中國(guó)青年報(bào)：兩顆葡萄引發(fā)的科學(xué)問(wèn)題
發(fā)布時(shí)間：2022-02-25
來(lái)源:中國(guó)青年報(bào)?|?(2021-12-20??07版)
將兩顆葡萄放進(jìn)微波爐里加熱，會(huì)引發(fā)爆炸？一條科普短視頻引起了南京金陵中學(xué)胡馨元、余星瑤、陳昭融三名高中同學(xué)的興趣。
“我們一開(kāi)始并不相信。但老師告訴我們，這是一種物理現(xiàn)象，（實(shí)驗(yàn)）成功的話(huà)就會(huì)出現(xiàn)炫酷的等離子火花?！庇嘈乾幷f(shuō)。
于是，這個(gè)由葡萄引發(fā)的科學(xué)現(xiàn)象，成了三名同學(xué)的研究課題。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究、理論分析，他們交出了一份關(guān)于“葡萄的等離子現(xiàn)象”的科學(xué)論文，在剛剛落下帷幕的第十四屆丘成桐中學(xué)科學(xué)獎(jiǎng)比賽（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“比賽”）中斬獲物理金獎(jiǎng)。
長(zhǎng)期以來(lái)，人們印象里的中學(xué)生總是背著大書(shū)包，在學(xué)校和家的兩點(diǎn)一線(xiàn)中穿梭，似乎只知道埋頭學(xué)習(xí)。如今，一些中學(xué)生在生活中思考科學(xué)問(wèn)題，邁出了探索未知世界的步伐，在晦澀的學(xué)術(shù)世界中，他們正在用自己的觀(guān)察和思考點(diǎn)亮一個(gè)又一個(gè)火花。
玩轉(zhuǎn)“小生活”背后的“大科學(xué)”
“兩顆葡萄引發(fā)的科學(xué)問(wèn)題”并沒(méi)有那么簡(jiǎn)單。在確立這一研究目標(biāo)后，三名“科研工作者”經(jīng)歷了無(wú)數(shù)次的失敗。
“一開(kāi)始，我們買(mǎi)了臺(tái)微波爐，買(mǎi)了一些葡萄就準(zhǔn)備做實(shí)驗(yàn)了。結(jié)果發(fā)現(xiàn)總是不成功，因?yàn)槲覀儾恢牢⒉t要調(diào)到什么樣的溫度，也不知道葡萄之間要間隔多遠(yuǎn)?！焙霸f(shuō)。
要達(dá)到實(shí)驗(yàn)的效果，就連葡萄的選擇也有門(mén)道，甚至盛放葡萄的器皿，兩個(gè)葡萄之間的距離都需要精確計(jì)算。在物理老師的指導(dǎo)下，三名同學(xué)的“科研路”距離成功越來(lái)越近。
終于有一天，理想中的等離子火花出現(xiàn)了，三個(gè)人激動(dòng)得大叫起來(lái)。胡馨元回憶道，“從開(kāi)始到實(shí)驗(yàn)成功，我們用了幾個(gè)月的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)和探索的過(guò)程非常有趣，經(jīng)常是切葡萄、量尺寸、調(diào)微波爐、錄視頻、觀(guān)察現(xiàn)象，不知不覺(jué)就是一整天。”
實(shí)驗(yàn)成功并不代表課題的完成，在這之后，同學(xué)們又開(kāi)始緊鑼密鼓地查資料、寫(xiě)論文。最終，三名同學(xué)的成果從比賽中脫穎而出。
在日常生活中，舊衣物無(wú)處不在，這引起了北京二中國(guó)際部高三學(xué)生劉翼鶴的注意。
從初中開(kāi)始，他就留意生活用品回收的問(wèn)題?！拔矣^(guān)察到，一般的小區(qū)可能會(huì)有回收廢品的地方，但是很少有回收舊衣物的地方。這些舊衣物怎么才能再利用呢？我查閱了很多資料，向很多相關(guān)老師咨詢(xún)，后來(lái)想到用一種化學(xué)方法將廢舊衣物進(jìn)行循環(huán)利用，讓它們變?yōu)椤乱路！眲⒁睑Q說(shuō)。
研究的過(guò)程需要大量的實(shí)驗(yàn)和理論學(xué)習(xí)，從高二開(kāi)始，劉翼鶴把自己所有的課余時(shí)間都用在了這一課題上。“甚至沒(méi)有了刷手機(jī)的時(shí)間?！彼χf(shuō)。
最終，這項(xiàng)名為“通過(guò)化學(xué)方法回收廢舊滌綸織物”的研究奪得了比賽化學(xué)銀獎(jiǎng)。劉翼鶴表示，目前獲獎(jiǎng)的只是其階段性成果，他的下一步目標(biāo)是申請(qǐng)專(zhuān)利并爭(zhēng)取量產(chǎn)，“未來(lái)，我也希望自己可以在化學(xué)或生物的道路上繼續(xù)學(xué)習(xí)。”
在社會(huì)問(wèn)題中交出“中學(xué)生方案”
在社會(huì)問(wèn)題中，一些中學(xué)生不僅善于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，還試著用自己學(xué)到的知識(shí)解決問(wèn)題。
來(lái)自北京師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)中學(xué)的曾韻霏是一個(gè)自帶“國(guó)際范兒”的女孩。從初中起，她就參與學(xué)校里的“模擬聯(lián)合國(guó)”，關(guān)注全球氣候變化問(wèn)題。最近，她更是將研究角度聚焦到當(dāng)下熱門(mén)的電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域。
“上了高中后，我開(kāi)始和老師學(xué)習(xí)一些有關(guān)綠色經(jīng)濟(jì)的問(wèn)題，后來(lái)我們家正好要買(mǎi)車(chē)，我了解到了關(guān)于電動(dòng)車(chē)的有關(guān)政策。一些電動(dòng)車(chē)價(jià)格便宜是因?yàn)橛姓a(bǔ)貼。但我認(rèn)為這不是一個(gè)長(zhǎng)久之計(jì)，未來(lái)應(yīng)該用別的方式幫助電動(dòng)車(chē)適應(yīng)市場(chǎng)，真正推動(dòng)環(huán)境保護(hù)和綠色發(fā)展?！痹嶖f(shuō)。
于是，曾韻霏開(kāi)始學(xué)習(xí)相關(guān)政策背景、數(shù)學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)理論等多方面的知識(shí)，歷時(shí)幾個(gè)月，最終完成了一篇名為《稅收政策和碳排放額度：傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)管制理論》的論文，并奪得了比賽經(jīng)濟(jì)金融建模金獎(jiǎng)。
這兩年，新冠肺炎疫情打亂了很多人的生活節(jié)奏，來(lái)自山東省實(shí)驗(yàn)中學(xué)的解天佑深有體會(huì)。
“我的媽媽在齊魯醫(yī)院工作。疫情發(fā)生時(shí)，他們醫(yī)院有很多醫(yī)生去武漢支援。我在聊天中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題，醫(yī)院和隔離區(qū)需要大量的消殺工作。這項(xiàng)工作，機(jī)器人作業(yè)總是比人工作業(yè)要安全一些?！苯馓煊诱f(shuō)。
那么，如何實(shí)現(xiàn)機(jī)器人代替人工進(jìn)行消殺呢？
解天佑發(fā)現(xiàn)，目前很多機(jī)器人的硬件是比較完善的，但軟件系統(tǒng)還有提升的空間。機(jī)器人在進(jìn)行消殺工作時(shí)，應(yīng)該去哪些房間，如何進(jìn)行路線(xiàn)規(guī)劃，都需要一個(gè)高效的軟件進(jìn)行調(diào)度安排。
“這里面有兩個(gè)問(wèn)題，一個(gè)是優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題，一個(gè)是路徑規(guī)劃問(wèn)題。”解天佑說(shuō)。
說(shuō)干就干，解天佑和同學(xué)劉至理一起，利用自己學(xué)習(xí)的計(jì)算機(jī)知識(shí)，為這些機(jī)器人設(shè)計(jì)模擬路線(xiàn)軟件。
這并沒(méi)有那么容易。劉至理發(fā)現(xiàn)，自己曾經(jīng)學(xué)過(guò)的編程軟件并不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。
“我們?cè)趯W(xué)校學(xué)的是Java，但能實(shí)現(xiàn)我們想法的是Python，因此我們需要重新學(xué)習(xí)。我們一邊問(wèn)老師同學(xué)，一邊在網(wǎng)上學(xué)習(xí)教學(xué)視頻，終于把這個(gè)軟件做出來(lái)了?！眲⒅晾碚f(shuō)。
最終，兩人合作完成的《隔離病區(qū)多消殺機(jī)器人作業(yè)優(yōu)化調(diào)度與路徑規(guī)劃》獲得了比賽計(jì)算機(jī)類(lèi)銀獎(jiǎng)。兩名同學(xué)表示，在抗擊疫情的過(guò)程中，每個(gè)人都在貢獻(xiàn)自己的力量，作為學(xué)生，他們同樣希望可以用自己學(xué)到的知識(shí)，為抗疫作出一些貢獻(xiàn)。
在科學(xué)世界里熠熠發(fā)光
談及自己的研究項(xiàng)目，來(lái)自華南師范大學(xué)附屬中學(xué)的劉子灝說(shuō)出的內(nèi)容讓人“不明覺(jué)厲”：“我提出了素?cái)?shù)定理一個(gè)新的證明方法。利用在積分下取微分的方式來(lái)處理logζ(s)在s=1處的留數(shù)積分，這是一個(gè)更加直接的素?cái)?shù)定理解析證明。”
這篇論文從提出問(wèn)題到完成只花了一個(gè)星期的時(shí)間，但在這之前，劉子灝在解析數(shù)論領(lǐng)域已有一年多的學(xué)習(xí)、探索和積累。從去年6月起，他就先后閱讀了不少?lài)?guó)際知名數(shù)學(xué)家的著作。
“在學(xué)習(xí)過(guò)程中，我發(fā)現(xiàn)前人對(duì)素?cái)?shù)定理的證明都使用切比雪夫函數(shù)作為工具。好奇心驅(qū)使我尋找其他方法?！眲⒆訛f(shuō)。
在某內(nèi)容平臺(tái)上，劉子灝將自己整理的《讀懂黎曼猜想》系列文章陸續(xù)發(fā)表出來(lái)，他本人也成為該平臺(tái)“大V”，擁有3萬(wàn)粉絲。
今年4月的一個(gè)晚上，劉子灝在教室做數(shù)學(xué)推導(dǎo)，突然靈感閃現(xiàn)，找到了這個(gè)證明素?cái)?shù)定理的新方法。他在網(wǎng)上初步搜索，發(fā)現(xiàn)此前尚未有人使用過(guò)這一方法，緊接著他又進(jìn)行了更大規(guī)模的文獻(xiàn)檢索，最終確定這是一種新方法。
“于是我用一周時(shí)間寫(xiě)成了論文，之后請(qǐng)一位解析數(shù)論教授審閱，獲得認(rèn)可。知網(wǎng)查重的結(jié)果是0重復(fù)率，這也讓我對(duì)工作的原創(chuàng)性充滿(mǎn)信心。我還把論文投給了2021年國(guó)際數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)國(guó)際會(huì)議期刊，并被錄用。”劉子灝說(shuō)。
總決賽時(shí)，劉子灝的方法引起了清華大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)中心主任丘成桐院士的注意。
“丘先生問(wèn)我，對(duì)黎曼猜想研究中的數(shù)值方法是否了解？一年以來(lái)我在解析數(shù)論領(lǐng)域里閱讀了諸多文獻(xiàn)，我感覺(jué)自己回答得很好?！眲⒆訛f(shuō)。
獲獎(jiǎng)后，這些熠熠發(fā)光的“科學(xué)少年”并沒(méi)有停下自己前進(jìn)的腳步。
劉至理說(shuō)：“一開(kāi)始，我最感興趣的是數(shù)學(xué)，解天佑最感興趣的是物理。高中以后，我們發(fā)現(xiàn)，無(wú)論什么學(xué)科，計(jì)算機(jī)都是一個(gè)非常棒的工具。未來(lái)，我們都會(huì)往計(jì)算機(jī)方向繼續(xù)深造?！?/span>
曾韻霏表示，這次的研究只是一個(gè)階段性成果，她也將就這一研究深化下去，完善變量和函數(shù)。未來(lái)，曾韻霏打算出國(guó)深造，她的目標(biāo)是美國(guó)斯坦福大學(xué)。
“我非常關(guān)心氣候變化、低碳經(jīng)濟(jì)與綠色發(fā)展。此次獲獎(jiǎng)向我們傳遞了科學(xué)家對(duì)全球氣候變化的高度重視。希望越來(lái)越多的中學(xué)生關(guān)心環(huán)境保護(hù)，學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，為社會(huì)作出貢獻(xiàn)?！痹嶖f(shuō)。
