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天文学:这么近,那么远

 
编者按:
 
人们谈及天文,总认为很遥远。
 
诚然,动辄以光年计的距离使天体对于地球上的人类而言遥不可及,但在研究天文的过程中所促成的科学技术的进步,却真切地影响了人们的现实生活:GPS导航、WiFi、CT扫描、地铁安检……诸多已经普及到日常生活中的事物都源于天文学的研究,而它们距离我们是如此之近。
 
本文作者通过帮小朋友捡贝壳的故事,描绘了“这么近又那么远”的天文学。
 
撰文 | 李坦达
责编 | 吕浩然
 
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从我们平日里的所见所闻中应该不难发现,当人们谈起科学往往会毫不迟疑地表示“非常有意义,非常有价值”。可如果继续问下去,“那能不能具体一点呢?”,便会难倒大多数。
 
基础科学和我们生活中的林林总总是如何相连的?这是个很难回答的问题。因为每一个自然科学的新发现,从科学家们的争论到纸上成型的公式,再到我们面前具体而微小的事物,常常包含了宏大而漫长的故事线。其中的联系不是并那么简单和直观,也总是无法用三言两语来概括。
 
今天我想讲些个小故事:关于小侄子的故事,也关于牛顿、关于爱因斯坦,关于天上的繁星和我们之间那奇妙的联系。
 
牛顿和捡贝壳的小孩
 
1543年,尼古拉·哥白尼(Nikolaj Kopernik,1473 - 1543)发表了著名的《天体运行论》反对地心说,成为了现代天文学的起点。
 
140多年后,艾萨克·牛顿(Isaac Newton,1643 - 1727)爵士在苹果的启发下,在他的著作《自然哲学的数学原理》中阐述了万有引力和三大运动定律,成为了整个物理学和天文学的重要基础。
 
当时,“日地月”系统对于天文学家来说还有很多未解之谜,而牛顿则成为了站在自己的肩膀上第一个测量月球质量的人[1]。16世纪时,人们已经知道海洋的潮汐是太阳和月亮的引力造成的(图一),而牛顿则利用万有引力定律将海潮的涨落变化和月亮的质量联系起来:地球上某处海水受到的作用力是地球和月亮引力共同作用的结果。
 
对地球的每个质点产生的作用力作积分后就能得到地球的作用力,月球的贡献可以简单用(月球质量/距离2)来计算,然后就可以将潮汐涨落的数据带入公式来计算月球和地球的质量比例了。
 
“在春秋两季,距离布里斯托尔(英国一港口)三英里,雅芳河(River Avon)的水位在新月之时可以升高45英尺,而弦月当空时只有25英尺。那么月球和地球的质量比例是1:39.788[2]。”虽然牛顿爵士所得和我们今天所知的结果(1:81.00588)出入很大,但以此为起点,后来的天文学家们找到了正确的方式来测量月亮的质量。这个数字在此后的几百年间不断更新(Pierre-Simon Laplace 1805年: 68.5;Finlayson 1867年:86.0;Ferrel 1874年:78.65; Gill 1897年: 81.76;……)并越来越准确[1]。
 
几百年后,我们已经十分了解“日地月”之间的质量和互相绕转的规律,于是反过来,通过预测太阳地球月亮三者的相对位置,很容易计算出未来某一时刻,地球上某一海岸线的海水涨落。
 
前几日,我的侄子约我周六带他去附近的海边捡些贝壳来做他的美术作业,我自然想到当然是落潮时候最好,一是浅滩面积大能找到更好的贝壳,二则水浅小孩子到处跑也安全些。于是我拿出手机搜索了一下周六的潮汐时刻表:下午两点最低,轻松搞定!
 
相对论和全球定位系统 (GPS)
 
1905年,另一位物理学史上的巨人,时任伯尔尼瑞士专利局助理鉴定员的阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein,1879 - 1955),在其论文《论动体的电动力学》中提出了狭义相对论,这一当时广受质疑的理论最终改变了人们对于绝对时间和空间的认知。而十年之后问世的广义相对论又进一步阐述了引力场和时空的奇妙联系。
 
相对论理论中一个十分有趣且重要的发现是:时间不是绝对的——运动速度越快,时间过得越慢;越靠近大质量天体,时间走得越慢。对于过着平凡生活的大多数人而言,相对论似乎离我们很远,它只会出现在爱因斯坦的故事和有趣的语录里面(“把你的手放在滚热的炉子上一分钟,感觉起来像一小时。坐在一个漂亮姑娘身边整整一小时,感觉起来像一分钟。这就是相对论。”)。但是大家可能想不到的是,如果没有相对论理论,我们如今使用的全球定位系统就无从谈起。
 
全球定位系统是靠空间卫星进行定位的,这些卫星运行在地球上方的近地空间中,它们不间断地向我们手中的设备发送两个简单的信息——发送信号的时间和卫星所在的位置。当我们接收到这个信号的时候,首先通过时间差(接受信号的时间减去信号发送的时间)和光速来计算我们和该卫星之间的距离;然后再根据这些卫星的位置计算出我们所在的位置了。
 
卫星就像坐标系中几个基准点一样,知道我们这些基准点之间的距离,就不难计算出我们的坐标。这听起来不过是初中所学的解方程组,可如果对相对论一无所知,可能永远解不出答案。
 
一方面,考虑狭义相对论的效应,当卫星在太空以大约14,000公里每小时的速度飞过我们头顶的时候,卫星上的时钟比地球上的时钟每天会慢约0.000007秒;另一方面,广义相对论效应告诉我们,越靠近地球,时间走得也就越慢。卫星上的时钟会比地球上的快约0.000045秒。两者相权,相对论效应每天会带来0.000038秒的时间差[5]。
 
这看似微乎其微,但大家不要忘了我们是在用光速(299,792公里/秒)来计算距离,如果导航上的时钟比卫星上慢0.000038秒,计算得到的距离就会比实际多出11公里!更重要的一点是,这个偏差是不断积累的! 如果我们不了解相对论,从卫星进入轨道的那一刻起,距离的偏差会以每天11公里的速度增加!于是足不出户,GPS便可带你“环游世界”!可谓“差之毫厘,谬以千里”。
 
因此,每颗卫星内部搭载的原子钟都必须经过调教来克服这些“微小”的相对论效应。
 
类星体:全球定位系统的定位系统
 
说完了时间, 全球定位系统还有另一个重要的问题,卫星自身的位置又是如何确定的呢?答案是借助一类奇妙的天体——类星体(Quasar)。
 
太空中的卫星和大海中的航船一样,需要距离足够遥远的参照物来判断方向。只有距离足够遥远,它们看上去才是相对静止的,这么看来距离越远的东西并不是越没有意义哦。
 
长久以来,太阳和星星一直帮助我们在地球上判断方向,正如太阳东升西落、北极星(目前是小熊座α星)永远在北方。可是对于定位系统中的卫星来说,这些银河系内的星星与地球之间的距离仍不够远,它们自身运动带来的微小偏差仍会给定位结果带来巨大的影响。而距离地球足够越远的星体,它的可视亮度(视星等)就越暗,卫星又无法准确地辨识它们。
 
于是,让定位系统的正常运转所需要的参照物的条件听起来就十分矛盾——遥远又明亮的天体。而宇宙中就真的存在这样的天体——类星体。正如其名,类星体虽然在天空中十分明亮,看起像是一颗恒星[6],但其实它并不是,而是距离我们十分遥远的一个星系。其中心通常是一个超大质量的黑洞,巨大的引力吞噬着周围的气体,同时释放出大量的能量[7]。也因此,这个“正在进餐”的黑洞相对于其它同样遥远的天体而言,异常得明亮。
 
从类星体发现到今天已经过去了大约70年[8-11], 如今天文学家们已经发现了数万颗如此遥远却明亮非凡的星系。如果我们的宇宙是一个城市,它们就是这城市中的地标建筑:市中心最高的大厦、东边工厂的烟囱、城南的山、西区的古塔。通过这些标志物,我们绘制了一张宇宙的地图。
 
最早的类星体“星图”叫做ICRF(International Celestial Reference Frame[12]),于1995年绘制完成,包括了约600颗类星体。如今这张星图还在不断地扩充,更加准确地为卫星定位。
 
这听起来是不是很熟悉?从前天上的星星给大海上的航行的船只以指引,而今天更加遥远的星系给宇宙中航行的卫星指引方向。于是在这个周六,我的车载导航将我顺利带到目的地——一片漫长且安静的海岸。下午两点,海潮已退,我和我的小侄子卷起裤脚,踏进湿润的沙滩之中。
 
射电天文和无线(WiFi)网络
 
与伟大的牛顿爵士和爱因斯坦相比,约翰·奥沙利文(John  O’Sullivan)只能算个平凡的科学工作者,但是如今每一个人拿起手机和电脑链接上WiFi时或许都应该感谢他。他是澳大利亚的一个电子工程师,从1970年开始从事与射电天文望远镜相关的工作。
 
约翰·奥沙利文与合作者在1977年发表了一篇高效传输射电望远镜图像的文章[15],基本方法就是将信号拆分成不同的频率段来传输,接受器收到信号之后再重新合并起来。这种技术可以大大降低传输过程中的干扰,获得优良的传输效率。
 
这篇论文对射电天文观测自然十分有价值,可人们没想到的是这项研究成果在10多年后为WiFi带来了关键的技术突破,并已经为约翰·奥沙利文所属的科研机构(CSIRO)赚取了数亿美元的专利费。
 
在90年代初期,通讯业各巨头都在争相开发无线传输技术,但是在室内进行传输时,信号会在不断反射之后出现混响,使得传输效率奇差无比。而解决这一问题的答案就在那篇10多年前发表的科学论文当中,倒是颇有些“众里寻他千百度,蓦然回首,那人却在灯火阑珊处”的意味。1996年,约翰·奥沙利文和CSIRO的团队将当时的技术改进后应用在了计算机网络传输技术上[16],成为了现近无线局域网通用标准802.11的一部分。
 
所以,每当你用WiFi刷微信朋友圈的时候,可不要忘记天文学家的贡献哦!
►图四:澳大利亚最大的射电望远镜,曾于阿波罗11号登月时负责图像信号接收[17],位于Parkes天文台,该望远镜隶属于CSIRO[18]
 
天文学给我们的惊喜:这么近、那么远
 
天文学是一个从精密仪器的设计制造,到观测和数据处理,再到物理理论研究的学科。为了得到宇宙星辰更真实、更准确的信息,必须不断地将每一个环节推向人类知识和技术的极限:表面更加光滑的镜片、更加精确的跟踪系统、消除图像处理上的噪声、优化数据计算的算法、理论公式上的小修补……每一项小的突破不仅促成了科学的不少进步,也拓展了人类的认识水平。
 
而这座知识的宝库,也在不断地给我们平凡生活带来惊喜:Kodak Technical Pan是医学和工业中最常用的一类黑白胶片,最初则是太阳物理学家们制作用来记录太阳表面结构变化的;2009年的诺贝尔物理学奖授予了发明CCD的Willard S.Boyle和George E.Smith,而CCD最初就是用在天文望远镜上代替胶片进行成像的;著名计算机语言Fortran最初是由在 National Radio Astronomy Observatory(NRAO)工作的Charles H. Moore为Kitt Peak望远镜设计开发的;射电天文学家Martin Ryle在1946年革命性地改进了射电望远镜的成像系统(aperture synthesis),这项技术现在就应用在医院中的CT、MRI和PET这些扫描仪器中;机场和火车站的安检设备上用到了X射线望远镜的技术;当初为火星任务设计的一种气体色谱仪,正在机场中用作检查毒品和炸药;NASA制造的一种低功率X射线扫描仪正应用在医院门诊中检查运动创伤[19]。
 
随着特效技术进步,越来越多的电影也从天文学中寻找灵感,或是直接向科研人员取材;斩获雨果奖的畅销小说《三体》构建了一个以现代物理学和天体物理学为起点并延续到时间尽头的科幻世界;那些由专业仪器或是爱好者所拍摄的星空、银河、宇宙深处是不是也展示出了别样而壮丽的美感呢?
 
我们很多人谈及天文,总是认为它是那么地遥不可及。然而,如此“遥远的天文”对我们所产生的影响却是如此之近。我们驱车前往海边,潮水退去后,小侄子捡到了他喜欢的贝壳。这个关于大海的作业获了奖,家人们无比喜悦地分享着照片和老师为小朋友们颁奖的视频......
 
和其它自然科学的学科一样,天文学其实并不神秘,它浪漫而又真实,既在宇宙的彼端,也在我们的掌中,在探索自然之哲学的同时,于岁月中又给我们带来了无数意想不到的美好。
 
参考文献:
[1] Hughes,D.W., Measuring the Moon's mass (125thAnniversaryReview), The Observatory, Vol.122, p.61,2002Obs...122...61H.
[2] Principia, Book3, Proposition37, Problem18.
[3] 图片来源:http://www2.cdstm.cn/Mediumfile/C.1_image/20070712/246FB776-A8AA-49BB-A77A-A56F7F2D782F_1_pic.jpg
[4] First page from the manuscript explaining the general theory of relativity,
AlbertEinstein, 1915-16, 图片来源:http://www.alberteinstein.info/gallery/gtext3.html
[5] GPS and Relativity. Astronomy. ohio-state.edu. [2011-11-06].
[6] "The MKI and the discovery of Quasars". Jodrell Bank Observatory. Retrieved 2006-11-23.
[7] Thomsen, D.E.(Jun20,1987). "End of the World: You Won't Feel a Thing". ScienceNews. Society for Science & the Public. 131(25):391. JSTOR 3971408. doi:10.2307/3971408.
[8] "Our Activities". European Space Agency. Retrieved 3 October 2014.
[9] Matthews, ThomasA. ; Sandage, Allan R. (1963). "OpticalI dentification of 3c48, 3c196, and 3c286 with Stellar Objects".  Astrophysical Journal. 138:30–56. Bibcode:1963ApJ...138...30M. doi:10.1086/147615.
[10] Wallace, Philip Russell(1991). Physics: Imagination and Reality. ISBN 9789971509293.Retrieved 8 May 2013.
[11] Shields, Gregory A.(1999). "ABRIEFHI STORY OF AGN". The Publications of the Astronomical Society of the Pacific. 111 (760):661–678. Bibcode:1999PASP..111..661S.arXiv:astro-ph/9903401 doi:10.1086/316378. Retrieved 3 October 2014.
[12] "IERS Technical Note No.35: The Second Realization of the International Celestial Reference Frame by Very Long Baseline Interferometry" (PDF). International Earth Rotation and Reference Systems Service(IERS). Retrieved 5 April 2014.
[13] 图片来源:https://thesciencegeek.org/2017/01/29/gps/
[14] "Best image of bright quasar 3C273". ESA/Hubble Picture of the Week. Retrieved 20 November 2013.
[15] Hamaker, J.P.; O'Sullivan, J.D.; Noordam, J.E.(1977), "Image sharpness, Fourier optics, and redundant-spacing interferometry", J.Opt.Soc.Am., 67 (8):1122–1123, doi:10.1364/JOSA.67.001122.
[16] Older WiFi implementations which only support 802.11b do not use patented technology.
[17]Robertson, Peter(9 February 2010).  "40 Years of The Dish".  ABCScience.  ABC.Retrieved 16 June 2014.
[18] The 64m radio telescope at ParkesObservatory as seen in 1969, when it received signals from the Apollo11 Moon Landing, 图片来源与许可:http://www.scienceimage.csiro.au/
[19] Astronomy in Everyday Life, Marissa Rosenberg, Pedro Russo(EU-UNAWE, Leiden Observatory/LeidenUniversity, TheNetherlands), Georgia Bladon, Lars Lindberg Christensen(ESO,Germany), https://www.iau.org/public/themes/astronomy_in_everyday_life/
[20] Universe in my hand, by lymblack, https://lymblack.deviantart.com/art/Universe-in-my-hand-318332642.
 
作者简介:
李坦达,悉尼大学物理系博士后。2013年毕业于北京师范大学天文系,研究方向:恒星结构与演化、星震学、恒星转动与磁活动。
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