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一只女表与世界一流大学的故事 | “愚人节”

撰文 | 吴建永(美国乔治城大学医学院神经科学教授)

责编 | 陈晓雪

我周末喜欢逛跳蚤市场,寻找被人遗忘的故事。有句老话说,“东西放对地方就是宝藏,放错地方就是垃圾。”其实原话是这样的:“一个人找对单位就是人才,找错单位就会变成流氓。”

我在跳蚤市场上收集了不少旧手表,比如今天收集的四块,只花了五块钱,它们曾经被人珍藏青睐,现在却变成可有可无的旧货。

上面这四块表上有多少故事呢?左边的那块是“精工舍”(Seiko),是20世纪70年代中层白领的标配。可以想象主人每天早上洗漱整齐,系好领带再照照镜子,然后从桌上拿起表仔细戴好,出门去上班的场景。

右边的三块都是女表,两块的表链都磨断了,显示她们默默陪伴主人多年坎坷人生路。在1940-50年代,女表对于美国工薪阶层还是奢侈品,多半是在少女时代就被戴在纤纤细腕,表随主人嫁作人妇,生儿育女,打理家务,后来幸福地抱起孙儿。最后女人带着人生的满足和些许遗憾告别人世,家属就把衣物首饰匆匆打包卖给跳蚤市场收旧货的人。

从三块女表的造型还可以猜猜主人的性格容貌。最右那块的主人应是雍容富泰,中间那位聪明伶俐,而左边那个则像个知识女性。可是,猜测归猜测,这些女表见证过的丰富人生可以被真实地回忆吗?我一直觉得是不可能的,直到遇见我的一位学生。

这位学生来自中国西南的一个小学校,在我实验室进修的时候,我们经常周末开车出门“游四方”,在宽广的美国东部平原上兜风。这里曾是美国重工业的家园。至今可见巨大的高炉,交织的铁路和陨石坑一样的巨大矿场。在二次世界大战期间,这些地方爆发出惊人的生产力:赭红的山崖和漆黑的煤炭变成钢铁,造出大炮、飞机、军舰、航母等,源源不断地供应欧洲和远东战场,打得凶恶的德寇日寇全无还手之力。战后重建冷战时期,这些地方也一直支持着美国制造和工业强国的辉煌。可是现在呢?衰落了,厂房爬满青藤,基础设施锈迹斑斑,任凭风吹日晒。所以这些地方也叫“铁锈地带”(rust belt)。小镇街上鲜有行人,临街百货店早已变成了旧货店,里面还摆着20世纪30年代的油灯,铁火炉,缝纫机,木质家具也早就服务过几代人,很多又回到了已经变成旧货商店的家具店,等待着服务下一个家庭。

我和学生一边感叹怀古,一面规划着未来。在他供职的中国西南还有大片未开发的地区,要繁荣起来,再变成眼前这样的后工业时代还需要几十年。年青的学生心中充满使命感,他可以有无数的机会把自己融入那不可阻挡的城镇化,现代化,工业化的浪潮中,通过服务社会来赚取幸福人生以及惠及子孙的财富和教育。

他等待的机会居然说来就来了。

他母校原是民国时期办的“实业救国”学校,解放后算个技术中专吧。近年来当地出了个富豪,在滇缅边界跑了十几年单帮,积下的家产不详。富豪说吃了一辈子文化低的亏,心愿就是要把家乡子弟的教育程度提上去。他衣锦还乡时和当地父母官喝酒拜了兄弟,当场决定给母校捐十个亿,让家乡拥有一所“世界一流大学”。各级领导对这赤子之心高度重视,也立即拍板给该校配套十亿,建基础设施,要盖几栋“比北大清华还洋气”的大楼。学校的领导层更是急于干出成绩,决定在本届领导的任期内就完成引进世界顶级仪器的任务。消息一传出,小镇昨夜又东风,京城的仪器商们蜂拥而上,全员奔赴这山清水秀的边陲,不到一周就拿回大把订单。欧美的仪器制造商也惊动了,多年来欧美研究经费低迷,许多身怀绝技的小企业只能不死不活地熬着。这次居然中国的一所学校就能带来不少订单,业内一时传为佳话。

中国的效率世界第一。不到一年,红砖灰瓦的大楼拔地而起。各种进口的大木箱堆满楼道。北京的仪器商派来了领带男,拆开木箱把亮光闪闪的仪器装进散发着装修味道的实验室。然后呢?校领导立下军令状,凡接收先进仪器的系在三年内必须出“SCI”文章,全校要在五年内打破“CNS”的空白。面对印满洋字码的说明书,老师们都傻了眼。缠着领带男东问西问,按哪个钮可以快速出成果?系主任心里急呀,没日没夜地和我的学生微信视频。毕竟我学生是学校里几年来唯一留住的培养对象,也是当地少有的公派访问学者,出洋开过眼界的。

学生也天天找我商量,可我也没见过这种世面啊。多少年来,科研的套路都是从人开始,研究者先有了想法,然后再找经费买仪器,即所谓“量体裁衣”。可现在这学校的套路正好反的,唤做“看菜吃饭”。校领导是“世界上有啥好仪器给我来几台”,而系里则是先把最贵,最好的仪器争到家再说。具体怎么用然后再考虑。学界的人都批评这种做法有危险,就是科研仪器进化快,而且往往越新颖的仪器过时就越快,常常几年就由新变旧,再过几年就要给更新仪器腾地方了。恰似把好菜摆桌上却没人来吃,几个钟头菜就凉了,再过几天就馊了。

但是,看菜吃饭也不是全错。我们在美国窝着的人经常经历没经费的情况,也常常需要根据条件调整课题。所谓丰年多做,做深,欠年少做,做浅。不这样肯定不能安度经费荒年。我本身也是这么俗气,总不能一看人家花钱如流水就嫉妒,批评人家领导决策错误吧?

学生的系是历史考古系,原是纯文科,有了学生这样学理科人才后开始向技术方向发展,想搞点年代鉴定之类的课题。这次富豪捐钱,系里争取到了全校最大的仪器项目,价值两亿的原子力显微镜。要这仪器也不完全是盲目。几年前系里有位老师曾经拿着一个当地墓葬出土的金属饰物到北京去过,测量了其表面镀金的厚度,这个工作理清了中国古代镏金技术的一个重要争论,不但发了“SCI”,还得了省里科技奖。但科学院里管扫描电镜的老师要升工程师,抢了第一作者。自然这文章的‘第一单位’也是人家的了。咱校的老师憋了一肚子气回来,从此就想要个“高级电镜”。

今天的原子力显微镜比起当年在北京用的扫描电镜完全是鸟枪换炮,分辨率高达0.1 nm, 比老师用过的那台电镜高了上百倍,而且观察视野超大,竟达到0.1x 0.1毫米。三维数据完全自动输入计算机,还带有非常先进的地貌特征识别和索引系统。买这么高的性能的仪器是否必要主要是听了仪器商的忽悠,说这型号出现才两三年,全世界只有五台,北京才有两台。

看着这令人惊艳的高性能,我和学生绞尽脑汁,真想不清怎样为祖国璀璨的历史研究作出贡献。可是在逛跳蚤市场时突然产生了一个想法:为什么不用它来解码一下那女表主人的人生呢?这不但与学生系里技术考古的方向吻合,也能充分利用这台超级显微镜的分辨能力。真是个完美的“看菜吃饭”课题!

想法有了,原理竟然如此简单。原来机械手表记时靠一系列齿轮的转动(图2)。转动的时候齿轮机件互相摩擦,留下无数微小的擦痕。这些擦痕非常小,手表运转几十年基本看不到磨损。可是在原子力显微镜下,只有几个原子深度的擦痕却能被看得非常清楚。这样,手表一生运转的历史就会被精确记录在金属表面的擦痕上,又被原子力显微镜精确地描绘下来。

 

那么,又怎样从擦痕中看到主人一生活动的历史呢?我们决定利用的是摆轮-擒纵叉系统的接触面。手表维持准时的原理是靠摆轮自身的固有频率。发条的力量驱动摆轮,而摆轮和游丝按自己的固有频率来回摆动(图3)。摆轮的钢轴利用红宝石作为轴承,红宝石比钢轴硬得多,每次摆动,宝石都会在钢轴上产生几个擦痕。如果表的空间位置变化,比如主人扬起手臂,摆轮擒纵叉就会因惯性而位移,擦痕的位置就会随之变化。根据这个思路,学生的团队决定首先从寻找擦痕位置周期性变化来入手。没多久,果然找到了大批周期约一秒左右擦痕的特征指纹。这就是走路时手臂来回摆动的信号!配合校内其他老师的专长,他们竟然可以算出手表主人的身高和每天行走的时间。这个结果马上在国际顶级考古杂志上发了英语文章,提前两年完成了三年出SCI的军令状。

接下来的硬骨头是怎样确定擦痕发生的时间顺序。原理也非常简单,就是新的擦痕会落在旧的擦痕之上。但细节里有魔鬼,实际上信息量实在太大了。摆轮每秒摆三次,一天就是25万八千次,30多年就是一亿次。这么多擦痕重叠落在一起,靠人工解析绝对不行的。可是现在生物学大量数据分析的技术已经很成熟,结合人工智能的神经网络深度学习,终于利用电镜自动采集和特征提取两大先进特征实现了擦痕的时间排序。团队用我提供的三块在美东地区使用过的女表,进行了擦痕全历史排序。然后再利用美东地震台几十年记录的几百次有感地震,与擦痕的位移进行吻合,竟发现三块手表的记录竟然互相印证,精确吻合。这个结果简直不可思议,跳蚤市场上的旧手表居然变成了像现代智能手表那样的精确传感器。

结果就不用说了,文章发在顶级杂志上。文章还没发国家基金委派人下来和学校谈,主动要给团队增加经费。说边远地区基金申请率一直很低,而且申请到的项目回报率更低。这个项目完全是落后地区的明星项目,国家基金委很愿意倒贴。

学生的团队一下扩大了几十倍,又买了两台更新型号的显微镜,24小时连轴转。国内其他单位也跟风,一时间造这种显微镜的瑞士公司专门为中国用户设计了新的型号,使用手册都是北京理工写的中文版。中国运行的台数马上达到世界第一,比第二到第五名的总和还多出两倍。北京的那个领带男脑子挺灵活,不但争得了国内独家代理,还会在洽谈时灵活打折,给科研处领导回扣返现啥的。生意做得风生水起,不久就现金买了四环内的房子。

学生的团队在采集样品方面也实行了大跃进,不但把我收藏的一百多块女表一网打尽,还派人到世界各地收买了八千多块各种旧机械手表。这些戴过几十年的机械手表上埋藏了难以想象的人文历史宝藏,意义是肯定的。他们的方法也不断被优化,为了不断开发新的项目,学生买了几箱国产“海鸥大三针”发给志愿者进行了仿真实验,结论就更精确,文章就自然发得源源不断。早先还只发考古领域的杂志,后来把如公共健康,社会行为,疾病研究,人体力学等等杂志也灌水灌得一塌糊涂。从模拟实验上推论,测量几十年前戴表者的身高体重早就不是问题,每日的饮食起居,睡眠时间以及工作性质也能猜个八九不离十。至少打字的运动特征指纹已经反复得到确认,有篇文章居然根据手腕的位置推测出一篇短文的内容。手表主人的其他活动,如开车,洗衣店,收银员等工作的特征也在不断地被揭示。反正人手的活动特征映射着个人主要的社会活动,他们怎么吹怎么有理。学生领军的现代个人史研究所(Institute of modern history of individuals )居然世界知名。以前研究历史都突出社会事件而忽略个人。而这个研究所的特征则是突出个人,利用个人的行为变化研究历史。

当然, 文章多了总有一定比例被撤稿。团队中造假,数据按摩(data massage),疏忽等都出现过。有一个课题组长和研究生闹翻了,后者揭发了那篇著名的推测打字内容的文章造假,马上就撤稿了。可是,团队有上百篇文章,一个新领域毕竟起来了,领军人毕竟当上了,偶尔撤个稿啥的并不影响大局。

家乡的那位富豪乐得合不上嘴,逢人就说人傻钱多没关系,只要实心眼往一处砸钱,就一定能办成大事。他把学生送给他的一份大数据擦痕分析贴在墙上,证明在肯尼迪遇刺的时候,世界各地很多人在看电视直播时停住脚步,并用手捂了嘴。

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