。
  • 我们需要让汽车电池和无碳氢更便宜、更高效。
  • 我们需要更好的公共交通——不仅仅是在波士顿!
  • 我们需要更小、更安全、更现代化、成本更低的核电站来补充间歇性的可再生能源。
  • 我们不仅需要解决电力和交通问题,还需要解决农业、制造业、建筑等问题。

简而言之,我相信,如果我们能够向社会提供更精细的科学模型和成本更低的技术解决方案,为气候行动建立广泛而深入的公众支持将会容易得多,成功的可能性也会大得多。打破僵局,我相信,作为一个社会,我们必须找到方法来积极推进气候科学和投资在减缓和适应气候变化技术大大便宜:便宜足以赢得广泛的政治支持,为每个社会能够负担得起,并在全球范围内部署。

许多气候活动人士认为,最好的途径在于政治意愿。例如,他们指出,可再生能源的成本多年来一直在下降,一旦我们对碳排放征税,市场激励措施将继续压低价格,使非碳替代能源更具吸引力。这显然是事实。然而,不太清楚的是,碳成本之锤是否足以推动全球社会变革。

在我看来,重要的是要明白,虽然通过碳税肯定会刺激更便宜的低碳和零碳能源的发展,但开发更便宜的低碳和零碳能源将使通过碳税变得更容易!所以,我们需要同时做到这两件事,越快越好!

通常,必要规模的资金将由政府领导提供。当然,当我们在2015年制定气候行动计划时,我们期望得到可靠、长期的联邦支持。

在当前的政治环境下,我相信答案,直到政府领导变得可行,是私人慈善事业——这个结论把我们带回到我一开始强调的我们社区的问题。我相信,我们致力于这一事业的人需要走到一起,寻求支持先进科学技术的新途径,使政治行动能够在为我们所有人实现可持续未来的道路上取得成功。

我期待着参加你的这项紧急工作。谢谢你!

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系统帮助智能设备找到它们的位置

麻省理工学院和其他地方的研究人员开发了一种新系统,帮助智能设备网络合作,在GPS通常失效的环境中找到它们的位置。

今天,“物联网”的概念已经相当出名:世界各地数十亿个相互连接的传感器——嵌入日常物品、设备和车辆,或人类或动物佩戴的传感器——为各种应用程序收集和共享数据。

一个新兴的概念,“事物的本地化”,使这些设备能够感知和传达它们的位置。这种能力可能有助于供应链监控、自主导航、高度互联的智能城市,甚至形成一个实时的世界“活地图”。专家预测,到2027年,本地化市场将增长到1280亿美元。

这一概念取决于精确的定位技术。传统的方法是利用GPS卫星或设备之间共享的无线信号来建立它们之间的相对距离和位置。但有一个障碍:在有反射面、障碍物或其他干扰信号的地方,比如建筑物内部、地下隧道或高楼林立的“城市峡谷”,准确性会受到很大影响。

来自麻省理工学院、费拉拉大学、巴斯克应用数学中心(BCAM)和南加州大学的研究人员开发了一种系统,即使在这些嘈杂的、没有gps的地区,也能捕捉到位置信息。一篇描述该系统的论文发表在《IEEE学报》上。

当网络中的设备(称为“节点”)在信号阻塞或“恶劣”的环境中进行无线通信时,系统会融合节点之间交换的可疑无线信号、数字地图和惯性数据中各种类型的位置信息。在此过程中,每个节点考虑与所有可能位置相关的信息(称为“软信息”),这些信息与所有其他节点的位置相关。该系统利用机器学习技术和减少处理数据维度的技术,从测量和上下文数据确定可能的位置。然后使用该信息确定节点的位置。

在模拟严酷的情况下,该系统的运行明显优于传统方法。值得注意的是,它的定位精度始终接近理论极限。此外,随着无线环境的日益恶化,传统系统的准确性急剧下降,而新的软信息系统保持稳定。

Moe Win是航空航天系和信息与决策系统实验室(LIDS)的教授,也是无线信息与网络科学实验室的负责人。“在恶劣的无线环境中,你会遇到反射和回声,这使得获取准确的位置信息变得更加困难。像Stata中心(位于麻省理工学院校园内)这样的地方尤其具有挑战性,因为到处都是反射信号的表面。我们的软信息方法在如此恶劣的无线环境下尤其健壮。”

论文中加入Win的有:费拉拉大学(University of Ferrara)的安德烈·孔蒂(Andrea Conti);BCAM的圣地亚哥·马祖拉斯;费拉拉大学的Stefania Bartoletti;以及南加州大学的威廉·c·林赛。

捕捉“软信息”

在网络定位中,节点通常被称为锚点或代理。锚点是具有已知位置的节点,如GPS卫星或无线基站。代理是具有未知位置的节点——例如自动驾驶汽车、智能手机或可穿戴设备。

为了本地化,代理可以使用锚作为参考点,或者它们可以与其他代理共享信息来定位自己。这涉及到无线信号的传输,这些信号到达接收器时携带着位置信息。例如,接收波形的功率、角度和到达时间与节点之间的距离和方向相关。

传统的定位方法提取信号的一个特征来估计单个值,比如两个节点之间的距离或角度。定位精度完全依赖于那些不灵活(或“硬”)值的精度,而且精度已被证明随着环境变得更严酷而急剧下降。

假设一个节点向10米外的另一个节点发送信号,这个节点所在的建筑物有很多反射面。信号可以在13米外的对应时间反弹并到达接收节点。传统的方法可能会将不正确的距离赋值。

对于这项新工作,研究人员决定尝试使用软信息进行定位。该方法利用许多信号特征和上下文信息来创建所有可能的距离、角度和其他度量的概率分布。“这被称为‘软信息’,因为我们不会对价值观做出任何艰难的选择,”孔蒂说。

该系统对信号特征进行了多次采样测量,包括功率、角度和飞行时间。上下文数据来自外部来源,如数字地图和模型,它们捕获并预测节点如何移动。

回到前面的例子:基于对信号到达时间的初始测量,系统仍然认为节点之间相距13米的概率很高。但根据信号的延迟或功率损耗,它们之间有10米远的可能性很小。当系统融合周围节点的所有其他信息时,它会更新每个可能值的可能性。例如,它可以打开地图,看到房间的布局显示,两个节点相距13米的可能性非常小。结合所有更新的信息,它决定节点更有可能在10米之外的位置。

“最后,保持低概率值还是很重要的,”Win说。“我不是给出一个确切的值,而是告诉你,我非常确信你离我有13米远,但你离我更近的可能性更小。这提供了额外的信息,对确定节点的位置有很大的好处。”

降低复杂度

然而,从信号中提取许多特征会导致数据维数很大,对于系统来说太复杂和效率低下。为了提高效率,研究人员将所有的信号数据简化为一个降维的、易于计算的空间。

为了做到这一点,他们根据“主成分分析”(一种将最有用的方面保留在多维数据集中并抛弃其余部分的技术),确定了接收到的波形中对精确定位最有用和最没用的方面,从而创建了维数减少的数据集)。如果接收到的波形每个包含100个样本测量值,这项技术可能会将这个数字减少到,比如说,8个。

最后一个创新是使用机器学习技术来学习一个统计模型,该模型通过测量和上下文数据来描述可能的位置。该模型在后台运行,以测量信号反弹可能如何影响测量结果,这有助于进一步提高系统的准确性。

研究人员现在正在设计一种方法,使用更少的计算能力来处理资源紧张的节点,这些节点无法传输或计算所有必要的信息。他们还致力于使系统实现“无设备”本地化,即一些节点不能或不愿共享信息。这将使用有关信号如何从这些节点反向散射的信息,以便其他节点知道它们的存在及其位置。

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歌剧的新剧目

1953年11月,德国曼海姆国家剧院(Nationaltheater)上演了一出新歌剧,作曲家鲍里斯?随着节目的播出,乐迷们看到了一场表演,也看到了对这部作品的激烈争论。一位评论家称这部作品是“音乐进步的怪物”,另一位则称之为“死胎”。

其中一些尖刻的言辞来自于布莱彻实验性的创作,它具有爵士乐和流行音乐的敏感性,剧本中几乎没有文字(只有一些无意义的音节),也没有传统的故事情节。曼海姆的作品将战后废墟和其他相关比喻的图像投射到背景上,加剧了这一争议。

麻省理工学院(MIT)音乐学者艾米丽•里士满•波洛克(Emily Richmond Pollock)表示:“舞台表演非常政治化。”波洛克最近出版了一本关于战后德国歌剧的新书。“把这些人们刚刚经历过的非常具体的画面放到舞台后面,会产生一种非常不舒服的感觉。”

持怀疑态度的不只是批评人士:一名观众给《曼海姆晨报》(Mannheim morning)写信说,布莱彻“不和谐的调和实际上正在接近绝对零度,这样做甚至都不是原创”。

简而言之,《抽象大盗1》几乎不符合其类型的传统。在德国社会所谓的“关键时刻”(1945年第二次世界大战结束后的那几年)后不久,布莱彻的作品就问世了。德国挑起了历史上最致命的战争,这个国家本应在政治、公民和文化方面进行全新的建设。但是对《抽象的人》的反应显示了这个概念的局限性;德国人也渴望连续性。

麻省理工学院音乐与戏剧艺术系副教授波洛克表示:“有一种‘零点时刻’的神话,认为德国人必须从头再来。”

波洛克的新书《零点之后的歌剧》(Opera after the Zero Hour)刚刚由牛津大学出版社(Oxford University Press)出版。在这部作品中,波洛克仔细审视了五部战后德国歌剧,同时审视了它们所产生的各种反应。她总结道,许多德国人并没有参与彻底的文化破坏,而是试图构建一个可用的过去,并构建一个与之相连的未来。

“总的来说,歌剧是一种保守的艺术形式,”波洛克说。“它经常被认为与任何掌权的人非常接近。出于这个原因,她补充说,“歌剧是一个很好的地方,可以用来研究为什么传统是一个问题(1945年后),以及不同的艺术家是如何选择解决这个问题的。”

文化民族主义的政治

1945年后重建德国是一项艰巨的任务,甚至超越了建立一个新的政治国家。德国的大部分地区都成了废墟;就这一点而言,大多数大型歌剧院都被炸毁了。

尽管如此,歌剧很快又在德国开花了。从1945年到1965年,德国上演了170部新歌剧。正如波洛克在书中所指出的那样,这不可避免地意味着将前纳粹分子纳入歌剧行业——她认为,社会“去氮化”的努力收效甚微。与此同时,从本质上说,这类影片的传统意义给观众带来了难以改变的期待。

波洛克说:“对歌剧有很多投资,但它(通常)不会很前卫。”他指出,歌剧传统“几百年来一直压制”作曲家,“资产阶级复兴的德国文化不想做任何太激进的事情。”然而,她指出,1945年以后,“作为德国人文化的一部分,有很多音乐创作的传统,(对有社会意识的观察者)来说,这是一个新问题。”

因此,在这170部新歌剧中,除了《抽象的歌剧1》之外,还有相当一部分包含了创新与传统的独特融合。以卡尔·奥尔夫(Carl Orff) 1958年的音乐创新作品《泰伦的恋母情结》(Oedipus der Tyrann)为例。奥尔夫是德国最著名的作曲家之一(他在1937年创作了《卡米娜·布拉纳》),他有足够的专业空间进行实验。尽管波洛克对乐谱的仔细解读显示了一些与主流歌剧传统的联系,但《狄浦斯的少女时代》在旋律和交响乐的表达上略去了歌剧形式。但歌剧的主题是古典的:奥尔夫以德国诗人弗里德里希•霍德林(Friedrich Holderlin) 1804年翻译的索福克勒斯(Sophocles)的《俄狄浦斯》(Oedipus)为内容。正如波洛克在1958年指出的,这可能是一个有问题的主题。

“当德国人宣称对希腊文化拥有特殊所有权时,他们是在说自己比其他国家更好——这是文化民族主义,”波洛克评论道。那么,一位德国作曲家将希腊的修辞手法运用到战后的语境中,并对其进行重新解读,这意味着什么呢?直到最近,才有了像柏林奥运会这样的活动,在那里第三帝国明确地动员德国人和希腊人之间的认同。”

在这种情况下,波洛克说,“我认为奥夫无法清楚地思考他所做的事情的潜在政治含义。他会认为音乐很大程度上与政治无关。我们现在可以更批判性地回顾过去,看到其中的连续性。尽管奥尔夫的主题并非有意涉及政治,但也绝不是文化上的“关键时刻”。

歌剧是关键

《零点之后的歌剧》不断地说明音乐创作是多么复杂。在作曲家伯恩德·阿洛伊斯·齐默尔曼20世纪60年代的歌剧《Soldaten》中,波洛克注意到各种各样的影响,主要是理查德·瓦格纳的“综合艺术作品”思想和作曲家阿尔班·伯格的音乐习语——但是没有瓦格纳的民族主义冲动。

尽管波洛克的书详细描述了特定歌剧的细微差别,但它也是关于哪种类型的音乐最值得研究的更大的对话的一部分。在波洛克看来,如果说歌剧与当时最激进的音乐创作形式有一定的重叠,那么歌剧的流行,以及在歌剧形式中确实发生的有趣的创新和实验形式,使歌剧成为一个重要的研究领域。

“历史总是很挑剔的,”波洛克说。“战后音乐的经典将包括一小部分非常酷的新音乐,这些音乐以前没人听过。但波洛克补充道,专注于这种自觉激进的音乐,只会让人们对这个时代及其文化品味产生有限的了解,因为“有很多为歌剧院创作的音乐,是那些热爱音乐和歌剧的人投入进去的。”

其他音乐学者认为《零点之后的歌剧》是对这一领域的重大贡献。纽约大学(New York University)音乐副教授布里吉德·科恩(Brigid Cohen)表示,这本书“有力地证明,我们应该认真对待长期被忽视的歌剧作品,它们讲述的是一段令人困惑的文化历史,至今仍与我们息息相关。”

波洛克在书中写道,考虑到这种艺术形式演变过程中的所有细微差别、紧张和皱纹,“歌剧是理解战后德国作曲家与该国新出现的令人担忧的文化传统之间关系的关键”,要以一种完全复杂的历史模式。

“如果你把(文化)保守主义视为有趣的东西,你会发现很多有趣的东西,”波洛克说。“如果你认为缺乏创新的东西不那么有趣,那么你就忽略了很多人们关心的事情。”

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