经典网文分享

【地球演义】绿之巨人传5：残躯

在前面几回（林网，藤葛，羽叶，孢穗）里，井蛙简单介绍了几类石炭纪的代表植物。基本上，在所有关于石炭纪的生态复原图，和科教纪录片中，它们都是必不可少的角色（或背景）。就像下面这些：

鳞木（石松类）的碎片化石：孢子叶球截面（2），小枝截面（3），茎截面（4），主干截面（5），根座截面（6），和整体复原图（1）。图片来源自[1]。

芦木（节蕨类）碎片化石：顶端小枝截面（2），孢子叶球截面（3），主干截面（4），和整体复原图（1）。图片来源自[1]。

辉木（真蕨类）碎片化石：顶端小枝截面（2），中段树干截面（3），根截面（4），孢子叶的平皮切面（5），群生的孢子囊（6），和整体复原图（1）。图片来源自[1]。

髓木（种子蕨类）的整体复原图（1），以及各种种子蕨的碎片化石：Pachytesta的种子（2），Doloretheca的花粉器（3），座延羊齿的小羽片（4），髓木的茎。图片来源自[1]。

科达木（松柏类）碎片化石：茎髓部分剖面（2），叶片截面（3），花粉器截面（4），种子截面（5），主干截面（6），和整体复原图（1）。图片来源自[1]。

现在这张图上的木本植物应该都可以对得上号了吧。对了，顶着四把扫帚头的那种是封印木（石松类）。图片来源自网络。

没有一棵大树能像睡美人一样完好无损地躺在地层里。所有的化石在刚刚发现的时候，都是一些或大或小的根茎叶和繁殖器官的碎片和印痕，变形和错位非常严重。需要经过细心的拼接复位，才能尽量还原它们生前的样子。绝大多数石炭纪的植物化石都是在岩层中被压扁后的印痕。比如各种印在石头上的石松类，还有羊齿，轮叶，楔叶等等。

植物根茎化石的两种保存形式：（a）保持立体形状，化学成分被沉积物填充取代；（b）被压扁，留下平面印痕。图片来源自[2]。

两种石炭纪鳞皮木（石松类）Sublepidophloios hagenbachensis（左）和Sublepidophloios
lepidodendroides（右）的树干印痕。圆柱形的树皮已经被压平，留下清晰的叶座痕迹，为分类和鉴定提供了依据。图片来源自[3]。

也有少量比较坚硬的的树干和根系没有被压扁，植物体的有机质逐渐分解，矿物质（主要是二氧化硅和碳酸钙）随着地下水渗透，逐渐填充了树木原本占据的空穴，这些无机矿物慢慢凝结，形成硅化或钙化的铸模化石。植物原本的立体形状也得以保留下来。

左上：科达木树干的铸模化石；左下：封印木树干的铸模化石。图片来源自[4]，锤柄长30厘米。

硅化的石炭纪松柏类树干（上图，标尺长度A：10厘米；B：6.5厘米）和其中的维管束（下图）。地下水中的二氧化硅在细胞壁分隔出的微小空间内沉积，逐步取代木质成分，经过石化固结，精确地复刻了细胞层级上的细微结构。图片来源自[5]。

硅化的石松类根座（上图）和被压扁的细根（中图）化石。把它们结合在一起，复原了石炭纪木本石松的根系结构（下图）。这些根系和树顶的枝条一样，都是二歧分枝的，就是顶端不断分成两根同样大小的枝杈，组成大大小小的Y形。图片来源自[6]。

两种石炭纪植物的根尖化石。A，B：种子蕨类Lyginopteris oldhamia，标尺长度200微米；C是新发现的Radix carbonica，标尺长度500微米。它的细胞排列和生长方式不同于已知的植物类群。图片来源自[7]。

和泥盆纪时期相比，石炭纪的燃料和助燃气体都更加充足，野火（参见第一百四十五回
野火）发生的得也更加频繁。超过30%的氧气含量会让燃烧剧烈而充分，彻底裂解绝大多数植物组织，化为二氧化碳和无机盐类。只有有少量地下部分可能处于高温缺氧的状态，脱水碳化后，保存了植物的结构信息。

石炭纪松柏类（a-c）和封印木（d-f）的木炭（Charcoal）。碳单质在地层中非常稳定，经过亿万年后依然能看到原来的维管空腔。图片来源自[4]，标尺长度200微米。

在石炭纪的空气，水体和土壤中，散布着无数微小的孢子和花粉。这些微小的生殖细胞表面覆盖着厚实坚固的外壁，被沉积物掩埋后，可以形成微体化石（Microfossils）。孢粉化石数量庞大，分布广泛，而且细节保存完好（那么小，不容易碎），它们的形态，种类，分布和变化情况，反映了古代植物的演化和消长，记录了环境，气候和水文的变迁。

一些晚泥盆世到早石炭世的孢子化石。图片来源自[8]。古生代花粉的形态参见第一百八十八回孢穗。这些潜藏在岩石中的微小化石是孢粉学（Palynology）的研究对象。

一种全新的化石类型也在石炭纪出现。为了昆虫（参见第一百八十七回六足传奇7：蝗食蜩饮）和真菌（参见第一百八十九回菌丝）的侵害，一些植物（主要是松柏类）开始分泌粘稠的油性液体，里面含有特殊的化学物质，杀菌驱虫，保护伤口。这些古代树脂随着倒伏的树木一起埋入地底，经过漫长的岁月，化为晶莹的有机宝石。

左上小图是新发现的石炭纪琥珀，也是目前发现的最早的树脂化石。在未来，汩汩渗出的树脂成为无数小生命的时间胶囊，把史前地球最鲜活最生动的瞬间传送到亿万年后。大图是中新世琥珀，里面完整地保存着植物叶片和昆虫。图片来源自[9]。

由于木质素分解者的缺位，早期陆生植物残体中的碳元素不能很快回归大气，一代代枯朽的草木堆积在一起，被泥沙覆盖，埋入地底，最终形成煤炭。这些远古的绿色巨人的残躯，在沉睡了亿万年后，被投入熊熊烈火，再一次汇入生物圈的碳循环中。

植物变成煤需要经过泥炭化（Peatification）和煤化（Coalification）两个阶段。前者发生在地表的泥炭沼泽，湖泊或者浅海，在微生物和腐殖酸的作用下，植物残骸变成泥炭（Peat）。后者发生在泥炭被埋入地层之后，在地热和高压作用下，泥炭层被压实，脱除水分和挥发性气体，伴随着复杂的物理化学变化，先后经历褐煤（Lignite），烟煤（Bituminous），无烟煤（Anthracite）等形态，成为致密的高碳有机岩。图片来源见水印。

泥炭的外观：像掺杂了植物秸秆的烂泥。图片来源自网络。

从左到右：褐煤，半烟煤，烟煤和无烟煤的外观。随着氢氧氮等元素逐渐脱除，碳含量提高，煤炭变得更加黝黑致密，产生类似金属的光泽，燃烧性能也随之提升。图片来源自网络。

下二叠系的黑色煤层，被沉积物和火山灰形成的岩石层分隔。图片来源自[10]。

一棵木本石松的树干直立在煤层上，非常形象地展示了成煤过程中的体积压缩和化学变质：这样薄薄的一层煤炭中凝聚浓缩了不知多少像这样的大树和其他植物的躯体。图片来源自[11]。

煤炭本身虽然来自古代植物的残体，但因为先经泥炭化变成了腐泥，很少能保存植物的结构信息。倒是煤层上下的沉积层，和夹杂在煤层中的煤矸石（Coal ball）里，经常可以找到各种化石。本回开头5张图里鳞木，芦木，辉木，髓木和科达木的化石碎片都是保存在煤矸石里的。

带有蕨类植物叶片印痕的石炭纪煤块，这样的化石很少。图片来源自网络。

含有植物组织化石的煤矸石标本，经过切割打磨后就可以得到古代植物的组织切面。图片来源自[1]。

地球名片

生物分类：植物界－维管植物－种子植物－松柏类

存在时间：石炭纪晚期至现代

现存种类：约630种

化石种类：不明

生活环境：陆地

代表特征：针叶，球花，球果

代表种类：各种松，柏，杉

参考文献：

[1] Stefanie M. Ickert-Bond, Jordan S. Metzgar, Hirotsugu Mori, et al., BACK: Biodiversity Assessment using Coal "Kugeln" (Coal Balls)

[2] DR JOACHIM SCHEVEN, The Carboniferous Floating Forest-An Extinct pre-Flood Ecosystem. CEN Tech. J., vol. 10, no. 1, 1996

[3] Barry A. Thomas, Yanaki Tenchov, Alan Howellz, A NEW LOOK AT THE CARBONIFEROUS LEPIDODENDROID STEM GENUS SUBLEPIDOPHLOIOS STERZEL. Int. J. Plant Sci., 174(3): 317–327, 2013

[4] H. J. FALCON-LANG, Fire ecology of a Late Carboniferous floodplain, Joggins, Nova Scotia. Journal of the Geological Society, London, Vol. 156, 1999, pp. 137–148

[5] Howard J. Falcon-Langa, W. John Nelsonb, Philip H. Heckelc, et al., New insights on
the stepwise collapse of the Carboniferous Coal Forests: Evidence from
cyclothems and coniferopsid tree-stumps near the Desmoinesian-Missourian
boundary in Peoria County, Illinois, USA. Palaeogeography, Palaeoclimatology,
Palaeoecology, 490 (2018), 375–392

[6] Alexander J. Hetheringtona, Christopher M. Berryb, Liam Dolana, Networks of highly branched stigmarian rootlets developed on the first giant trees. Proceedings of
the National Academy of Sciences, May 2016, DOI: 10.1073/pnas.1514427113

[7] Hetherington et al., Unique Cellular Organization in the Oldest Root Meristem. Current Biology (2016), http://dx.doi.org/10.1016/j.cub.2016.04.072

[8] Rubinstein, C.V., et al., Palynostratigraphy of the Zorritas Formation, Antofagasta Region, Chile: Insights on the Devonian/Carboniferous boundary in western Gondwana,
Geoscience Frontiers (2016), http://dx.doi.org/10.1016/j.gsf.2016.04.005

[9] David Grimaldi, Pushing Back Amber Production. PALEONTOLOGY SCIENCE, VOL 326, 2 OCTOBER 2009

[10] Jun Wang, Hermann W. Pfefferkorn, Zhuo Feng, Noeggerathiales as coal-forming
plants in Cathaysia: conclusions from an Early Permian vegetational Pompeii in
Inner Mongolia. Chin. Sci. Bull. (2014), 59(23): 2785–2792, DOI 10.1007/s11434-014-0270-1

[11] ANDREW C. SCOTT, ROSEMARY S. STEPHENS, British Pennsylvanian (Carboniferous) coal-bearing sequences: where is the time? Strata and Time: Probing the Gaps in Our Understanding. Geological Society, London, Special Publications, 404,
283–302, 2015

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来源：知乎 www.zhihu.com
作者：攀缘的井蛙

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量子世界的决定论、概率、以及拉普拉斯之妖

"I went to Godel, and I asked him, 'Prof. Godel, what connection do you see between your incompleteness theorem and Heisenberg's uncertainty principle?' And Godel got angry and threw me out of his office!"

"我找到哥德尔，问他：'哥德尔教授，您觉得您的不完备定理和海森堡不确定原理之间有什么内在联系吗？'哥德尔听后非常生气，把我轰出了他的办公室！"

– 约翰.惠勒[1]

在继续讨论多世界理论中的概率问题之前，我们先来看看，一直占据着"正统"地位的哥本哈根学派对概率是一种什么看法。

哥本哈根诠释当中，占据着核心理念的，是"观察"、"坍缩"、以及"不确定"。我们前面已经多次提及，所以这里不想再重复哥本哈根学派的全部基本理念，只是要强调一点，玻恩规则 – 事件发生的概率是它概率幅长度的平方 – 是哥本哈根学派的一个基本假设，它是整个理论框架的基石之一，它不需要推导，也不需要解释，因为它很任性地天然真。

根据我们前面所提到的概率的各种诠释，这里，哥本哈根的概率似乎非常适合概率的物理倾向性诠释，即所谓的"真•概率"。因为在它看来，世界本身就不是决定论的，而是內禀随机的。不但我们不可能准确预言下一刻将发生什么，而且下一刻发生什么本身就是不确定的：我们只能预测它"可能"发生什么，而且整个自然界也只能知道它"可能"发生什么。而玻恩规则给了这种"可能性"一个定量的度量。

我们前面曾经提到过，概率的倾向性诠释有着自身的问题，就是这种"倾向性"没有办法严格定义。玻恩规则的出现，另很多人感到很兴奋，因为终于，我们的真•概率有了一个严格的定义！真概率是什么？就是玻恩规则从数学上所锁定的那个数值。因此，哥本哈根诠释似乎是可以把"概率"这件事说圆了。有了哥本哈根诠释，真概率这个概念就有了坚强的背书。

但是如果我们仔细推敲，却发现它不那么圆满。

首先， "倾向性概率"本身的问题是个概念问题，它没有办法通过玻恩规则来解决。没错，玻恩规则给了这种概率一个定量化的度量，但是它并不能给出这个概率的概念化定义。从操作层面上，人们仍然必须通过大量实验的相对频率来对玻恩规则进行实证，所以，从实证的角度，玻恩规则所断言的，是大量的量子事件的相对频率，至于它是不是一个量子事件的"倾向性"，或者说，是不是真•概率，我们无从确认。因为说到底，对于一个单一的随机事件，"倾向性"是不可能被直接观察到的，因为人们要么观察到它发生，要么观察到它不发生，无论如何都只能是确定的结果，而"可能性"，必须通过大量事件才能体现。从这点而言，玻恩概率操作上和频率论的概率没有可辨的区别。与其说玻恩规则给了倾向性概率一种背书，还不如反过来：正是因为我们有了"真•概率"这种概念，玻恩规则的数学结果才有了背书。

其次，我们必须要知道，严格讲玻恩概率讲的其实并不是粒子本身的性质：粒子本身的运动"倾向性"或"随机性"，而是在讲观察行为所产生的结果的一种性质。因为哥本哈根诠释一再强调，在没有进行观察的时候，粒子的"真实的"状态毫无意义，因而脱离开观察而谈论概率就毫无意义[2]。而观察这个事件，哥本哈根诠释一直以来是拒绝正面谈及的。一方面，它把物理事件分成"量子的"和"经典的"两类不相容的类型，另一方面，它又拒绝给出两类事件的划分界限。那么我们就回到了"观察"这个神秘事件本身了。玻恩规则所涉及的"真•概率"，到底是粒子的性质？观察的性质？还是两者混合的性质？就无法说清楚。但是如果我们对这个不能清晰地完成分析，我们就无法断言粒子的"真•概率"。

对此，一种把哥本哈根诠释向着极致化[3]引申的理论出现了。它直接断言，量子概率就是主观概率，薛定谔方程所描述的，不是物理现实，而是我们对物理现实的认识信念。这个，叫做"量子贝叶斯主义（QBism）"。它认为波函数是纯粹的认识论（epistemological）概念，而不是本体论（ontological）概念。也就是说，它无关任何现实，而是代表"我"的知识和认知状态，以及我对事件的信心（beliefs），这是一种纯粹主观的、个人化的概念。所谓的客观概率是不存在的，玻恩规则不过是把主观概率应用到了量子力学中去了而已，波函数坍缩只不过就是贝叶斯概率中的信息更新而已。那么现实是什么？QBism对此毫不关心。甚至说，由于主观概率涵盖了量子力学的一切，这个世界上基本上就没有所谓的"客观存在"。

这类理论，我们可以想象，是一种极具个性的、评价两极分化的理论。这就基本上注定了它的小众化，不可能获得主流物理学界的认同。因为物理学家们或多或少地以理解"外面的世界"（out there）为己任。这种把外部世界完全抹杀而只承认"内部"的主观世界的说法，的确令不少人强烈不喜。例如，Wallace很不客气地直斥其为"极端的工具主义"。并且，量子力学的预言可以很好地符合各类（近乎无穷多次的）客观的实验结果，这中间所表现出来的客观性很难让人认同它们不过都是"个人信念"。如果这中客观性真的只是一种幻觉，那么量子力学对人们的信心的描述达到了一种令人发指的精确程度 – 这怎么可能？如果说多世界理论如何与概率相容是一个问题，那么量子贝叶斯如何与客观经验相容也是同样的问题。

现在我们来看看多世界理论中概率是什么。

前面我们已经知道，多世界理论宣称：

整个宇宙就是一个无比复杂、无比巨大的波函数（所谓的universal wavefunction）。这个终极的波函数生活在一个近乎无穷维度的希尔伯特空间中，是这个空间中的一个态矢量。
这个态矢量随着时间的演化过程满足线性、幺正的薛定谔方程。

So far，这些论断和"正统的"量子力学是一致的。但是，它和后者接下来就分道扬镳了。多世界理论说，波函数本身就代表了全部的物理实在，that's it！这就是物理学中全部的秘密，再也没有其它了。"正统"诠释中占据极其特殊地位的观察行为以及其引出的量子-经典分界线（所谓的Heisenberg Cut），全部都是画蛇添足的玩意儿。薛定谔方程是波函数的唯一法则，把"观察"推向神坛的所谓的波函数坍缩（第一类演化）毫无必要，且难以实证，除了增加理论复杂性、含糊性以外，毫无作用。

那么，我们简单总结一下前面几个章节谈到的多世界理论的框架：

多世界理论的两大特点，一个是希尔伯特空间，一个是线性（幺正）演化，它们的本性就自然而然地产生了量子系统的两个核心性质：一个是叠加态，另一个是量子纠缠。这两者在多世界理论中至关重要。

如前所述，由于多世界理论抛弃了坍缩的概念，纯粹的幺正演化的一个必然结果就是态叠加永远不会消失，整个宇宙永远处在叠加态之中。而量子纠缠则使得观察者、系统、以及环境事实上只能用一个统一的波函数描述，你中有我，我中有你，完全无法分割。这就产生了两个重要后果：退相干和相对态。退相干从无穷多种可能的叠加形式中选择了一组稳定的叠加态（"偏好基"）能够被我们观察，这就是我们日常所见的经典态；而相对态则意味着这些叠加态的每一个叠加分量会与作为观察者的我们的某一个叠加分量形成关联，所以系统的状态和观察者的状态是成对出现的，只有相对于彼此它们才有意义。而这些分支由于都是宇宙波函数的一个分量，它们同等真实而且相互之间绝无交集：看起来好像是这个世界被分裂成很多个互不相干的分支一样。用方便的说法，就是宇宙"分支（branching）"了，而事实上，波函数永远都是那一个，从来不会"分裂"。

这，就是我们可以用最简语言来描述的多世界理论，以我的水平，真的再难减缩一个字了[4]。

至此，Zurek所提出的量子-经典过渡的三大问题：干涉消失、偏好基、以及输出值问题，前两个都已经有了很合理的解释了。而最后一个，输出值问题，大家对此仍然处于纠结状态。这个问题的核心就是，多世界理论作为一个决定论的理论，它是如何产生"概率"的？具体讲：

1. "概率"到底是什么？我们如何在一个完全决定论的世界里产生"概率"的概念？概率必然要求"无知性"或"随机性"，既然多世界理论中没有真正的随机性，而且我们也可以完全掌握其量子态的系统。那么概率从何而来？

2. 玻恩规则又是怎么一回事？即使我们抛开概率的哲学含义，仅仅把它当做一个数学概念，它又是如何进入多世界的理论体系的呢？既然所有的"分支"都已经存在，为何我们还会按照玻恩规则来"指定"一个事件分支的"概率"？既然所有的"分支"同等真实，那么根据无差别原理，它们的概率难道不应该是一样的吗？怎么会出现不同的权重？

自Everett起，已经有无数的人试图在解决这个问题。但是，这并不容易。Everett本人在提出多世界理论的博士论文中，就以一种简化的过程从薛定谔方程推导出了玻恩规则，然而他提出了一些额外的假设，这些假设被后人严格检查后，发现其实已经隐含了玻恩规则在里面了：这是一种循环论证。后来人们给出了一波又一波的解释，但是往往都在重复着这样一个循环：

1、有人提出一个玻恩规则的解释或推导；

2、大家觉得这个推导过程很漂亮，"哇！真的好有道理哦！"

3、可是另外有些人开始仔细检查这些推导过程，发现中间或多或少有漏洞，要么是循环论证，要么是附加了不那么令人接受的假设（至少不比玻恩规则本身更加令人接受），要么是论证过程中有纰漏。总之，人们发现这个解释不完美。

4、又有人从另外的角度开始提出新的论证。

到现在为止，已经有很多种理论来导出玻恩规则了。对此人们仍然在争论当中。当然，近十几年中这个领域进展神速，有几个理论研究初露峥嵘。后面我可以简略介绍一下。

既然多世界理论是一种严格的决定论理论，那么，有一点是可以肯定的：在它看来，"真•概率"是没有存在的意义的。那么剩下的呢？经典概率、频率概率、以及主观概率，其实都有它的粉丝。我这里只捡几个理论来说。

首先，频率派。频率概率的基本原则是，概率就是大量（无穷多？）事件中我们所关注的事件发生的相对频率。如果我们把它直接应用于多世界理论，那就是说，多世界"分支"的相对个数。例如说，我们想要观察某一个事件A发生的概率。在观察过程中，系统"分裂"成为多个平行的分支，在某些分支世界中，A发生了，而在另一些中A没有发生。我们把这些分支数一数（branch counting，或者叫分支计数）那么那些包括了"A发生了"的分支的数目，占所有分支数目的百分比，就是A发生的概率。

我们仍然以薛定谔猫为例来说明。例如说，某个试验最终演化成为这样一个状态（我们省略细节）：

那么，根据玻恩规则，我们知道，当我们观察猫的时候，我们有a2的概率发现猫死，b2的概率发现猫活。那么问题来了，多世界一再宣称，A世界和B世界同等真实，那么根据无差别原理，它们应该有着相同的概率才对，也就是死猫和活猫的概率各占50%。这明显与玻恩规则不相容。所以多世界理论不可能是正确的。这怎么解释？

人们可以解释说，A和B两个世界在概率上是不等价的，因为它们的"系数"a和b（也就是概率幅）不相等，它们的概率应该与a和b有关，在考虑时应该附加上这个系数作为权重。根据玻恩规则，这个权重分别是它们的平方。也就是说，我们也像哥本哈根诠释一样，把玻恩规则作为一个天然真的前提 – 我们不过是附加了一个假设而已，即使是这样，多世界理论仍然比哥本哈根理论简洁。

但是这样做严重违背了多世界理论的初衷：创建一个自然相容的、纯幺正的理论。如果我们附加了玻恩规则作为假设，不但增加了理论的复杂度，而且会带来相容性的问题：如果这个权重是概率性的，那么纯幺正的演化规则和概率性假设是无法同处一个房檐下的；如果这个权重不是概率性的，那么它又是如何与概率挂钩的？这对哥本哈根学派并不是那么严重，因为哥本哈根的演化规则本身包含了一个非决定论的坍缩。也就是说，如果我们在操作上，必须采用这种"权重"的处理手法，我们也必须要找出一种关于这种权重的合理解释。

早在退相干理论出现之前，Neil Graham提出了一个解释，就是说，一个"粗粒化"的分支所包含的 "细粒化"分支的数目恰好正比于这个权重系数。也就是说，如果我们把我们这个分支世界不看做是一个严格的世界，而是一种由很多个非常非常接近的分支的混合。因此，现实中（FAPP）我们谈论的任何一个分支，是由多个真实的分支组合构成的。那么这种权重，就代表了我们一个粗粒现实所包含的分支数目。比如说，如果a=2，b=1，从多世界理论出发，我们就可以计算出在A和B两个世界的分支中，各自包含了一系列非常相似的分支，这些分支彼此之间差别细微以至于无法分辨。A世界包含了400个分支，而B世界包含了100个分支，那么根据分支计数，我们就可以得出死猫的世界相对频率是80%，而活猫是20%。而根据玻恩规则，我们恰恰可以算出有80%的概率看到死猫，20%的概率看到活猫。因此这种相对频率的概率和玻恩规则是一致的。

当然如果我们把退相干的过程考虑进去，可能会更加合理：退相干给出了合理的"粗粒分支"的解释，因为退相干所选择的稳定基底并不是精确的一个本证态。根据退相干理论，稳定基底不会衰减，但是不稳定基底由于环境纠缠，是以指数速度衰减的，这种衰减虽然极其迅速地趋向于零，但是永远不会等于零。也就是说，现实中的一个分支，是混合了稳定基底以及与稳定基底非常接近的其它基底的叠加。所以我们实际过程中的分支世界，是有"宽度"的，虽然这个宽度极其之窄。

请注意的是，这个看起来很有道理的解释，在学术界传播并不广泛，很少有人提及。我找遍了文献，也找不到原始的文章，只是从网上看到一个两句话的描述。上面关于这个解释的细节描述，都是我根据"粗粒化分支"这个名字硬猜的[5]。至于在真正的专业人士眼中它是否合理，我不得而知。

而真正在圈子里影响力比较大的理论，是近十几年出现的，一种是以Deutsch和Wallace主导的，基于决策论的推导方法，另一种是以Zurek和Carroll主导的，基于量子对称的方法。我们一一道来。

决策论顾名思义，是一个主要研究如何决策才能获得最优利益的理论。你也可以把它看作是一个人如何理性看待概率的理论。用决策论的视角，我们可以把一切量子事件看作是博彩游戏[6]。要知道，概率论的起源就是来自博彩业，一个博彩的预期回报，就是这个博彩的随机结果的概率预期，因而博彩的结果本身就体现了概率的本性。

例如，一个双态量子系统，比如说一个粒子可能出现在x1，也可能出现在x2。那么这个粒子的量子态就是两个位置的叠加：

$a|x_1\rangle +b|x_2\rangle$

这里我们需要论述的是，具有相同的系数的两个分支，必须有着同样的概率，也就是说，如果a=b，那么粒子出现在x1和x2的概率相等。然后我们可以基于此继续推导出一般情况（这里就不讨论这一步了）。对于a=b，那么这个量子态就是：

$\frac{1}{\sqrt{2}}\left( |x_1\rangle+|x_2\rangle \right)$

现在我们来做一个博彩游戏：我们对这个系统做一次测量，我们所得到的回报就等于这个测量结果。

$V\left( |x\rangle \right)=x$

也就是说，如果得到结果是x1，那么我们就会赢得x1的回报，如果得到结果是x2，我们就会赢得x2的回报。决策论中有几个非常符合直觉的公理，首先，第一个公理说的是，如果对于这个游戏的所有结果，每个结果的回报前面全部加一个负号，那么整个游戏我们的回报也要加一个负号。"前面加一个负号"的意思就是回报为负数，也就是我们会输掉一部分价值。如果原来这个游戏规则下，我们会赢得某些价值，那么把原来游戏规则的全部"输"和"赢"反过来，总的说我们就会输掉同样的价值。我们可以想象这种情况就是我们游戏者和游戏的庄家身份调换，对于零和游戏，原本赢多少的，现在当然就会输多少。所以，对于我们的情况就是：

$V\left( \frac{1}{\sqrt{2}}\left( |-x_1\rangle+ |-x_2\rangle\right) \right)=-V\left( \frac{1}{\sqrt{2}}\left( |x_1\rangle+ |x_2\rangle\right) \right)$

第二个公理就是，如果对游戏的每一个结果，原来的回报都加上一个固定的价值k，整个游戏的价值就要增加k。这个也很容易理解：因为每个可能回报都增加了k，而我们只能得到一种可能，当然总的回报就会增加k。也就是：

$V\left( \frac{1}{\sqrt{2}}\left( |x_1+k\rangle+ |x_2+k\rangle\right) \right)=V\left( \frac{1}{\sqrt{2}}\left( |x_1\rangle+ |x_2\rangle\right) \right)+k$

那么现在我们令k=-x1-x2，根据上面的公理：

$V\left( \frac{1}{\sqrt{2}}\left( |-x_1\rangle+ |-x_2\rangle\right) =\right)V\left( \frac{1}{\sqrt{2}}\left( |x_1\rangle+ |x_2\rangle\right) \right)-x_1-x_2$

那么很容易得到：

$V\left( \frac{1}{\sqrt{2}}\left( |x_1\rangle+ |x_2\rangle\right) \right)=\frac{1}{2}\left( x_1+x_2 \right)$

这个结果，恰恰就是波恩规则。什么意思呢？这里说的是，对于这个量子叠加态的博彩，我们认为的预期回报，完全等效于它两个分支出现等概率的情况下的预期回报。也就是说，作为一个理性的游戏参与者，我们的一切选择，就必须认为这个量子事件好像是满足玻恩规则一样。至于它是否"真的"满足玻恩规则，这不重要，因为基于主观概率的看法，本来就没有"真的"概率 – 这显然是一种主观概率的诠释。但是这里的主观概率，却和贝叶斯概率不同，它认为"理性的"主观概率必然是由玻恩规则来度量的，而不是由我们不断地信息更新获得的。根据Principal Principle，这就是主观概率和客观概率之间的等价性。

现在，我们再来看看Zurek的论证方法。秉承了退相干理论一脉相承的思路，他仍然是从量子纠缠以及系统与环境的关系来论证的。他发现，量子系统中由于量子纠缠的存在，有一种非常独特的性质，人们即使是对系统整体全知全解，仍然会对局部一无所知。

这在经典系统中是不可思议的。在经典世界中，对一个系统的全知必然意味着对系统的每一部分的全知：比如说你不知道你们班一个同学的名字，你当然就不能说你认识了全班的每一个人。但是在量子系统中这个逻辑却崩溃了。就好像是你们班的同学在一起的时候，你都认识，但是一旦把他们分开，你却发现一个都不认识了。我们前面提到过好几次，量子系统中整体≠每个部分的加和。或者这样说，纠缠系统是一个不可分的系统，因而严格上是不存在所谓的"系统的每个部分"这种东东的 – 系统没有"每个部分"。而我们把宇宙划分成为系统、环境、以及"我"这几个部分，就必然导致了对系统整体信息的抛弃 – 即使是你完全知道这些信息，你仍然不得不抛弃它。所以说，如果我们跳出宇宙之外，以上帝视角观察这个宇宙，它只遵守唯一的、完全决定论的薛定谔方程。而在一个没有上帝视角、深陷其中的你看来，你只能看到其中的某一个事件，而你的无数其它"版本"分别看到了无数其它的事件。

我们前面说过量子系统的非定域性。但是，多世界理论是一个严格的定域性理论。贝尔定理所说的定域性隐变量不存在，其实有一个隐含前提，那就是"单一结果的隐变量"。而多世界是一个多结果并存的理论，并不违背贝尔定理。事实上，我们有一点前面没有讲到的就是，在偏好基的选择上，为何总是确定的位置成为偏好基？原因其实很简单：因为系统与环境的一切相互作用都是定域的，因而系统的位置的定域性就必然成为稳定的基底。我们所说的非定域性，其实是量子态本身的非定域，而绝非相互作用的非定域。前面讲的EPR佯谬中所谓的"瞬时同步"，不过是因为观察者进入一个其中两个粒子自旋相反的分支而已。

那么，Zurek说，一个量子整体，它可以有"广域性质"和"局域性质"。所谓的广域性质，就是这个系统的整体波函数，一个态矢量。对这个系统而言，它描述了系统的所有信息。而局域性质，这是那些我们对系统的一个局部所指定的性质。一个很合理的假设就是，局域性质只取决于我们观察的局部范围：我们观察一个粒子的结果，不会受到远处事件的影响。然后，他发现，系统的局域性质存在着一种特殊的对称性，所谓的"环境干预对称性"[7]（"Environment Insisted Variance"，或者叫"Envariance"）这种对称性是这样的，假设一个系统+环境的量子态处于最大纠缠态（其中s表述系统，e表述环境）：

$\frac{1}{\sqrt{2}}\left( |s_1\rangle|e_1\rangle +|s_2\rangle|e_2\rangle \right)$

我们可以只对其中的环境或系统进行操作，而不去动另外一个，他发现一种幺正操作，可以对上述量子态进行重新"洗牌"，首先，我们可以只对系统进行操作而不去改变环境，这个"洗牌操作"[8]把系统的基底调换一个个儿，使其变为：

$\frac{1}{\sqrt{2}}\left( |s_2\rangle|e_1\rangle +|s_1\rangle|e_2\rangle \right)$

这时我们可以预期，对系统的操作肯定会改变了系统的某些局域性质。但是，这时候我们再对环境做同样的"洗牌操作"，这一次，我们只对环境进行操作而不去改变系统，这样一来我们把环境的两个基底调换一下，整体的量子态就变成了：

$\frac{1}{\sqrt{2}}\left( |s_2\rangle|e_2\rangle +|s_1\rangle|e_1\rangle \right)$

很明显，根据加法的交换律，我们立刻知道，整个环境+系统的整体量子态被恢复到原来的状态了。这一点看起来有些奇怪。就好像是你们班里一个同学改了名字后，你不去把他的名字改回来，反倒去改其它同学的名字，最终结果却使得你们班回复到原样！

那么在这个"洗牌"过程中，第一次我们改变了系统，把局域性质由S1变为S2，但是，随后我们通过对环境的操作，就又使环境+系统的整体完全恢复原样。由于这个过程中我们对系统没有任何操作，所以我们必然会认为系统的局部性质不发生变化。对于系统的局域性质，它只于那些对系统的操作有关，而对环境的操作可以无视。因而在我们这种情形下，得到的结论就是：我们对系统的操作前后是无差别的，根据经典概率的解释，S1和S2必然等概率。

我们可以看到，这种对称性只有在两个分支的系数完全相等时才成立，如果他们不等，则不存在这种对称性，这就驳斥了前面所提到的"各个分支无差别，因而概率必须相等"的说法。对于不对称的一般情况，我们有其它的办法把它们变换成由多个相等分支的组合，最终结果就是玻恩规则。

我们可以看到，这是一种基于经典概率的诠释：对称性导致等概率。说到底，这其实说明的是我们的观察（相互作用）的局域性与量子系统的广域整体性之间的矛盾所导致的。整个过程中我们一直保持着对系统+环境整体的全知，而没有任何经典概率的"无知"在里面，但是仍然，对局部的无知就这么发生了。

我们可以看到，前面从相对频率、主观概率、以及经典概率三个角度，我们对多世界理论的终极问题"输出值问题"做出了不同的阐述。这三种阐述，从我的直觉上来看，似乎应该是等效的。只是限于我的水平，难以对其做出数学上的证明。

但是，这里仍然有一个问题，那就是，我们证明了玻恩规则的成立，但是并没有明确说明概率到底是如何产生的。比如说，相对频率中，为何分支计数的相对数目就对应了概率？决策论中，一个主观概率，并不能说明不确定性到底是如何发生的？而在量子对称性中，我们可以看到，如果系统可以用概率描述，那么它必然满足玻恩规则，但是为何系统可以用概率描述？说到根本上，多世界理论仍然是绝对的决定论啊。

Corroll对此有着一段论述，他认为这取决于所谓的"自定位不确定性"（self locating uncertainty）。也就是说，我们虽然对未来世界的分支可以做到完全预测，但是我们所不能预测的，是我们将在会出现在哪一个世界，这就成为不确定性的根源。他对所谓的"后观察过程"（post measurement）分析道，退相干的过程极其迅速，它在10^-20秒中就完成了，也就是说，世界的分支几乎瞬间就完成了，但是人的意识的产生则慢得多，在毫秒级。当人们完成了观察，世界完成了分支的时候，我们对此毫不知情。等过了无穷长（相对于退相干时间来说）时间之后，我们才意识到自己处于哪一个分支上。而这，就成了不确定性、也就是概率的起源。

从这里往下，我还想进一步大开脑洞，探讨一些似乎不那么靠谱的、哲学的东西。我把"自定位不确定性"引申为"自定义困境"（self defining dilemma）。为何这么说呢？因为我觉得，尽管人们多么不希望在物理中涉及"意识"，多世界最终必然导致"多意识"（many minds interpretation）。因为人的意识是建立在大脑的物理状态之上的。当大脑的物理状态与被观察的系统形成纠缠之时，相对应的意识状态是否也会形成多个意识的分支，然后一一纠缠于每一个物理分支？我认为这是必须的。不仅仅是因为我们的经验中从来就没有发生过多个记忆分支的叠加的情况（例如同时看到猫死和猫活），而且是从逻辑上讲这就是必然。

"我"必然要对自己做出一个定义（自我意识），这是我洋洋洒洒些这么多、我们之间谈论这一切的基础，否则整个世界都毫无意义。而"我"这个定义必然会对物我之辨做出一个划分，因为否则的话，在这个纠缠的量子世界，"我"将会囊括整个宇宙，就无所谓"我"，也无所谓"物"了。而这种物我之间的划分，从前面退相干的讨论中我们知道，必然会导致退相干的发生，使得"我"发生分支。这就意味着多意识。

那么我们回到本部分的引子，笛卡尔的"我思故我在"上面。我们可以把这个思辨进一步挖掘，我们将不得不下这样一个结论："我思"和"我在"之间是互为因果的。

首先，"我思"是"我在"的因。因为只有我思，才有我的自我意识。而自我意识恰恰就定义了"我"的存在。如果我不能"思"，那么就不会存在自我意识，当然就不存在"我"了。

其次，"我在"是"我思"的因。因为"我思"的主体就是"我"，如果我不在，当然也就谈不到"我思"了。

我思故我在，就是表现了这样一种自定义的逻辑循环。你还记不记得前面我们关于自由意志的探讨（16、决定论、自由意志、以及逻辑怪圈），以及在这之后，我们的一次饭后谈话中曾经热烈探讨过，自我定义就是哥德尔不完备定理的根源，它会不会就是康德的"二律背反"的终极起点？

总而言之，"我将会处于哪一个世界分支上？"这个自定位的问题，其实就是"在近乎无穷多个意识分支中，哪一个才是我自己？"这样一个自定义的问题。 "我"这个字，可能是我们日常中最常用的字之一，但是我们平时基本上没有注意到过，说到底它包含了一个终极哲学秘密：自我定义。自我定义注定是逻辑不完美的，因而我们的世界注定是概率性的。

那么我们回来看看第一部分最开始的话题，拉普拉斯之妖。从多世界理论出发，没错，在处于宇宙之外的拉普拉斯之妖看来，世界是决定论的，一切都是注定的。但是，在作为"槛内人"的我们看来，未来有无穷多种可能性。二者看似矛盾，然而和谐相处。

[1] 这句话的原话实际上并不是John Wheeler自己直接说的，而是在Gregory Chaitin的书中转述的Wheeler对他讲的一个故事。

[2] 事实上，真•概率如果真的是量子事件的內禀属性，那么我们从逻辑上必然会导致脱离观察的粒子不存在确定的真实状态这个结论。即使是抛开贝尔定理这个实证的判定，单纯从概念上，粒子的真实状态就无法自洽。-- 如果我们承认粒子存在真实的状态，那么立刻，这种真•概率就被还原成为经典的"无知"概率了。更加严重的是，如果我们认为粒子随时都存在着"真实的"状态的话，对于一个完全连续的时间线中，连续演化的概率分布（薛定谔方程）、同时伴随着不连续的真•随机运动，这种"真概率"会吧芝诺的"飞矢不动"悖论中的矛盾极端放大。

[3] 有人倾向于把量子贝叶斯划为独立的一类诠释，但事实上，它起源于哥本哈根诠释，并且把后者的一些模糊的（或者是故意回避的）问题给出了一种沿着哥本哈根道路走向更加极致化的答案。这里我不想用"极端化"这样的词语，因为我们不能对一个科学理论使用带有强烈主观倾向的描述。但是，从个人喜好而言，我觉得这种引申是极端化了。

[4] 请注意，在量子力学发展今天的这个阶段，多世界理论渐趋完善，我们再提到多世界理论的时候，态叠加、量子纠缠、退相干、以及相对态这几个概念都是缺一不可的。它们是多世界理论的四条腿，随便少了哪一个，都会导致它成为瘸子。而流传的很多科普作品有的因为出版稍早而时效性太差，有的是真的只是半瓶子醋，把多世界简单归结为所谓的"观察导致分裂成多个世界"，纯属误人子弟。Tegmark曾经感慨，说大家人人都能对多世界理论评头论足，可是没有几个真的知道多世界理论到底是个什么东东，在科学理念发展至斯的今天，这简直匪夷所思。

[5] 如果有人可以帮忙找到原文的full text，非常感谢。

[6] Deutsch和Wallace的论证很formal，牵涉了严谨的数学和逻辑，是一个比较复杂的过程。Wallace的论文就长达20多页。这里采用的，是Corroll在一个科普性讲座中比较形象化的论述，因此才有了用博彩类比量子事件不太严肃的说法。

[7] 我自己的翻译，因为中文文献中找不到一个已经确立的翻译法。

[8] 这个操作看起来类似于这样： $\hat{U}=\left( |s_2\rangle \langle s_1| + |s_2\rangle \langle s_1| \right)\otimes I_e$

来源：知乎 www.zhihu.com
作者：贾明子

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浅析齿轮结构NVH问题的产生机理

注：本文首发于"模态空间"公众号。

在介绍齿轮NVH产生的根本原因之前，有必要对齿轮重合度这个概念作一个基本介绍。为了保证齿轮连续传动，要求齿轮的实际啮合线段B1B2大于齿轮的基圆齿距Pb，因而定义齿轮重合度εa为实际啮合线段与齿轮的基圆齿距之比（如图1所示），即

εa= B1B2/Pb

齿轮重合度是一个无量纲参数，近似表明了在啮合周期内啮合齿对的平均数量，重合度越大表明同时参与啮合的齿对数目越多，每对齿的载荷小，载荷波动也小，传动越平稳。通常重合度取值在1≤εa≤2，取值为1表明始终只有1对齿参与啮合，而取值为2表明始终有2对齿参与啮合。在机械制造行业，通常取1.3≤εa≤1.4，这就表明在啮合过程中有时是1对齿啮合，有时是2对齿啮合，且交替变化。如εa=1.3表明在齿轮转动一个基圆齿距的时间内有30%的时间是双齿啮合，70%的时间是单齿啮合。关于齿轮重合度的更详细介绍可参考相应的参考书。

齿轮箱结构的振动能够充分解释一种称为参数激励的现象。齿轮啮合过程中齿对数目交替出现，则根据啮合齿对的数量变化，啮合刚度相应地发生变化。此外，齿侧的接触点沿径向移动。毫无疑问，当啮合齿的数量发生变化时，啮合刚度的变化就会发生。对于渐开线直齿轮，通常是一或两对齿交替啮合。对于重合度在1~2之间的直齿轮，在节点附近是单齿啮合，在齿根、齿顶附近是双齿啮合，如图2所示。

图3显示了啮合刚度对旋转角度的依赖关系。从图3左上角单对齿啮合时刚度的变化可以看出，从二者开始接触啮入时刚度直线增加，在啮合过程中先增大后减小，到二者相互脱离啮合时，又直线减小。而齿轮实际的啮合刚度如图左下角所示，它实际上是单对齿啮合刚度在一定重叠度下的叠加，左下角的虚线为单对齿的啮合刚度，实线为实际啮合过程的啮合刚度变化。随着齿轮重合度的增加，啮合刚度变化越来越小，当εa=2时，刚度已无直线变化段了，这时刚度变化最小。并且注意到，不管重合度多大，啮合刚度都是周期性变化的。

图3显示了两种齿轮重合度下的啮合刚度对旋转角度的依赖关系。齿轮重合度在1和2之间被称为低重合度（LCR），齿轮重合度等于2称为高重合度（HCR）。不需要计算就可以看出，高重合度下齿轮啮合刚度的变化较小，从而导致齿轮箱振动的参数激励减少。

齿轮在啮合时，齿对啮合点始终位于啮合线（基圆的内公切线）上，如图4所示，而啮合力也沿这条线上。通过作用于啮合线上的啮合力FT从主动齿轮传递到从动齿轮。这个力由作用在轴支撑点大小相同、反方向力FS补偿。这些力FT和FS同时作用在主动齿轮上从而导致扭矩产生，见图5。从图3可知，啮合刚度不等于恒定值，随着啮合齿对数目的交替变化，使得啮合刚度与啮合频率的振荡是同步的。齿轮啮合刚度的振动导致从动齿轮的自激角振动，从而产生了时变力FT和FS。作用在轴支撑位置的力是动态的，并能激发齿轮箱壳体的振动，从而产生噪声。由于啮合刚度的周期性变化，导致齿轮的受力也会出现周期性变化。正常啮合时，啮合力FT沿啮合线方向，但如果出现了故障，则将导致啮合力与啮合线之间存在一定的夹角，从而引发更大的振动与噪声问题。

另一方面，单对齿轮啮合时，齿轮的啮合力作用于单对齿轮上，而当两对齿参与啮合时，啮合力是作用在两对轮齿面上。假设传递的扭矩恒定，由于齿轮的力臂恒定，那么啮合力也保持不变。但当将这个不变的啮合力作用在单齿和双齿上引起的齿轮所受的载荷是周期变化的。显然，双齿啮合时载荷小、刚度大，单齿啮合时载荷大、刚度小。也就是说，即使齿轮所传递的是恒定扭矩，但当每对齿在脱离啮合或进入啮合时，轮齿上的载荷和刚度都要发生突然增大或减小，从而形成啮合冲击。对于重合度低的直齿，啮合冲击尤为显著，其作用力和刚度变化基本上呈矩形波，见图3。对于斜齿，由于其啮合点是沿齿宽方向移动的，啮合过程的变化较为平缓，刚度变化接近正弦波。因此，轮齿的啮合冲击和啮合刚度的变化取决于齿轮的类型和重合度。

齿轮在啮合过程中，除了受到啮合冲击之外，还存在所谓的节线冲击。一对齿轮在啮合过程中，两齿齿面相接触点的速度方向除了节点以外都是不同的，使得相接触的齿面之间产生相对滑动，而相对滑动导致两齿面之间存在滑动摩擦。当啮合点通过节点时，由于轮齿受到的摩擦力在节点两侧方向不同而使齿面摩擦力有一个突然换向。这种突然的换向使轮齿受到冲击，换向的结果也使轮齿所受合力的大小及方向突然改变。当齿轮传递的扭矩不变时，齿面正压力也发生变化，这种变化反过来引起摩擦力大小的改变，把这种冲击称为节线冲击。

因此，齿轮在啮合过程中，齿面既有相对滚动，又有相对滑动。主动轮上的啮合点由齿根移向齿顶，随啮合半径逐渐增大，速度逐步增高；而从动轮上的啮合点由齿顶移向齿根，速度逐步降低。两轮速度上的差异形成了相对滑动。节点处，两轮切线速度相等，相对滑动速度为零。在主动轮上，齿根与节点之间的啮合点速度低于从动轮上的啮合点速度，因此滑动方向向下；而在节点与齿顶之间的啮合点速度高于从动轮，滑动方向向上。主动轮、从动轮都在节点处改变了滑动方向，也就是说，摩擦力的方向在节点处发生了改变，形成了节线冲击。

通过以上的分析可知，在齿轮的啮合过程中，由于主动齿轮与从动齿轮的单、双齿啮合交替变换，啮合位置、轮齿啮合刚度和载荷的周期性变化以及啮合冲击、节线冲击均会产生振动，这种振动必然含有周期性成分，反映这个周期性特征信息的就是啮合频率（GMF）及其高次谐波。啮合频率是齿轮的转速频率f与齿数z的乘积（实际上是1秒钟之内齿轮的啮合次数，齿的转频表示每秒钟的转动圈数，齿数表示每圈的啮合次数，因此，二者的乘积就是每秒钟的啮合次数，即啮合频率），即

fGMF= f1·z1＝f2·z2

式中，f1 、f2分别表示主动轮、从动轮的转频；z1、z2表示主动轮、从动轮的齿数。

实际上，在一个啮合周期1/fGMF内，啮合的齿轮发生了进入啮合、脱离啮合、节线冲击等多次冲击过程，因此在齿轮的振动信号中必然包含了啮合频率fGMF及其高次谐波2fGMF、3fGMF、…等成分。

除了上面描述的啮合刚度与作用力周期性变化之外，对于完美的齿轮啮合而言，齿轮对应该满足以下条件：

几何完美，这说明齿轮不存在制造误差，生产出来的齿轮不存在形变。
对中完美，完全不存在装配问题，不会出现不对中，错位等情况。同时满足齿轮对中的一个齿轮的节圆齿厚等于另一齿轮的节圆齿槽宽，即二者能无齿侧间隙啮合。
刚度无限大，这样能保证在啮合过程中受作用力时不发生变形。

满足以上条件的完美齿轮在啮合时能保证齿轮对啮合点的线速度相等，即ω1R1=ω2R2。但实际因齿轮变形、装配问题或啮合刚度的变化导致齿轮啮合时，ω1R1≠ ω2R2，存在传递误差，从而引发更大的振动噪声。

啮合齿轮产生了传递误差，从而使得啮合齿轮之间的摩擦加剧，这种加剧的摩擦将引发明显的尖叫声，这也就是所谓的齿轮啸叫。啸叫是一种单频噪声，类似口哨声，在任一时刻都是一个频率成分，但是这个频率成分会随着转速变化，也就是说啸叫声的频率与齿轮的啮合阶次有关，随着转速的增加而增加，如图7中高亮的阶次线所示。

除了受到正常啮合冲击之外，啮合的齿轮还可能受到外部波动载荷的作用，即输入扭矩的变化导致非传动齿轮间的不规则的相互撞击产生的宽带随机噪声，也就是所谓的rattle噪声，如图8所示。如发动机扭矩和转速的周期性变化，导致变速箱啮合的轮齿之间不规则的相互敲击，这种敲击产生的振动与噪声通过轴承座、箱体等传播出来。另一方面，如果轮齿之间存在侧隙，在啮合过程中也将出现撞击从而产生rattle噪声。这种不规则的敲击噪声具有宽频性，即没有特定的频率特征，难以通过频率分析来定量地进行评价。

除了受到啮合冲击和节线冲击之外，齿轮还可能存在故障，如齿轮磨损、制造缺陷、安装缺陷、局部缺陷等异常状态，这些异常状态将会导致的显著的NVH问题。除了齿轮自身的故障之外，轴承的故障可将使NVH问题加剧，如当齿轮遇到滚动轴承滚道上的缺陷时，啮合可能会引起较小的机械冲击，引起结构振动。这些振动通过齿轮箱结构进一步传递。

参考：

Jiri Tuma，Vehicle Gearbox Noise and Vibration: Measurement, Signal Analysis, Signal Processing and Noise Reduction Measures. John Wiley & Sons, Ltd, 2014
柴畅，齿轮啮合过程中节线冲击力矩的研究，安徽工学院学报，1997，16（2）：71-75

END

扩展阅读

1.喜讯|模态空间要出书啦！

2.模态空间公众号全部文章汇总(截止2017年12月31日)

3.扭振产生的可能原因

4.怎样评价传动装置的传递误差

5.传动装置传递误差分析实例

来源：知乎 www.zhihu.com
作者：linmue-谭祥军

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X疾病与全球病毒组学计划——照妖镜计划

WHO网站今年2月公布了2018年度疾病优先级研究的评估列表，内容是与会专家认为可能会造成公众健康危机并且缺乏有效的药物或疫苗，十分有必要尽快对其研究的疾病。

这不是WHO第一次发布列表了，最早是2015年底发布的一项，随后是每年修订一次，2月份的是第二次年度修订之后的列表，上一次修订是在2017年1月。

对比列表，可以看到大部分的疾病是大同小异的，因为针对这些疾病的研究不可能两三年就能把问题全部解决了。但是今年最大的不同是WHO把"X疾病"也就是"未知疾病"列入了列表！

Disease X represents the knowledge that a serious international epidemic could be caused by a pathogen currently unknown to cause human disease, and so the R&D Blueprint explicitly seeks to enable cross-cutting R&D preparedness that is also relevant for an unknown "Disease X" as far as possible.

具体的定义，WHO给的是"可以引起国际严重流行，但目前并不清楚可以引起人类疾病的病原体"。也就是说可能跟当年的SARS-CoV或者MERS-CoV一样，在出现之前，其实人们一点线索都没有，悄无声息地来。

其实按照这个定义，X疾病和传统的"新发传染病"（emerging infectious disease）的概念范围其实差不多。新发传染病的意思是，以前没有，突然在人群中进行传播并造成疾病。跟新发传染病相关的还有一个概念——"再发传染病"（Re-emerging infectious disease），这个的意思是，病原体以前就有，但是得到了控制，或者流行范围有限，但突然有一天，就开始大规模传播，或者到了以前不流行的地区。很典型的例子就是寨卡病毒了，上世纪40年代就发现了，结果在这个世纪突然引起大家的普遍关注。

在新发传染病和再发传染病的病原体图谱里，病毒，病毒，病毒是毫无疑问的第一把交椅。而且，绝大多数是RNA病毒，这可能跟RNA病毒本身基因组的保真性差，更容易突变有关系。

图片来源：https://www.businessinsider.com.au/worldwide-emerging-viruses-and-diseases-2014-9

而且，大多数新发或者再发病毒的来源都是动物，很大一部分是"自然疫源性疾病"，也就是病毒是天然存在的，所以很难在自然界中根除。不像历史上已经完全适应人体，只在人群中传播的病毒（这部分有天花、麻疹等等）。

动物来源的，动物传播的病毒。很难办，因为传染源很难控制。所以最通常的做法是从传播途径和保护易感人群上想办法——消灭媒介，研发疫苗。

再回过头来看"The Global Virome Project"，其实这就是一个照妖镜计划，也就是我们不是不清楚从动物来源的病毒可能会有哪些吗？那我们就主动出击，去大浪淘沙，一网打尽。获取能够获得的全部资料，再仔细分析，哪些有可能突破物种屏障，提前做好准备。凡事预则立不预则废，从潜在传染源上要答案。

The Global Virome Project

这是一个雄心万丈的计划，所以也是全球的合作项目，这是官方网站——

Overview

全球病毒组项目旨在缩小这一差距。这一国际合作项目将研究感染鸟类和哺乳动物的病毒，以确定哪些病毒只在动物间传播；哪些会转移到人类身上。根据印度狐蝠和恒河猴（已知的新兴人类疾病的两种宿主）的病毒多样性，研究小组估计，在被调查的25个病毒家族中，仍有约167万种未知病毒有待发现，其中63.1万到82.7万种可能感染人类。
该项目计划在今后10年内，确定这些潜在威胁的70%左右，研究重点是已知的感染人类病毒高发的动物。这些数据将被公开，帮助科学家为未来病毒流行做好准备——理想的情况是，在威胁出现时就挫败它们。
位于美国纽约的生态健康联盟主席、全球病毒组项目指导委员会成员彼得·达萨科称，这是一项雄心勃勃的计划，并表示预防病毒大流行要比疫情善后划算，有信心战胜流行病的威胁。

其实，这个计划的实施，将让我们至少能够清楚，目前在鸟类和哺乳动物已经存在的病毒种类。将大大拓展我们对病毒这种生命体的认识。

在人类中传播的263种已知病毒，仅占疑似潜伏的、可能感染人体的病毒总数的不到0.1%。

这个计划的完成，会带给我们什么样的资源呢？值得期待。

其实，类似的计划已经有过先例，不过是在低等动物上做的。

我国2016年一项发表在Nature的研究通过宏基因组计划已经在无脊椎动物身上发现了N多之前闻所未闻的病毒了。

张永振教授关于Nature论文《无脊椎动物RNA病毒圈的重新界定》的中文简介 - 中国疾病预防控制中心传染病预防控制所

本研究在湖北、浙江和新疆陆地地区以及黄海、东海和南海海洋地区调查了九个动物门（节肢动物门、环节动物门、星虫动物门、软体动物门、线形动物门、扁形动物门、腔肠动物门、棘皮动物门、脊索动物门背囊亚门）超过220种无脊椎动物，通过深度转录组测序共计发现超过1445种全新的病毒，其中一些病毒与现有已知病毒的差异性足以把它们定义为新的病毒科。

https://www.nature.com/articles/nature20167#f1

这也表明，全球的病毒组计划大约是可以完成的。

也希望事成之时，这面照妖镜能够给我们提供更多的潜在的，可以成妖的病毒原型信息。

参考资料：

The Global Virome Project

Redefining the invertebrate RNA virosphere

List of Blueprint priority diseases