终身科学家

施陶丁格于 1881 年 3 月 23 日出生于德国沃尔姆斯。除了知道他对植物学感兴趣以外，人们对他的早年生活知之甚少(参考文献 1）。他的父亲是一名哲学教授和和平平主义者，影响了他的许多观点，并鼓励他学习化学（参考文献 2）。施陶丁格在达姆斯塔特大学获得了硕士学位，随后于 1903 年在哈勒大学获得化学博士学位。1907 年，他在斯特拉斯堡大学师从Magda Woit Staudinger，获得了学术讲师的资格。

同年，施陶丁格成为卡尔斯鲁厄理工学院化学研究所的有机化学教授。从 1912 年开始，他在瑞士联邦理工学院担任了 14 年讲师，研究聚合物。1926 年，他成为弗莱堡大学的化学讲师，并在那里度过了余下的职业生涯。第二年，他与他的第二任妻子——生物学家和植物学家 Magda Woit Staudinger 结婚，她后来成为他许多著作的共同作者。

赫尔曼·施陶丁格的肖像，1954 年由诺贝尔基金会拍摄。该照片已经进入公有领域，通过 Wikimedia Commons 共享。

早期发现

1907 年，施陶丁格在斯特拉斯堡大学学习期间，发现了被称为烯酮的有机化合物家族，这种高活性气体可用于合成酯和酰胺。这一发现为日后生产青霉素和阿莫西林等抗生素奠定了基础。1919 年，他和一位同事观察到有机叠氮化物与三苯基膦（PPh3）发生反应，生成高产率的亚氨基磷烷（R3PNR’），这是他职业生涯中的另一重大发现，也就是如今众所周知的施陶丁格反应（参考文献 3）。

施陶丁格反应的机理。通过 Wikimedia Commons共享，获 Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0s 许可公开使用。

在瑞士联邦理工学院任职期间，Staudinger 潜心研究橡胶化学。1920 年，他发表了一篇震惊国际化学界的论文 Über Polymerisation。在这篇论文中，他首次提出一个新理论，他称之为“聚合物”，即由高分子量化合物组成的如天然橡胶、淀粉和蛋白质等物质，这些化合物由许多重复的小分子通过共价键合成长链的反应形成（参考文献 4）。Staudinger 将这些化合物称为“大分子”。他的新理论与当时公认的理论形成了鲜明对比，后者认为像由洗涤剂形成的胶束状聚集体是导致高分子材料特性的原因。

使用回形针链类比的由小片段连接而成的聚合物。获 Evastar 授权，通过 Wikimedia Commons 在公有领域使用。

走在时代前列

尽管施陶丁格从氢化反应、黏度测定法和其他实验中收集到了支持他的理论的证据，但当时的主流有机化学家并没有轻易相信他的理论。科学界花了近 20 年的时间才认同他的观点。

1916 年，赫尔曼·施陶丁格正在进行实验。图片已进入公有领域，通过 Wikimedia Commons 授权。

1926 年，施陶丁格参加了一场最终让他在化学界声名鹊起的辩论。这场辩论发生在德国自然科学家和内科医生会议上，辩论双方分别是聚合物原始聚合体理论的支持者和 施陶丁格新的大分子理论的支持者。这场辩论由化学家 Fritz Haber 组织，此前施陶丁格曾质疑 Haber 在毒气战中的作用（参考文献 5）。施陶丁格一直强烈反对毒气战，并因此遭受到职业上的损失。

在辩论中，Herman Mark 提出了天然聚合物结构的 X 射线晶体学证据，表明大分子可能存在，但无法得出明确的结论。其他几位化学家的研究成果也证实了施陶丁格的理论，但辩论结束时仍未达成共识。

期待已久的认可

施陶丁格的整个职业生涯中都在捍卫他自己的理论，尽管其他科学家劝阻并鼓励他转到其他领域工作。20 世纪 30 年代，随着对聚合物的研究越来越多，人们的想法开始发生变化，他的理论也慢慢被其他化学家所接受。1953 年，他因在高分子化学领域的发现而获得诺贝尔化学奖，这距离他发表具有里程碑意义的论文已经过去了 30 多年。施陶丁格于 1965 年去世。1999 年，美国化学学会和德国化学学会将赫尔曼·施陶丁格故居指定为国际化学历史地标，以表彰他作为高分子科学奠基人所做的工作。

施陶丁格的发现是高分子化学领域诞生的基础。他的大分子理论适用于天然和合成聚合物，这些聚合物后来被广泛应用于需要轻质但耐用的结构产品的工业材料中，如食品包装、电路板、航天器和医疗植入物。

了解更多关于聚合物科学的内容

阅读以下关于聚合物科学和仿真的博客：

• 制造超强二维聚合物的新技术
• 通过仿真研究蝠鲼机器人的“肌肉”
• 模拟 Oldroyd-B 聚合物的行为
• 复合材料模块介绍

参考文献

1. “Hermann Staudinger,” Wikipedia, Wikimedia Foundation, 20 Mar. 2025; https://en.wikipedia.org/wiki/Hermann_Staudinger
2. “Hermann Staudinger,” Science History Institute, 20 Mar. 2025; https://www.sciencehistory.org/education/scientific-biographies/hermann-staudinger
3. “Staudinger reaction,” Wikipedia, Wikimedia Foundation, 20 Mar. 2025; https://en.wikipedia.org/wiki/Staudinger_reaction
4. “Foundations of Polymer Science: Hermann Staudinger and Macromolecules,” American Chemical Society International Historic Chemical Landmarks, 20 Mar. 2025; https://www.acs.org/education/whatischemistry/landmarks/staudingerpolymerscience.html
5. “Fritz Haber,” Wikipedia, Wikimedia Foundation, 20 March 2024; https://en.wikipedia.org/wiki/Fritz_Haber

1. 青霉素

生命在抗生素问世之前面临着许多危险。像扁桃体炎、支气管炎和肺炎等都是致命的疾病。导致感染的创伤往往会危及生命。器官移植等需要免疫抑制的治疗措施更是不可能实现。然而，1928 年，苏格兰细菌学家 Alexander Fleming 偶然发现了青霉菌，改变了人们的生活。

发现青霉素的地点是伦敦圣玛丽医院。Fleming 去度暑假之前把他正在研究的金黄色葡萄球菌的培养物留在了实验室的一个黑暗角落里。休假归来后，他和他的研究生 Daniel Pryce 和 Stuart Craddock 发现其中一个培养皿的盖子微微打开着。培养皿内长出了一种蓝绿色的霉菌，值得注意的是，细菌无法在霉菌周围生长。

污染 Fleming 的细菌培养物的霉菌——红青霉标本。获 CC BY-SA 4.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。

虽然不确定这种霉菌的确切来源，Fleming 团队还是采集了一个样本，并在继续他们的研究之前保存了这种当时尚不为人知的霉菌。在随后的几年里，Fleming 继续研究这种后来被鉴定为红青霉菌的霉菌。不过，他未能针对红青霉菌的应用取得更多进展。幸运的是，1939 年 Howard Flore 带领的研究团队继承了 Fleming 的研究，并最终成功分离和提取出化学物质青霉素。时至今日，青霉素仍作为抗生素被使用。

1946 年使用的玻璃药瓶中的青霉素。获 CC BY-SA 4.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。

2. 烟雾警报器

安装在办公室或卧室天花板上的圆盘状小装置——烟雾报警器很容易被人们遗忘，但它却是普通人所能拥有的最重要的科技产品之一。事实上，一个正常工作的烟雾探测器可以将住宅火灾的死亡率降低 60% 左右。如果不是瑞士物理学家 Walter Jaeger 在 20 世纪 30 年代的一次意外发现，我们可能永远也不会拥有烟雾探测器。

烟雾探测器。采用 CC BY-SA 3.0, CC BY-SA 2.5, CC BY-SA 2.0, 和 CC BY-SA 1.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。

Jaeger 最初并不打算制造烟雾探测器。相反，他当时正在研制一种能够检测有毒气体的电离传感器。Jaeger 预测，有毒气体会进入传感器，与电离的空气分子结合，最终引起装置内部电路的电流发生变化。然而，该装置未能成功检测到少量有毒气体。据说，Jaeger 当时坐在办公桌前，点燃了一支香烟，突然装置中的电流开始下降。

随后几年，其他科学家继续在这一领域开展研究。另一位瑞士物理学家 Ernst Meli 开发了一种能够探测矿井中气体的装置，以及一种能够扩展这些电离室产生的信号的冷阴极管。20 世纪 60 年代， Duane Pearsall 和 Stanley Bennett Peterson 研制出第一台家用烟雾探测器，迅速将消防安全从矿井和工业建筑带入家用领域。

3. Kevlar 纤维

很难相信，这种用于防护装备、运动器材和乐器的坚固耐热纤维最初是为应对汽油短缺而发明的。但 Kevlar 正是如此。这种强韧合成纤维是由 Stephanie Kwolek 发明的，如果当时她像扔普通废品一样将它扔掉，今天就不会有这种纤维存在了。

用于防弹衣的对芳纶纱线线轴。采用 CC BY-SA 3.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。

Kwolek 当时在杜邦公司担任化学家，由于预计会出现天然气短缺，她的任务是发明一种轻质纤维，用于制造更结实、更轻的汽车轮胎。在这个项目过程中，她在一种看起来浑浊而稀薄的溶液中测试出了几种不同的聚合物。通常情况下，这样的溶液会被扔掉，但 Stephanie 冒险说服她的同事对其进行了测试。出乎他们意料的是，这种纤维没有断裂并且应用前景广阔。最终，这种纤维被开发成我们今天所熟知的 Kevlar 纤维。

许多人都知道 Kevlar 纤维用于军队或警察组织的防弹衣，其实它在许多其他领域也有应用。它可用于大型船舶的缆绳，以及独木舟和弓弦等运动器材。Kevlar 纤维还被用于军鼓和扬声器的外壳。Kwolek 的意外发现甚至催生了高分子化学这一新领域的兴起。

一艘 Kevlar 材质的赛艇。采用 CC BY-SA 3.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。

4. 魔术贴搭扣

很多科学家从大自然中寻找灵感。有些人从 翠鸟身上获得灵感，设计出子弹头列车；有些人则从海狸身上获得灵感，设计出性能更好的潜水衣。然而，这种灵感并不总是有意为之。VELCRO^® 品牌搭扣的发明者 George de Mestral 就是如此，他在牛蒡植物的毛刺中获得了惊人的发现。

左图：牛蒡植物。采用 CC BY-SA 4.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。右图: VELCRO ^® 品牌搭扣(第一款魔术贴)的钩面。采用 CC BY 3.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。

当 De Mestral 从阿尔卑斯山徒步旅行归来时，开始了一项许多徒步旅行者都熟悉的工作：清除粘在衣服和狗身上的毛刺。受这种粘连植物的启发，他决定用显微镜来观察它。在显微镜下，他发现种子周围有数以百计的钩状小刺。这些钩刺后来成为我们现在所熟知的 VELCRO^® 品牌搭扣诞生的驱动力。

De Mestral 的发明最初遭到拒绝，但在使用合成纤维代替天然纤维并找到机械化加工方法后，他的发明在 20 世纪 50 年代末得以广泛应用，取得巨大成功。现在，VELCRO^® 品牌搭扣和其他魔术贴搭扣已应用于许多行业。在服装领域，它可以取代大衣上的纽扣、拉链或鞋带。最著名的应用可能是美国国家航空航天局（NASA）使用这种搭扣件固定设备和宇航服。

5. Super Soaker^® 超级水枪

骄阳似火，阳光将草坪染成了尘土棕色。蝉在树上鸣叫，汗水顺着额头滴落。你的邻居从房子旁边走来，手里拿着你最信任的刚从水龙头里重新装上水的 Super Soaker^® 超级水枪，来对抗炎炎夏日。这项由美国国家航空航天局工程师 Lonnie Johnson 发明的玩具入选 2015 年美国国家玩具名人堂。它是有史以来最畅销的水上玩具之一，其灵感来源于一次意外。

Super Soaker CPS2000，属于“恒压系统”系列超级水枪。采用 CC BY-SA 3.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。

Johnson 是一名多产的发明家， 拥有 100 多项专利，当时他正在开发一种新型热泵，这种热泵可以使用加压水代替氟里昂（Freon^® ）。突然，一股稳定的水流从房间里喷射而出。受此启发，他用有机玻璃、PVC 管和汽水瓶制作了一个原型。这个原型后来被送到 Larami 公司，并最终成为我们今天所熟知的 Super Soaker^® 超级水枪。

Johnson 并没有就此止步。他继续从事航空航天项目和玩具行业的工作，最终通过调整设计，发明了 Nerf N-Strike 玩具枪。

扩展阅读

• 上述发明的确令人惊叹，但也不要忽视那些并非偶然诞生的发明。阅读下列博客，了解更多其他发明家及其重要发明的信息：
  • Douglas Engelbart, 电脑鼠标开发者
  • Olive Dennis, 她的创新研究开创了舒适的铁路客运旅行
  • Elijah McCoy, 他创造的蒸汽机润滑系统改变了铁路行业

 
VELCRO 是 Velcro IP Holdings LLC 的注册商标。经许可使用。Kevlar 是杜邦安全与建筑公司的注册商标。Super Soaker 是 Hasbro, Inc.Freon 是 The Chemours Company FC, LLC 的注册商标。

美国 “得克萨斯号” 战列舰：一个多世纪的漂浮

“得克萨斯号”（the USS Texas）战列舰是一艘美国海军纽约级战列舰，于 1914 年服役，参加过两次世界大战，1948 年被改造为博物馆和纪念馆。“得克萨斯号”战列舰退役后仍然漂浮在水面上，继续经受着其设计时所要承受的各种力。不过，由于长期浸泡在水中，这艘战舰给船舶管理者——得克萨斯州公园与野生动物管理局（TPWD）带来了巨大的挑战。

1919 年，“得克萨斯号”战列舰出现在纽约市附近海域时的英姿。图片已经进入公有领域，通过 Wikimedia Commons 共享。

迄今为止，腐蚀一直是该船舰面临的最严峻的挑战。到 20 世纪 80 年代，该船的水密性已严重受损，需要在干船坞中停泊 14 个月以进行维修。为了应对腐蚀问题，维修人员对船体和上层建筑进行了喷砂处理，并替换了所有生锈的金属。焊工和装配工还替换了船体内部受损的结构梁和大量生锈的甲板。此次维修总共替换了 超过 350,000 磅的钢材，并在水下船体上密封焊接了40,000 多个铆钉。

干船坞中的 “得克萨斯号”，右侧鱼雷舱室外部的鼓胀部分已于 2022 年被拆除。图片来自 Wikimedia Commons，获 CC BY-SA 4.0 许可。

为了更有效地应对腐蚀问题，TPWD于 2022 年再次将“得克萨斯号”送入干船坞，并改变了该船原本存在漏水问题的鱼雷舱室鼓胀部分的设计。通过将这些结构的底部进行方形处理，TPWD认为该舰将更容易维护。然而，无论进行何种改造，只要船还在水中，腐蚀问题就会一直存在。为了平衡这种风险，可以定期将船运到干船坞进行维修。在那里，操作人员可以检查船体，修补任何孔洞，并使用 PPG Sigma Shield 880 GF 等环氧树脂涂料有效预防腐蚀。

日本 “三笠号” 战列舰：安置在陆地上的船舰

“三笠号”（the Mikasa）建于 1900 年左右，曾为日本海军服役，是一艘前无畏型战舰，参加过日俄战争、第一次世界大战以及俄罗斯内战期间日本对西伯利亚的干涉行动。“三笠号” 于 1923 年退役，并作为一艘纪念舰被保存，其舰体被混凝土包裹，发动机和火炮被拆除。这一决定是《华盛顿海军条约》签署国协商的结果。

“三笠号” 1905 年时的风貌。图片已经进入公有领域，通过 Wikimedia Commons 共享。

虽然用混凝土包裹“三笠号”避免了船体与水的持续接触，但腐蚀仍然存在并且将继续困扰该船舰。就像混凝土中可以插入钢筋一样，例如水等腐蚀性成分会渗入混凝土的孔隙中，对“三笠号”钢制船体的长期健康产生不利影响。

2021 年，位于日本横须贺的被混凝土包裹着的“三笠号”。通过 Wikimedia Commons 共享，获 CC BY-SA 4.0 许可。

混凝土外壳还会带来另一个挑战，即缺乏结构支撑。船舰在水中行驶时会受到浮力和重力等所有相关力的作用。例如，当船舶位于水中时，整个船体的重力都会得到支撑，而陆地上的船舶（或包裹在混凝土中的船舶）则缺乏轴向和横向支撑，这可能会导致“煎饼效应”，使船舶随着时间的推移而变平。我们稍后将介绍的内部支撑可帮助抵消这种影响。

英国“胜利号”战列舰：桩基支撑

世界上更著名的传奇战舰之一，也是现役最古老的海军战舰：胜利号（the HMS Victory）。这艘隶属于英国皇家海军的一级战舰拥有 104 门大炮，于 1765 年下水，1778 年服役。在其军舰生涯结束后，该船舰停泊在英国朴茨茅斯。在那里，它经历了几次险些沉没和被要求销毁的命运。幸运的是，在 20 世纪 20 年代的一次海军调查中，该舰得以复活，并于 1922 年被移至朴茨茅斯的 2 号船坞（世界上仍在使用的最古老的干船坞）。

朴茨茅斯干船坞中的“胜利号”。图片由 Ballista 提供，通过 Wikimedia Commons 共享，获 CC BY-SA 3.0 许可。

“胜利号”的运营者没有将船体包裹在混凝土中，也没有让它浮在水面上，而是一直将其停放在干船坞中。这种保存方式消除了因浸泡在水中而产生的腐蚀和腐烂问题，但也产生了自身的结构应变。干船坞内必须安装一个支撑托架，以减轻沉重的船舰仅靠龙骨支撑所产生的煎饼效应。为了深入了解木质船体的受力情况，“胜利号”的运营人员在这些支架上安装了压力传感器，以确保受力均匀。

从“胜利号”下面穿过的船坞步道。照片中可以看到干船坞中的支架。图片由 Type984 提供，通过 Wikimedia Commons 共享，获 CC BY-SA 4.0 许可。

对于“胜利号”的运营人员来说，腐朽的木材和害虫（如抱死虫）是一对令人头疼的问题。保护人员不断更换腐朽的木板，寻找最能经受风吹雨打、日晒雨淋和其他环境因素的木材和油漆。根据该船的保护日志记录，持续暴露在自然环境中的地方（如外部木板和炮口盖）已经腐烂并被更换。

“瓦萨号”战舰：保持历史原样

“瓦萨号”（the Vasa）于 1628 年首航时在斯德哥尔摩港口沉没，并在水下沉没了 300 多年。这为 1961 年打捞起该船的人们带来了一个重大的保存问题。

从船头望去的“瓦萨号”。图片由 JavierKohen 提供，通过 Wikimedia Commons 共享，获 CC BY-SA 3.0 许可。

聚乙二醇和浸水的木材

受水浸泡的木材在干燥后会收缩和开裂。对于在水中浸泡了三个多世纪的木材来说，尤其如此。为了解决这个问题，瓦萨博物馆的保护人员采用了合成聚合物聚乙二醇（PEG）。这种合成蜡可以扩散到木材中，取代木材中的水分，防止木材分解。该团队最初采用人工喷洒的方法，之后在1965 年安装了自动喷洒系统。为了使木材完全浸润，他们使用 不同分子量的聚乙二醇对这艘船进行了长达 17 年的喷洒。

保存初期的“瓦萨号”。图片由 Holger Ellgaard 提供，通过 Wikimedia Commons 共享，获 CC BY-SA 3.0 许可。

控制气候环境

为进一步防止木材降解，瓦萨博物馆严格控制船舱内的气候和光照环境。馆内湿度保持在一定水平，这可以限制霉菌生长等生物活动，并有助于防止木材开裂和收缩。博物馆内的温度保持在相对较低的水平，以防止发生化学反应。同样，船舰周围的光照也被调暗，因为强烈的光照会分解有机材料。不仅如此，游客身上的灰尘也会导致木材降解，因此博物馆每天都会对公共区域进行清洁，并定期对船本身进行深度清洁。

安装钢骨架

除了部署聚乙二醇和环境控制外，“瓦萨号”的保存还依赖一个结构支撑系统。虽然该系统在减轻变形方面发挥了重大作用，但博物馆认为其仍有改进的余地。他们估计，木质船体某些部分的承载能力下降了 40% ~ 80%。这促使他们投资建造一个更坚固的支撑系统。新设计的支撑结构目前正在安装中，应能在 2028 年该船舰 400 周年纪念时完成。目前的 17 个外部支座构件正被替换为 27 个钢制支座，这些支座通过一个关节与龙骨连接。此外，船舰内部正在加装一个钢骨架，从龙骨一直延伸到上甲板。

斗争时刻

无论博物馆的船舰是漂浮在水面上、被混凝土包裹、停在干船坞里，还是拥有属于自己的博物馆，任何维护这些船舰的组织都面临着与腐蚀、腐烂和结构性应变的艰难斗争。虽然目前还没有针对传奇船舰的永久性或公认的长期解决方案，但通过实验和合作，这些传奇船舰的运营者们可以继续维持船舰不损坏。

拓展阅读

• 阅读 COMSOL 博客，了解船舶腐蚀及相关内容:
  • 借助 ICCP 与仿真预防船体腐蚀
  • 通过仿真防止大气腐蚀
  • 石油平台的腐蚀与防护

早已显露的数学天赋

冯·诺依曼 1903 年 12 月 28 日出生于匈牙利布达佩斯，他自幼便展现出非凡的数学能力。6 岁时，他就能心算两个八位数的除法；8 岁时，精通微积分。15 岁，他开始师从著名的匈牙利裔美国数学家 Gábor Szegő 学习高等微积分。4 年后，年仅 19 岁的他就发表了两篇重要的数学论文。冯·诺依曼曾经赴苏黎世联邦理工学院求学，并以化学工程师的身份毕业，同时完成了数学博士学位。

约翰·冯·诺依曼在洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）工作时的照片。图片由 LANL提供。除非另有说明，图片由洛斯阿拉莫斯国家安全有限责任公司（LANS）的一名或多名员工创作，该公司是洛斯阿拉莫斯国家实验室的运营商，与美国能源部的合同编号为 DE-AC52-06NA25396。美国政府有权使用、复制和分发此图片。公众可以免费复制和使用本图片，但必须在所有副本上注明所有作者声明。美国政府和局域网均不对本信息的使用作出任何明示或暗示的保证，也不承担任何责任。

随后，冯·诺依曼在洛克菲勒基金会的资助下进入德国哥廷根大学，师从当时最有影响力的数学家之一大卫·希尔伯特学习数学。毕业后他在多所大学授过课，并于 1933 年获得了新泽西普林斯顿高等研究院的终身教授职位。

用博弈论重新定义数学

在冯·诺依曼职业生涯中，他研究过策略博弈，从事过统计数学工作。1928 年，他还证明了极小极大定理，确立了在完全信息的零和博弈中存在着一组能使博弈双方的最大损失最小化的策略。在该定理提出多年以后，他对其进行了优化和扩展，将不完全信息博弈纳入其中，并将这一进展发表在与奥斯卡·摩根斯特恩合著的 Theory of Games and Economic Behavior 一书中。这本书是博弈论的奠基之作。

约翰·冯·诺依曼和奥斯卡·摩根斯特恩撰写的 Theory of Games and Economic Behavior 。图片来自 维基共享资源，获 Creative Commons Attribution 2.0 Generic license授权。

1932 年，冯·诺依曼发表了一系列论文，这些论文成为了遍历理论的根基。遍历理论是数学的一个分支，主要研究确定性动态系统的统计特性。从 1935 年到 1937 年，他一直专注于格论，该理论涉及部分有序集合，其中每两个元素都有一个最大下界和一个最小上界。他的工作将传统的射影几何与现代代数融合在一起，为射影几何领域的进步奠定了基础。

在他的职业生涯中，他还对数学学科做出了许多其他令人瞩目的贡献，如推进了线性规划中的对偶理论、算子环研究和升力线理论。

为物理学和计算机科学奠定基础

除数学以外，冯·诺依曼在量子力学领域也作出了重要贡献。冯·诺依曼与英国理论物理学家保罗·狄拉克共同建立了量子力学的一个严格的数学框架——狄拉克-冯·诺依曼公理。在这项工作中，他使用希尔伯特空间上的算子提出了量子力学的数学表述，并在他的著作 Foundations of Quantum Mechanics 中进行了详细阐述。

冯·诺依曼也被认为是计算机领域的奠基人。1945 年，他分享了一个电子数字计算机的设计结构，即现在的冯·诺依曼结构，其中包括以下组件：

• 带有指令寄存器和程序计数器的控制单元
• 带有算术逻辑单元和处理器寄存器的处理单元
• 大容量外部存储器
• 存储数据和指令的内部存储器
• 输入和输出机制

他的工作使计算硬件设计、理论计算机科学和科学计算领域取得了重大进展。

关于电子离散变量自动计算机（EDVAC）（一种存储程序计算机）的讨论促使冯·诺依曼撰写了 引起了业界的关注第一份关于 EDVAC 的报告。不过，应该指出的是， 艾伦·图灵、艾克特和约翰·莫奇利等人为冯·诺依曼的论文奠定了基础。

推荐阅读

诺依曼一生的研究涉及多个学科，他在多个领域和理论的卓越贡献使他成为历史上最伟大的数学家之一。

• 点击下方链接，了解更多有关约翰·冯·诺依曼的生平和工作的信息：
  • Britannica
  • Institute for Advanced Study
  • MacTutor
  • Privatdozent
• 想要了解更多类似科学家的信息吗？请阅读下列博客，了解更多有特色的科学家:
  • 尼尔斯·玻尔, 研究出原子的玻尔模型和液滴理论的科学家
  • 埃贡·奥罗万, 物理学家、冶金学家，“火星人”组织成员，“火星人 ”是对匈牙利一些科学家的俗称

成为全球公认的人物

列文虎克于 1632 年 10 月 24 日出生于荷兰共和国（今荷兰）代尔夫特市。他几乎没有接受过正规教育，在16 岁时，他成为了阿姆斯特丹一家亚麻布店的记账员学徒。

安东尼·范·列文虎克（1632—1723 年）的肖像,图像版权已进入 美国公有领域 ,因为它是在 1928 年 1 月 1 日之前 出版 (或在 美国版权局注册)的。图片来自维基共享资源。

1654 年，列文虎克回到代尔夫特，开了自己的布匹店。在代尔夫特期间，他的社会地位逐渐提高，并获得了几个利润丰厚的工作。1660 年，他成为市政厅警长的侍从。九年后，他成为代尔夫特的官方葡萄酒检验员，负责当地葡萄酒的进口。

除了帮助列文虎克在当地站稳脚跟外，他的布匹生意还使他成为了全球公认的人物……

细节、细节、细节：开发显微镜

作为一名布匹商人，列文虎克需要对布匹的质量有深入的了解，才能更好地推销自己的商品并为其定价。为了更详细地检验布匹，他开始使用显微镜。然而，他发现即使是当时的复合显微镜也只能将物体放大 30 倍。为了克服这个障碍，他决定自己动手研磨镜片和研制显微镜。在这项工作中，他取得了巨大的成功。他制造出了功能强大的显微镜，其中一台能够将物体放大到正常大小的 275 倍！在他的一生之中，这种放大程度从未被超越，这让列文虎克在显微镜领域垄断了数十年。（这并不是说其他创新者过去的工作没有帮助推动列文虎克的成功。除了因为希望看到布匹丝线更多的细节之外，列文虎克可能还受到了罗伯特·胡克那本广受欢迎的、图文并茂的显微学书籍Micrographia的部分启发。）

安东尼·范·列文虎克制作的显微镜的复制品, 照片由 Jeroen Rouwkema 拍摄，获 Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported license授权发布。

当列文虎克用他新发明的显微镜检查丝线时，他注意到了微小的生物体，并记录下了他的发现。这一发现启发了他对其他材料的研究，包括对布满绿藻的池塘水样本。列文虎克没有受过专门的科学训练，但他对知识的渴望使他对这些发现进行了深入的探究，他记录下了他所看到的一切并绘制了示意图。列文虎克最初并不愿意分享这些信息，但在朋友和荷兰医生Reiner de Graaf 的劝说下，他向伦敦皇家学会写信介绍了自己的工作。由此开始，列文虎克与皇家学会一直保持通信直到他去世。

列文虎克喜欢独自工作，他没有受过正规训练，也从没用拉丁文发表过科学论文。他的作品受到英国皇家学会的抵制也有这部分原因。当研究人员（包括Robert Gordon爵士）查阅并确认了他的发现后，列文虎克的观察结果才被皇家学会完全接受。这帮助全世界认识到了微观生物的存在，他也在 1680 年当选为皇家学会的成员。

微生物学之父

掌握了这一技术后，列文虎克可以看到一个以前仅仅被人们模糊理解的世界，他是最早记录一些当今已知的知名微生物的人之一。 通过对显微镜的研究, 他第一次看到了纤毛虫类（各种各样的淡水微生物），并从他自己的牙齿缝隙物中观察到了细菌。他写给英国皇家学会的信中还详细分析了跳蚤和象鼻虫的特征（一种长着长鼻子的小甲虫），并对这两种生物是否是自然生长的提出了质疑。

列文虎克绘制的一棵一岁龄的白蜡树显微切片。这张照片的版权已经进入公有领域，版权期限为作者的年龄加上 100 年或更少。图片来自 维基共享资源。

列文虎克向英国皇家学会和其他研究机构写了数百封信，介绍他的科学发现。他的研究和书信为他赢得了包括奥兰治威廉三世、英国的玛丽二世和彼得大帝在内的当时的世界领导人的拜访。到他去世时，列文虎克已经成为显微镜研究领域最著名的人物，他研制了 500 多个光学镜片和至少 25 台单镜显微镜。

今天，列文虎克被公认为是微生物学之父和显微镜领域的一位杰出人物。

扩展阅读

• 点击此处了解有关显微镜历史的更多信息:
  蔡司、阿贝以及显微镜和光学研究的故事
• 了解另一位在显微镜领域做出贡献的科学家的生平和学术贡献:
  • 罗伯特·胡克（Robert Hooke）,英国科学家，因他的著作Micrographia 和创造“细胞”一词而闻名于世。

钱德拉塞卡的教育之旅

钱德拉塞卡于 1910 年 10 月 19 日出生在英属印度旁遮普邦（今巴基斯坦）的拉合尔。他的父亲是铁路审计部门的高阶官员，母亲是一名知识分子，她鼓励儿子立志成为一名科学家。在1922 年进入马德拉斯金奈印度教高中学习之前，他在家中接受教育。1925 年至 1930 年，他就读于马德拉斯大学的院长学院，并获得物理学学士学位。后来，钱德拉塞卡获得印度政府奖学金，前往英国剑桥大学三一学院深造。

苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡。照片已经进入公共领域;照片由 NASA 创建。

在前往英国的途中，钱德拉塞卡首次撰文指出，超过一定质量的恒星存在另一种最终阶段。根据他的计算，接近演化末期的恒星如果无法褪去足够的质量，就会发生更大的引力塌缩，形成密度难以理解甚至无限大的残余物（现在分别称为中子星和黑洞）。这一假说扩展了其他科学家的研究成果，其中包括即将成为钱德拉塞卡博士生导师的英国物理学家和天文学家拉尔夫·福勒(Ralph Fowler)。正如我们后来所知道的，钱德拉塞卡极限为我们认识黑洞的存在打开了大门，并迅速引发了争议，尤其是来自一位著名科学家的争议。

恒星生命周期示意图。

钱德拉塞卡在三一学院进行博士后研究工作期间，结识了英国天文学家、物理学家和数学家亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）爵士。在钱德拉塞卡生命中的关键时刻，爱丁顿公开嘲笑钱德拉塞卡的极限观点。因为爱丁顿坚信，所有恒星都会辐射和收缩，并最终稳定成为白矮星。当1935 年钱德拉塞卡在英国皇家天文学会发表演讲后，他当场驳斥了钱德拉塞卡的极限理论，这也迫使钱德拉塞卡到英国以外的地方寻找工作。1936 年 12 月，钱德拉塞卡在位于威斯康星州威廉斯湾的芝加哥大学叶凯士天文台担任理论天体物理学教授。他在那里度过了他长达数十年的职业生涯，并在33 岁时成为正教授。

钱德拉塞卡的研究与学术遗产

在钱德拉塞卡的职业生涯中，他涉足过多个研究领域，包括：

• 恒星结构 (1929–1939)
• 恒星动力学 (1939–1943)
• 辐射传热 (1943–1950)
• 水动力和水磁稳定性 (1950–1961)
• 平衡图 (1961–1970)
• 黑洞数学理论 (1971–1983)
• 引力波碰撞理论(20世纪80年代末)

钱德拉塞卡因其对当代理解恒星结构、恒星动力学和白矮星的贡献而为大多数人所知，但他也在许多其他领域留下了印记，包括湍流、广义相对论、随机过程和辐射传热研究。在这些领域，以他的名字命名的函数、方法和方程数不胜数。
钱德拉塞卡在他的职业生涯中与学生们密切合作，并经常与他们合著文章，其中最著名的是李政道和杨振宁。他们因研究弱相互作用中的宇称不守恒定律而获得 1957 年诺贝尔物理学奖。钱德拉塞卡于 1983 年获得了自己的诺贝尔物理学奖： 诺贝尔奖委员会认可了他的“对恒星的结构和演化有重要影响的物理过程的理论研究”。他与威廉·福勒（William A. Fowler）分享了这一荣誉。诺贝尔奖是钱德拉塞卡最负盛名的专业荣誉，也是他成功研究生涯的顶峰。

在钱德拉塞卡诞辰周年之际，让我们仰望星空，祝他生日快乐！

扩展阅读

阅读下列文章，探索在类似领域产生影响的其他科学家的工作和生活:

• 皮埃尔-西蒙-拉普拉斯, 法国物理学家，因证明太阳系的稳定性而闻名于世
• 弗里德里希-威廉-贝塞尔, 德国数学家、物理学家和天文学家，他将天文学领域的精确度和准确性提升到了一个新的水平

库仑的工程基础

库仑于 1736 年 6 月 14 日出生于法国昂古莱姆。他曾就读于巴黎马萨林学院，后来在法国著名数学家夏尔·艾蒂安·路易·加缪的帮助下，开始攻读工程学。在加缪的指导下，库仑顺利进入梅济耶尔皇家工程学院学习，后来以工程兵团中尉的身份毕业。他担任军事工程师的第一项任务就是前往东加勒比海法属西印度群岛的马提尼克岛，在那里监督波旁堡（今德赛堡）的建设。在长达八年（1764—1772 年）的时间里，库仑一直致力于该防御工事的建设，这为他积累了实用的专业知识，在他后来的力学回忆录中发挥了重要作用。

查尔斯-奥古斯丁-德-库仑。图片通过 Wikimedia Commons 在美国公有领域共享。

库仑于 1773 年返回法国，并向巴黎的法国科学院（一个学术团体）提交了他的论文，介绍了他在马提尼克岛解决工程问题而进行的数学研究。接着，他被派往罗什福尔与同为军事工程师的马克-勒内·德·蒙塔朗贝尔合作，他们在艾克斯岛附近建造了一座木制堡垒。与此同时，库仑利用当地的造船厂作为实验室，继续他的研究工作，并在不久后发表了关于摩擦定律的研究报告。

摩擦学和扭秤研究

Theory of Simple Machines 是库仑 1781 年发表的关于摩擦的重要回忆录，也是他职业生涯的一个转折点。从那时起，库仑主要专注于理论研究，很少为工程项目出谋划策。在这篇回忆录中，库仑证实了阿蒙顿的摩擦定律，指出了它的局限性，并提出了后来的库仑摩擦定律，即动摩擦力与滑动速度无关。这项工作被证明是 18 世纪对摩擦力进行的最全面的研究之一，为他赢得了科学院的大奖，并促使他被提名为科学院的常任理事。

库仑把研究重点从摩擦力转移到制造不同的扭秤上，目标是观察弹性定律。他研究成果中的 Theoretical and Experimental Research on the Force of Torsion, and on the Elasticity of Metal Wires 被他为进行这些实验而创造的装置所掩藏。库仑在这本回忆录中宣布，他建造了一个能够研究带电体之间相互作用的电秤和磁秤。这为他撰写电学和磁学回忆录奠定了基础。

库仑在实验中使用的扭秤。图片通过 Wikimedia Commons 在美国公有领域共享。

电磁学发现和库仑定律

1784 — 1789 年，库仑写下了他最有影响的回忆录。在这些著作中，他尝试建立带电体的控制方程，尤其对解释电流体和磁流体如何作用以及电力如何耗散感兴趣。他的研究成果，尤其是 First Memoir on Electricity and Magnetism 中的研究结果表明，在他的扭秤中，两个带相似电荷的粒子之间存在着一种斥力，这种斥力与距离的平方反比。

库仑的回忆录集，1884 年再版。图片经 Wikimedia Commons 授权在美国公有领域共享。

这就是我们现在所说的库仑定律：两个点电荷之间的静电引力或斥力的大小与电荷的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比。计算两个静止的带电粒子之间的力的大小，使我们有可能以一种有意义的方式讨论电荷量。

他的 7 本关于电和磁的回忆录涵盖了广泛的主题。最重要的是，它们解释了磁极和电荷之间的吸引和排斥定律，尽管库仑本人并没有表述这两者之间的任何关系。

库仑的学术遗产

在法国大革命期间，法国科学院解散，库仑继续出版回忆录并参与院内委员会的工作。虽然库仑因这一变动而退休，但他最终还是回到了巴黎，并于 1795 年加入了新成立的法兰西学院。他甚至重返公共服务岗位，担任国家教育系统监督员，直到 1806 年去世。

最终，他对电学和磁学领域的影响使他跻身法国最伟大的物理学家之列，甚至为他赢得了埃菲尔铁塔上的铭牌。他的工作和实验为电磁学理论奠定了基础，除库仑定律外，还有十多个术语以他的名字命名，包括电荷的 SI 单位。从他为法国所做的工程项目到他所取得的众多科学成就，夏尔-奥古斯丁-德-库仑确实值得我们纪念。今天，让我们一起祝他诞辰快乐！

拓展阅读

• 了解对电学和磁学研究做出巨大贡献的其他工程师和科学家的生平和工作：
  • 为美国带来第一盏电路灯的工程师布拉许
  • 以研究放电而闻名的物理学家帕邢
  • 研究成果彻底改变电磁学的科学家麦克斯韦
• 了解关于涉及摩尔-库仑准则的用剪切强度降低法分析斜坡稳定性的方法

争议的背景

这一切都是因 “The Big Misconception About Electricity” 这个视频引起的。视频中给了一个类似于下图所示的电路图，有一个理想的电池通过一个理想的开关连接，形成一个理想的源。这个理想源由两根零电阻的电线连接，每根电线的长度为 30 万公里并沿相反的方向延伸，然后与一个放置在1米外的灯泡相连，形成环形回路。虽然视频中没有明确说明，但它假设整个电路位于某种空旷的宇宙中，没有被这个装置检测到的宇宙背景辐射。

有争议的电路图。

问题：关闭开关时，信号从源传播到灯泡需要多长时间？正确的答案是 3.33 (ns)( ， 是光速)。有许多视频提供了理解这个烧脑问题的不同方法。

也有人指出，我们应该定义一个阈值电流，并询问灯泡将在多大的电流下开启。这正是 COMSOL Multiphysics 擅长解决的实际问题，所以让我们直接开始建模吧！

建立数值模型并理解结果

我们的计算模型。导线半径为 0.1 米，计算域半径为 10 米。

由于我们需要求解的是导线周围空间的电磁场，构建一个30万公里长的计算模型可能不太切合实际，但我们可以通过上图显示的小模型学到很多知识。为了对源进行建模，我们使用了 COMSOL^® 软件中的集总端口 特征，从零时刻开始施加均匀电位。灯泡被建模为 集总元件，在导线之间的间隙上增加了一个电阻。使用 完美电导体 边界条件对两根 30 米长的导线建模。假设导线是完美的导体是合理的，因为这种超导线已经可以制造出来了。电线周围的空间体积被视为理想真空条件，其边界被视为开放的自由空间。只要建立了这个计算模型，就可以求解和可视化电线上的场和电流。

结果显示了半透明等值面的电磁能量密度和沿导线的电流。部分信号以光速向外传播，在间隙另一侧的导线上感应出电流。场也由电线引导，并且存在辐射损失。随着时间的推移，整个电路的行为由系统的电感和电阻支配。

上面的动画显示了随时间变化的电路内部和周围的电磁能量密度。我们可以观察到，初始信号以光速向外传播，当时变场到达灯泡旁边的导线时，就会开始在灯泡中感应出电流。时变场主要由导线引导，但也有一些辐射，特别是在弯曲处发生反射。在最初的几百纳秒之后，场开始变得更加均匀。我们还可以绘制通过灯泡的电流随时间变化的曲线，并讨论它的形状传达给我们的有关系统的信息。

灯泡电流的时间比信号在间隙中传播的时间要长；它类似于 RL 电路的响应。

曲线的整体形状

如果查看曲线的整体形状，会发现似乎灯泡电流正在向稳态电流上升。这是因为这里实际上是一个 RL 电路，我们可以用以下等式描述曲线的整体形状（3.33 ns 之后）：，其中 RL 时间常数为 ，电感 可以通过一个稳态模型计算。总电感与导线的长度成正比，因此较长的环路将具有较慢的上升时间。

如果我们将灯泡打开时的阈值电流定义为 ，那么（从严格的数学角度来看）电流只会无限接近 ，理论上灯泡永远不会点亮。实际上，灯泡 最终 会被点亮，因为它实际测量的是离散数量的移动电荷的速度和加速度。但是，非常接近直流电流的阈值电流将意味着灯泡要到远大于 RL 时间常数的时间才会被点亮。

曲线中明显的平台

如果我们仔细地观察开始时间附近的曲线，会看到信号有几个明显的平台，产生一种阶梯形状。每个平台的特征时间为 100 ns，因为所施加的阶跃信号沿整条导线传播，并且恰好在每条导线的中点弯曲处发生一些反射。这些平台的高度与间隙的电容和电感耦合有关。

事实上，我们可以用传输线的电路模型来表征这种阶梯行为。请注意，这些平台会随着时间的推移而变得平滑，我们将很快找到这种平滑的来源。现在，我们来看第二种可能性：根据我们指定的阈值电流，灯泡可能会在 100ns 的整数倍时间点亮。

在初始时间附近，电流随时间也表现出明显的平台期，其周期等于信号沿整条导线传播的时间。此外，由于理想化开关的阶跃变化以及系统的谐振行为，还会产生振荡。由于系统中的损耗，这些会随着时间的推移而衰减。

快速的纹波及其衰减

如果我们更仔细地观察，会发现每一步的开始电流中都有明显的纹波，最初会出现较高的峰值，然后逐渐消失。这意味着如果我们选择合适的阈值电流，灯泡会先闪烁然后再亮，给出我们第三种可能！

这些纹波是由于系统的空间分布电容和电感造成的，这将导致无限数量的谐振，而不仅是一个。我们观测到的是系统被源激发的高阶谐振模式。但是，请注意，这些纹波似乎正在衰减，这种衰减和平滑是由于损耗造成的。损耗的来源之一是已知灯泡的电阻，它将存储在电池中的能量转换为热量和光。第二个损耗来源是由于电路的其他部分的能量辐射。正确预测这种损失需要我们在上文中构建的这种三维模型。

高频短波长的信号将比低频信号更快地辐射出去。另一种说法是较高的谐振具有较低的质量系数，或者导线是一种有损低通滤波器。

我们还应该问，如何将激发这些共振的高频信号信息引入模型。回想一下，当我们关闭开关时，会在施加的电势中引入一个阶跃变化。我们必须问自己这个步骤变化包含哪些频率信号？这个问题可以通过傅里叶变换来回答。事实上，我们的输入信号中有无限的频率，其中非常高频的信号的幅值很小，辐射相当快。另外值得注意的是，这个频率谱告诉我们有关电路及其设计的一些信息。如果我们改变导线中间弯曲的形状，会得到不同的反射信号。

查看开始时间附近的结果，由于我们开关是理想化的，数值方法在模型中人为添加了一些小的色散，这可以看作是真实世界中可能出现的渐变输入信号。

开始时间附近的解

这条曲线的最后一段值得特别注意。在仿真开始时，我们看到信号最初为零，但是在 3.33 ns 之前变为非零。这是一个很小的数值伪影，因为我们正在模拟一种非物理情况：一个瞬间打开的开关。这样的转换在物理上是不可能的：即使是已知最快的物理过程也有阿秒级的上升时间。如果我们关心这部分结果，应该使用具有实际上升时间的瞬态信号替换我们的阶跃变化。我们还必须用精细的时间步长和空间离散化（这可能需要很长时间）来求解我们的数值模型，以使曲线更平滑。

考虑最后一点的另一种方式是，底层的数值方法正在重新添加我们忘记包含的色散。从数值分析专家的专业观点而言，我们可以肯定地说，在现实中，信息的传播速度不会超过光速。

争议的最终结果是什么？

简而言之，最终的结果没有争议。从原始视频中得出的正确结论是，对于所考虑的电路，信号从源传播到灯泡需要 3.33 ns。

更完整的说法是，响应曲线表现出：

1. 延迟，这是电磁场通过光源和灯泡之间的空间传播所需时间的结果，在这之后会感应出一些电流。
2. RL 电路响应，因为这本质上是一个与电阻器串联的非常大的电感线圈。
3. 由于信号在导线中点处急剧弯曲反射而出现的阶梯状平台，其高度由附近平行导线之间的电感和电容耦合决定。
4. 由于输入信号的阶跃变化而产生快速波纹，激发了结构的共振。
5. 由于灯泡的电阻和辐射，高频部分信号衰减。

在 COMSOL Multiphysics 中构建这样一个模型来验证这种行为既方便、又快速。以下是我们可以查看的其他一些可能的变化：

• 改变电线的半径。这将改变电容耦合的大小，从而改变平台的高度以及纹波的周期。
• 考虑导线的有限导电性。这会降低稳态条件下的电流，但只会在 3.33 ns 之后立即对信号产生非常小的影响。因此，根据阈值，灯泡可能会在 3.33 ns 时被点亮，然后在一段时间后熄灭。
• 改变电线的方向，使两条电线保持靠近，不再朝相反的方向走。在这种情况下，虽然仍然会有一些串扰，但电线的作用更像是传输线。

你还能如何改变这个电路以获得不同的行为？请在下方留下您的想法和评论！

给 COMSOL Multiphysics® 用户的附录

如果您想下载用于生成上述图形的模型并尝试其他情况，可通过以下链接获得教程模型，这是使用 RF 模块构建的。此外，我们还有许多其他资源可用于此类建模：

• 要了解有关直流情况下电压和接地的一些基本概念，请参阅博客文章“电压和接地是否存在?”
• 要了解有关该系统的传输线解释的更多信息，请阅读“对波状电磁场建模时的电压和接地”
• 要了解集总端口和集总元件激发的相关内容，请参阅学习中心资源“模拟 TEM 和准 TEM 传输线”
• 要理解为什么这个例子中的信号在 t = 3.33 ns 之前看起来是非零的，了解有限元方法会对您很有帮助，它描述了在空间和时间上的离散问题
• 要了解如何更真实地对开关进行建模，请参阅 COMSOL 知识库中的相关内容
• 要查看在更真实的设备上应用的类似建模技术，请查看我们的利用时域反射法测量示例模型
• 要了解有限电导率导致的集肤效应如何发挥作用，以及您需要如何调整计算模型以解决此问题，请参阅博客文章“波电磁学问题中的材料建模”
• 要预测平行线传输线的行为，请参阅 COMSOL 案例库中的相关模型教程
• 如果您对无限无噪音宇宙的假设不适应，您可以改为模拟一个放置在全寂室内的系统。从 COMSOL案例库中的条目中了解有关此模型的更多信息
• 如果您想知道在传输线中使用非均匀半径导线会产生什么影响，请阅读博客文章“计算波纹波导的阻抗”
• 如果您想知道为什么我们的模型在导线周围包含如此大的空间区域，请参阅“使用完美匹配层和散射边界条件解决电磁波问题”
• 如果您注意到此模型中的所有场都是中心对称的，并且认为这可以简化模型，那么您是正确的。要了解更多信息，请阅读“利用对称性简化磁场建模”
• 最后，如果您对我最喜欢的电磁学脑筋急转弯问题感兴趣，博客文章“计算直导线的电感”就是其中的一个示例。

自己动手试试

一个中等大小的南瓜

在这篇博客中，我们将讨论如何利用身边的材料提取南瓜的 DNA。此外，还将介绍DNA 提取领域的最新突破——一项与三头猛犸象的臼齿有关的研究。

生命的蓝图

所有生物体的细胞核内都有脱氧核糖核酸（DNA）。生物体的功能和生存方式都与它们的 DNA有关。科学家提取和研究这种复杂分子的原因多种多样，例如开发新药物、对农作物进行基因改良，以及识别犯罪嫌疑人。

真核细胞中 DNA 的图解。图片由 Sponk、Tryphon、Magnus Manske、User:Dietzel65、LadyofHats (Mariana Ruiz) 和 Radio89 提供。图片获 CC BY-SA 3.0 许可，通过Wikimedia Commons发布。

DNA 的首次分离源自一次无意的发现。19 世纪 60 年代，瑞士医生 Friedrich Miescher 将酸加入白细胞和盐溶液后，发现一种未知物质被分离了出来。Miescher 并不知道，这种被他称为“核蛋白质”的物质实际上就是生命的蓝图：DNA。

如今，科学家可以使用市场上各种不同的 DNA 提取试剂盒从细胞中分离 DNA。利用容易获得的材料，您也可以在自己家中提取 DNA……

从南瓜中提取 DNA

在家里做 DNA 提取实验时，很多人都会选择使用草莓，因为草莓每个细胞中都含有大量的 DNA, 因此提取效果最好。不过，为了庆祝秋季的到来，我们决定用南瓜来进行这个实验。

请观看下面的实验演示视频，进一步了解DNA 提取的原理。

如视频中所示，DNA 提取实验需要以下材料：

• 一个南瓜
• 洗洁精
• 碘盐
• 91% 的异丙醇（浓度越高，实验效果越好）
• 粗纱布
• 搅拌机
• 水
• 测量用具
• 筷子

步骤 1：混合

第一步，将南瓜块与 240 ml 水、60 ml 洗洁精和 14 g 盐放一起搅拌。当水、盐和洗洁精混合在一起时，会形成一种会破坏南瓜细胞的裂解溶液，并将其 DNA 分子释放到溶液中。

步骤 2：过滤

接着，在玻璃杯上铺上一层纱布，并用橡皮筋固定住。然后，把泡沫状的南瓜混合物倒在纱布上，过滤出一种很像橙汁的液体。这一步有助于确保溶液中没有多余的南瓜块。

步骤 3：分层

最后一步，在过滤溶液中加入等量的异丙醇。这样，玻璃杯中就形成了三层：

1. 南瓜（底层）
2. DNA（中间层）
3. 异丙醇（表层）

由于 DNA 不溶于酒精，所以会在溶液底部沉淀。同时，由于南瓜 DNA 分子的密度小于其周围溶液的密度，会在玻璃杯中缓慢上升。异丙醇温度越低，DNA析出的速度就越快。因此，我们建议在实验开始前将其放在冰箱或冰柜中。注：我们在异丙醇中加入了蓝色食用色素，来帮助清楚地看到分离过程。

虽然大多数 DNA 分析都需要专门的实验室设备，但您仍然可以用筷子等尖头物体提取南瓜 DNA，并将其保存在一杯异丙醇中进行观察。

提取世界上最古老的 DNA

2021 年 2 月，一个国际研究团队宣布，它们已经成功提取了有记录以来地球上最古老的 DNA ，并对其进行了测序。这些 DNA 是从20 世纪 70 年代在西伯利亚东北部的永久冻土层中发现的三只猛犸象的牙齿中分离出来的。其中，最古老的遗骸（约 120 万年前）、第二古老的遗骸（约 120 万年前）和最年轻的遗骸（约 70 万年前）分别在西伯利亚的 Krestovka、Adycha 和 Chukochya 河流附近被发现。这是人类首次从距今 100 多万年的遗骸中提取 DNA。

研究人员在 Nature 杂志上发表的一篇论文中分享了他们的发现。在他们的发现之前，已知最古老的 DNA 是在一块70 万年前的马骨中发现的。

草原猛犸象插图。图片作者：Dmitry Bogdanov。图片获 GNU Free Documentation License许可，通过 Wikimedia Commons 共享。

研究人员在研究 DNA 时面临许多挑战，因为 DNA 在细胞死亡后会开始降解。此外，它还可能受到细菌和人类活动的污染。研究团队将该古老DNA与大象DNA和人类 DNA 进行比较，去除了所有可能与人类相关的数据。他们从最古老的猛犸象遗骸样本中获取了 DNA 核的4,900 万个碱基对，从第二古老的样本中获得了 8.84 亿个碱基对，从最年轻的样本中获得了 37 亿个碱基对。

在对 DNA 进行研究后，研究团队对猛犸象的进化有了一些突破性的发现。他们了解到，研究中最古老的样本来自一个未知的猛犸象谱系，并将其命名为Krestovka 谱系（该名称是根据发现遗骸的地点命名的）。他们相信，这一谱系与最后一个冰河时代的著名猛犸象物种——哥伦布猛犸象的诞生有关。

该团队的研究还让人们对猛犸象如何以及何时适应寒冷的栖息地有了新的认识。根据他们的研究，与寒冷气候生活相关的如毛发生长、体温调节、脂肪沉积、耐寒性和昼夜节律等基因变异，早在标志性的披毛猛犸象出现之前就已经存在了。这些结果表明，猛犸象谱系中的大多数适应性变化都是渐进的过程。

除了展示对猛犸象进化的新认识外，这项工作还强调了提取和研究数百万年前 DNA 的可行性，而这曾经被认为是不可能完成的任务。这不禁让我们思考：我们能追溯到多远的过去？

相关资源

在这篇博客中，我们讨论了如何通过一个简单的实验从蔬菜中提取 DNA，以及科学家们如何正在 DNA 提取领域取得巨大进步。

想进一步了解 DNA？请查看这些资源：

• 阅读 COMSOL 博客，了解有关 DNA 研究的更多信息:
  • 开发按需 DNA 合成使用的硅 MEMS 芯片
  • 诞辰快乐，罗莎琳德·富兰克林
    
  • 诞辰快乐，弗雷德里克·桑格

• 观看其他人进行的南瓜 DNA 提取实验:
  • Sci Files
  • Los Alamos STEAM Lab

早期研究和政治动荡

1797 年 8 月 23 日，圣维南出生在法国比耶尔(Villiers-en-Bière)，当时的法国和欧洲正处于历史动荡的时代。圣维南是一名天才学生，1813 年进入著名的巴黎综合理工学院学习。然而，很快他的学业就中断了。

1814年，巴黎被一个企图击败拿破仑（Napoleon Bonaparte）的国家联盟包围。法国政府希望巴黎的学生帮助保卫这座城市，但年轻的圣维南拒绝为他认为非法的法国领导人而战，甚至说：“我的良心禁止我为篡位者而战” 。

一幅关于 1814 年巴黎战役的19世纪画作。图片由 Military Historical Museum of Artillery, Engineers and Signal Corps 提供，通过Wikimedia Commons在公共领域共享。

虽然圣维南没有在战场上战斗，但在随后的几年里，他以化学家的身份在生产火药的部门 Service des Poudres et Salpêtres 支持法国军队。1823 年，他得以继续学习土木工程。随后，他继续在 Service des Ponts et Chaussées 工作直到 1848 年，负责建设桥梁和其他基础设施。

圣维南对结构力学的贡献

在圣维南的一生中，他研究过固体力学、弹性力学、流体静力学和流体动力学，所有这些都与他的工程任务相关。后来他接替了科里奥利(Gaspard-Gustave Coriolis)的工作，在 École de Ponts et Chaussées 担任数学教授，在这期间他一直进行着他的研究。

圣维南肖像。图像来自Wikimedia Commons共享领域。

圣维南令人印象深刻的研究成果包括：

• 水利工程中使用的浅水方程（也称为圣维南方程）
• 圣维南定理，涉及梁的扭转刚度
• 圣维南相容条件，涉及一部分弹性理论中的张量场
• 纳维-斯托克斯方程的推导
• 圣维南原理

为结构分析奠定基础

圣维南在 1855 年首次阐明了圣维南原理：

“如果作用在弹性体一小块表面上的力被另一个静态等效的力系所替代，那么这种载荷的重新分布会在局部产生显著的应力变化，但是在与力变化表面的线性尺寸相比较大的距离处，对应力的影响可以忽略不计。”

Saint-Venant, Mém. savants étrangers,第 14 卷，1855。

许多著名的研究人员，包括约瑟夫·瓦伦丁·布辛涅斯克(Joseph Valentin Boussinesq)、理查德·冯·米塞斯(Richard von Mises)和(理查德·图平 Richard Toupin)，后来都对圣维南的观察进行了阐述和扩展。如今，尽管圣维南原理通常不能得到很好的解释，它也已被结构工程师所熟知，并在大多数结构力学教科书中也都能找到。如果你对圣维南原理感兴趣并且想知道如何解释和应用它，我推荐你阅读我的同事 Henrik Sönnerlind 撰写的博客文章(应用和解释圣维南原理)。

圣维南的知识遗产

在圣维南所处的时代，他是一位专注于实际问题的工程师，也是一位帮助加强结构力学数学基础的理论家。他的一生始终将开创性的理论探究与实际工程工作相结合。

为了感谢他的发现及其仍未被解释的内在含义，我们祝 Adhémar Jean Claude Barré de Saint-Venant 诞辰快乐！

延伸阅读

• 阅读以下资源，了解有关圣维南的更多信息：
  • Encyclopedia
  • Structurae
• 阅读 COMSOL 博客，了解更多其他从事土木工程工作的科学家的故事：
  • Claude-Louis Navier
  • Elsie Eaves
  • Robert Maillart