撰文 | 烏其多

審校 | 阿嫻

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如果沒有6600萬年前那顆撞地球的小行星，地球全體哺乳動(dòng)物——包括我們?nèi)祟惖淖嫦?，恐怕仍只是匍匐在恐龍爪下、四處躲藏的散裝耗子。

就此而言，全體人類都算得上“天選之子”。

在如此幸運(yùn)的我們當(dāng)中，2003年比利時(shí)的一位議員，又堪稱物理意義上“天選中的天選”：這位天選姐在參加一場重要大選時(shí)，來自地球之外的宇宙射線為以迷之方式，為她投了不少票。

唯一的問題是，宇宙實(shí)在過于慷慨了：4096票這個(gè)數(shù)量甚至超過了總票數(shù)之和，讓人實(shí)在難以忽視。

從0變1？

2003年5月18日，比利時(shí)布魯塞爾的斯哈爾貝克選區(qū)，發(fā)生了一樁選票“幽靈”事件：一位名不見經(jīng)傳的小透明議員瑪麗亞（MARIA）女士，在電子選票系統(tǒng)中的得票數(shù)異常激增了4096票。

這就給大家整不會了——此數(shù)額甚至超出了該選區(qū)的有效票總數(shù)上限，基本可排除人為舞弊的可能。在這個(gè)女巫傳說源遠(yuǎn)流長的國家，甚至有人聯(lián)想起了超自然力量。

就在眾人面面相覷、百思不得其解之際，一位程序員突然一拍大腿：“等等，4096……這不是2的12次方（2^12）嗎？”

沒錯(cuò)，“4096”是一個(gè)在計(jì)算機(jī)科學(xué)中具有特殊意義的整數(shù)。它通常對應(yīng)著二進(jìn)制系統(tǒng)下的特定存儲單位，所以這“幽靈選票”，莫非是來自投票機(jī)底層的二進(jìn)制數(shù)據(jù)處理故障？

democracydocket

經(jīng)過排查，事實(shí)確實(shí)如此。

二進(jìn)制系統(tǒng)，意味著它只使用兩個(gè)數(shù)字來表示所有數(shù)值。二進(jìn)制應(yīng)用于計(jì)算機(jī)內(nèi)存，就可以簡單地理解為一排整齊的開關(guān)，每個(gè)開關(guān)代表一個(gè)比特（bit），只能是“開”（1）或“關(guān)”（0）。這排開關(guān)從右向左，代表的數(shù)值以2的倍數(shù)遞增：右邊第一個(gè)代表1，第二個(gè)代表2，第三個(gè)代表4……以此類推。

那么，從右往左數(shù)的第13個(gè)開關(guān)，它代表的值正好是 212，也就是 4096。

想象一下，如果這個(gè)開關(guān)原本是“關(guān)”（0），但因?yàn)槟撤N原因，它被意外“撥動(dòng)”成了“開”（1），這個(gè)動(dòng)作就叫 “比特翻轉(zhuǎn)（Bit flip）”。這樣一來，計(jì)算機(jī)讀取的總數(shù)值就會憑空多出4096。

這就像你原本在數(shù)一排暗著的燈，突然其中一盞特定的大燈自己亮了起來，讓你的計(jì)數(shù)一下子增加了一個(gè)固定的巨大數(shù)值。

問題似乎找到了，但似乎也沒完全找到——好好的0，為啥會變成1？

答案讓人大跌眼鏡——這其實(shí)是宇宙射線造成的。

來自宇宙的“幽默”

宇宙射線，并非我們熟知的某種“光線”。而是來自宇宙深處、以接近光速運(yùn)動(dòng)的高能粒子流。它們構(gòu)成了持續(xù)轟擊地球的“微觀隕石雨”。

這些粒子的來源非常廣泛：一部分來自太陽的劇烈活動(dòng)，如日冕物質(zhì)拋射，被稱為“太陽宇宙射線”；一部分源自太陽系之外，比如超新星爆發(fā)等極端宇宙事件，這種被稱為“銀河宇宙射線”。

左：日冕物質(zhì)拋射 右：超新星爆發(fā)后殘存的蟹狀星云|newscientist

盡管聽起來有些駭人，但這股粒子流與我們的日常生活息息相關(guān)。

事實(shí)上，每時(shí)每刻都有無數(shù)宇宙射線穿透我們的身體。科學(xué)家估計(jì)，平均每秒鐘就有成千上萬顆這樣的高能粒子悄悄地穿過我們每一個(gè)人——人類雖然無感，但對計(jì)算機(jī)來說就不一定了。

在現(xiàn)代DRAM條，也就是我們常說的電腦內(nèi)存條中，信息比特存儲在微小的電容器中。

出于不同場景需求，電容器有大有小，但其本質(zhì)都是一個(gè)可快速充放電的“臨時(shí)電池” |ultralibrarian.com

當(dāng)電容器被宇宙射線擊中時(shí)，其中的電荷就可能改變，這就對應(yīng)著一次比特翻轉(zhuǎn)。這種現(xiàn)象有個(gè)專有名字“單粒子比特翻轉(zhuǎn)（SEU）”。我們?nèi)粘Ｓ龅降脑S多電腦內(nèi)存錯(cuò)誤，都源于此。而相比其他硬件問題引發(fā)的比特翻轉(zhuǎn)，宇宙射線導(dǎo)致的事件尤為難以避免。

這也就是說，當(dāng)你的電腦莫名藍(lán)屏或游戲角色突然穿墻時(shí)，那可能不是簡單的故障，而是長途跋涉了幾萬光年，來自神秘星際空間的高能粒子正在歇歇腳——這或許就是宇宙特色的幽默感的體現(xiàn)之一。

澳洲航空72號班機(jī)事件

當(dāng)然，宇宙射線也不會僅僅制造類似選舉烏龍這樣的小幽默——需要說明的是，這次“天降橫票”并未改變政治規(guī)則，瑪麗亞女士最終并未當(dāng)選。

宇宙射線有時(shí)會引發(fā)真正的麻煩。

我國海拔最高的宇宙線觀測站“拉索”航拍圖|央視

例如在1989年3月，一次日冕物質(zhì)拋射引起的宇宙射線觸發(fā)了魁北克電網(wǎng)的斷路器，造成了長達(dá)九小時(shí)的大停電，并一度干擾了全球無線電通信。

而更為驚險(xiǎn)的一幕發(fā)生在2008年10月7日。澳洲航空72號班機(jī)（空客A330）在從新加坡飛往珀斯的巡航途中，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)突然錯(cuò)誤地判定飛機(jī)正在失速爬升，并隨即執(zhí)行了兩次劇烈的俯沖修正，致使飛機(jī)在短時(shí)間內(nèi)高度驟降數(shù)百英尺。

突如其來的猛烈過載將未系安全帶的乘客和機(jī)組人員拋向艙頂，最終造成115人受傷，其中12人重傷的嚴(yán)重事故。飛機(jī)緊急迫降，險(xiǎn)些釀成空難。

《空中浩劫》第18季第7節(jié)演繹了這個(gè)事件|影視截圖

事后調(diào)查的“元兇”就直指宇宙射線。報(bào)告表明，來自銀河系的高能粒子擊穿了飛機(jī)大氣數(shù)據(jù)慣性基準(zhǔn)單元（ADIRU） 中的關(guān)鍵芯片，引發(fā)了一個(gè)比特翻轉(zhuǎn)。這個(gè)被篡改的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)欺騙了飛行計(jì)算機(jī)，使其做出了災(zāi)難性的“自救”指令。

自此之后，航空業(yè)顯著加強(qiáng)了對這類風(fēng)險(xiǎn)的防護(hù)，構(gòu)建了多層防御體系：比如說，使用了ECC內(nèi)存（Error-Correcting Code Memory，錯(cuò)誤糾正碼內(nèi)存），這是在普通內(nèi)存（DRAM）基礎(chǔ)上，增加了用于檢錯(cuò)和糾錯(cuò)的額外存儲位和專用電路。它和抗輻射芯片以及軟件容錯(cuò)架構(gòu)一起，構(gòu)建了專門對付宇宙射線的多層防御體系。

雖然現(xiàn)代航空已能將此類事件的概率控制在較低的范圍內(nèi)。但這并不表示我們可以掉以輕心，最近一起宇宙射線大規(guī)模影響航空業(yè)的事件，就發(fā)生在幾個(gè)月之前：。

參考資料

[1]https://www.the-sun.com/tech/9704911/mystery-cosmic-ray-earth-space/

[2]https://web.archive.org/web/20070927185155/

[3]http://wiki.ael.be/index.php/ElectronicVotingRandomSpontaneousBitInversionExplained

[4]https://blog.robertelder.org/causes-of-bit-flips-in-computer-memory/

[5]

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