多普勒效应:天文观测的有力手段

2014年4月8日

    多普勒效应(Doppler effect)这一普遍的物理现象在寻找马航失联客机中大出风头。专业人员利用这个效应从极为有限的数个飞机和海事卫星的自动握手信号频率微小的变化中分析出飞机的飞行方向,并结合合理的飞机飞行参数的假设,判断出飞机坠海的大致区域,成为目前飞机下落最重要的线索。多普勒效应在天文上的应用更为广泛,是许多天文观测不可缺少的手段。

    多普勒效应是指如果信号源和信号接收器之间有相对运动,那么接收端接收到信号源发出的信号频率将发生变化:两者相向运动则频率增加,反向运动则频率降低。对声波的多普勒效应我们都有体验,如火车呼啸而过,就是当火车先驶近观测者时鸣笛声波频率增加,音调变高,而等火车驶过观测者后,火车和观测者之间的相向运动突然变为反向运动,从而鸣笛声波频率骤然变低,音调变低沉。这个现象的根本原因是当声源向静止的观测者运动时,声源发出的声波波长被压缩了,或者当观测者向静止的声源运动时,声速增加了,而频率=声速/波长,所以只要两者相向运动,结果都是频率增加。通过声波频率的变化,就可以计算出声源相对于观测者的运动速度。无线电波、光等电磁波也有类似的多普勒效应,但是因为电磁波以光速传播无需媒介,需要考虑相对论效应,所以具体的频率变化和相对运动速度的关系与声波有些不同。生活中应用多普勒效应的例子很多:交通警用这个原理来测量车辆是否超速;医疗上用的彩超也是通过它测出血管里血液流动的方向再用不同颜色显示出来,可以帮助判断静脉还是动脉以及诊断血管病变等;气象观测上,气象雷达可以测出云层的运动速度。

天文观测上,通过多普勒效应得到远处天体相对地球上的观测者的相对运动速度显得特别有意义,尤其是对观测太阳系以外遥远的天体,它们在地球上的观测者看起来几乎就是恒定不动的,而很难直接观测到它们的运动情况。恒星发出的连续频率的光在穿越它们自身的大气时,某些频率的光会被大气中的元素所吸收而在与这些元素对应的特征频率上形成暗线;或者恒星表面的高温等离子体本身就能发出所含元素特征频率的光,可以被光谱仪检测出。通过对这些频率分布的分析,可以反推恒星的元素构成。第二号元素氦就是通过研究日全食时日珥(太阳表面喷出的高温等离子体)的未知光谱时首次发现的。氦只稀少地存在于地球岩层里,却广泛存在于太阳中。

    实际上远处星体某元素发出的光谱和地球上测得的同一元素的光谱相比往往有整体的移动,一个最主要的原因就是星体和地球有相对运动。根据多普勒效应,如果星体朝着地球运动,光谱线就会整体向高频移动,而可见光中蓝光有比较高的频率,红光有比较低的频率,因此这种移动被称作蓝移;相反地,如果星体背离地球运动,光谱线就会整体向低频移动,称作红移。根据光谱移动的大小可以推算出被测星体相对地球运动的速度和方向。1920年代哈勃(Hubble)观测到一个令人震惊的现象,就是遥远的星体的光谱都是红移的,而且离地球越远红移量越大。利用多普勒效应换算成相对速度后,他发现遥远的星体离我们而去的速度与它们离我们的距离成正比。这表明宇宙正在膨胀,如果用观测到的速度距离关系反推回去,可以算出宇宙的年龄,并暗示宇宙是从一个点开始不断膨胀达到今天的大小的,这给出了宇宙大爆炸模型的第一个证据。后来,人们又观测到宇宙微波背景辐射等其它强有力的证据,促使这一模型成为当今科学界唯一公认的宇宙模型。

两颗恒星相互绕行形成双星系统(Binary star)是宇宙中很常见的恒星系统,也是天文学上很喜欢研究的系统,因为通过对双星的绕行的观测可以得到其中恒星的质量等参数,还可以帮助揭示恒星的形成和演化。夜晚最明亮的恒星天狼星就有一个很暗的伴星,是当年观测到天狼星波浪状的运行轨迹时发现的。另有许多双星系统是通过研究它们的光谱频率周期性的漂移而发现的,而被称为分光双星(Spectroscopic binary)。大多数情形下,一个双星系统的互绕运动平面不垂直于我们的观测方向,同一时刻这两颗恒星,在除去它们的共同运动后,相对地球的运动方向总是相反的:一颗星朝向我们运动(相应光谱蓝移)而另一颗星背离我们运动(相应光谱红移)。这样这个双星系统氢或其它某共有元素光谱的每条谱线都会随着它们的互绕运动周期性地劈裂成两条再融合成一条。该双星的环绕运动速度可以依据劈裂的大小和周期判断。对于遥远的双星或两星距离很近时,分光双星比直接观测到双星运动轨迹变化更有优势。类似的原理也被用于观测太阳系以外的行星系统。尽管行星自身不发光,但它们的引力会引起它们所环绕的远处恒星运行速度发生周期性的变化,导致其光谱周期性的频移,从而可推知这颗行星的存在和恒星的质量、轨道周期等参数。目前已发现上百个这样的行星系统,上千颗行星,包括上百颗类似地球大小的行星,其中的数颗与它们的恒星距离适中,可能有液体水存在,有可能栖息着生命。这是当前天文观测中一项热门的研究。

    太阳系中除了八大行星以外还存在数以万计的小行星、彗星等小个天体,大小从数百米到数百千米不等,其中相当数量存在于火星和木星轨道之间的小行星带。由于其它大行星尤其是木星的引力作用,它们有些会离开小行星带而运行到与地球轨道相交叉的轨道上,给地球带来威胁。科学界普遍认为,在地球上盛极一时的恐龙的灭绝就是因为6500万年前一颗直径约十多千米的小行星撞击在墨西哥湾引起地球剧烈的气候变化导致的。类似的天地大冲撞如果发生在今天将会给人类文明带来毁灭性的灾难。为此人们正在建立近地小行星的数据库,预警那些可能给地球带来威胁的星体。可是小行星个头太小,自身又不发光,即使是地面上最大的光学望远镜和空间的哈勃望远镜也无法分辨小行星的个头和形状;发射飞船到每个有威胁的星体去既费时又不经济。好在人类发明了雷达天文学(Radio astronomy),能在多普勒效应的帮助下踹摩出小行星的个头、形状以及运动状态。它的原理是:地面上的大型射电望远镜向小行星发出单一频率的短脉冲微波(类似飞机黑匣子的水下定位声波信号)并接收被小行星反射回的微波;以恒定的光速传播的微波被小行星上距离地球不同的各点反射,回波到达望远镜的时间将有不同的延迟;另一方面,通常小行星都会有绕自身某个轴的自转,结果小行星上的各点有相对地球的不同速度,于是这些回波的频率在小行星不同部位的反射下,会产生不同的频移。这样可以形成一幅时延多普勒影像(Delay-Doppler image),以多普勒频移为横轴,回波时延为纵轴,影像各点的明暗反应回波的强度。借以合理的几何模型,这个小行星的形状、大小和运动状态就可以完全被推测出来。世界上最大的射电望远镜,位于波多黎各的阿雷西博望远镜(Arecibo observatory),口径达305米,曾用这项技术多次观测过不少小行星,并建立了三维模型。其中4179号小行星,推测出来的大小约4.5×2.4×1.9千米呈哑铃型,2004年曾飞临离地球仅150万千米,约地球到月球距离的四倍。它以后还会周期性地飞临地球,对人类的威胁相当大。我国嫦娥二号飞船在成功完成既定的探月任务后于2012年飞临距该小行星仅3.2千米处拍摄了分辨率达10米的照片,是人类首次如此近距离地观察小行星。雷达天文学给出的三维模型和实拍照片符合得相当好。

    寻找地球以外的生命一直是人类太空探索的重要任务。液态水是已知生命存在的必要条件,因而人们对地球以外有液态水的星体尤其感兴趣。地球以外人类已知的大星体中,木卫二(Europa)和土卫二(Enceladus)已证实存在液态水。其中后者的证实得归功于多普勒效应。当前正在土星及其卫星间穿棱的卡西尼(Cassini)飞船曾多次飞越土卫二并取样分析了从它南极附近喷发出的物质,发现其中含有水,并暗示其表面冰盖下有液态水存在。如果土卫二是均匀的球体,卡西尼飞船可以在以匀速环绕土卫二的圆形轨道上飞行;如果土卫二内部不均匀,比如南极下有液态的水存在,那么由于水和组成土卫二的其它物质密度的差异,土卫二周围的引力分布将是不均匀的,这将导致卡西尼飞船的速度发生细微的变化而不再是匀速。根据多普勒效应,卡西尼飞船发回地球的无线电波频率也会随着它飞行速度的起伏而变化。目前通过多普勒效应对速度起伏的测量精度为每秒0.020.09毫米,而测得的卡西尼飞船的速度起伏超过每秒0.2毫米,排除非引力因素(如太阳光的影响)并结合合理的假设,就可推知在土卫二南极冰盖3040千米以下有一层约10千米厚的液态水存在。

    看到这里,你是不是也要为多普勒效应在天文观测中所作的贡献而惊叹呢?

嗅觉的奥秘

2011年5月24日

从生活经验中人类很早就正确地认识到,气味是人的嗅觉对不同化学物质的反应。我们只能闻到气态的物质,因而有气味的化学物质的一般都是小分子,在常温下一般是气态或有较强的挥发性。可究竟人的嗅觉是怎样分辨不同的气味,至今仍是一个没有完全解开的迷。这个看起来似乎对现代人不那么重要的感观竟消耗了人所有基因的3%来形成,人身体的所有其它系统中只有对生理活动至关重要的免疫系统才能与之相比拟,需要耗费如此庞大的资源。众多的基因参与形成嗅觉功能足以说明嗅觉本身的复杂性,也表明在人的进化历史中,它曾扮演过举足轻重的角色。

嗅觉研究上一个里程碑式的工作是1991年美国神经科学家阿克塞尔(Richard Axel)和生物学家巴克(Linda Buck)合作发现了支配嗅觉感受器的基因,以及与每一个基因相对应的嗅觉感受器。人的鼻腔上方拇指盖大小的地方共有347种嗅觉感受器,能感受吸附到它们上面的化学分子,再在人脑中综合形成人可以辨别出约一万种气味的能力。两人因此分享了2004年诺贝尔生理学或医学奖。

粗看起来这很像人的视觉对颜色的分辨。人的视网膜上有三种对颜色敏感的感光细胞,每一种分别对红、绿、蓝这三原色光中的一种敏感。不同颜色的光本质上有不同的波长,可分别对这三种细胞产生不同强度的刺激,再在人脑中综合形成千万种颜色。今天各种彩色显示、打印和印刷技术都是利用人感知颜色的这种机制,可以只用三、四种单色的显示象素或油墨来复现多彩斑斓的世界。可是人嗅觉感受器的种类是感光细胞的上百倍,而且各种气味分子的结构可以相当复杂,远非像光的颜色那样用波长这一个数字就可以描述,总之很难把人所能分辨的一万种气味用347个字母来编码。

早在嗅觉感受器被发现之前的上个世纪四十年代,著名美国化学家鲍林(Linus Pauling)就曾猜测嗅觉感知的是气味分子的形状。这是很自然的想法,人体的很多功能就是靠这个机制来实现的,比如人体免疫系统就是通过抗体与入侵的病毒或细菌的形状相匹配来识别并消灭它们的。嗅觉感受器发现后,更多的人包括阿克塞尔和巴克都支持这个想法:在嗅觉感受器上有可以识别不同形状分子的结构,就象不同的锁一样,而气味分子就像一把把钥匙,只可以打开与之相配的锁,对特定的嗅觉感受器产生刺激。总共347种嗅觉感受器为了能区分上万种不同的气味,许多种感受器一定要对多种分子形状产生响应,并且许多分子能刺激不只一种感受器,每一种感受器就像瞎子摸象一样对气味分子的一部分产生感觉,人脑再综合所有感受器的刺激产生嗅觉。

这个嗅觉的形状理论可以解释为什么拥有相同基团的分子有相似的气味,那是因为同一基团的形状在不同的分子中是几乎一样的。比如人可饮用的酒精(主要成分是乙醇)和工业酒精(主要成分是甲醇)都含有羟基(–OH)基团,气味接近,人们无法通过闻它们的气味来区分以避免饮入剧毒的甲醇。但有很多形状相近分子的气味却是迥异的。把乙醇分子中的氧替换成硫就成为乙硫醇,它完全没有了酒精的香味,取而代之的是强烈的臭鸡蛋味,因而常被特意微量地加入到无味而有毒的民用天然气或煤气中,以便一旦发生燃气泄漏,它那令人不愉快的气味可以立刻警告用户。乙硫醇和乙醇分子的形状很接近,但气味却大相径庭,这很难用只在乎分子形状的嗅觉理论解释通。另有一对分子更加奇妙,二茂铁和二茂镍,分别是一个铁原子和一个镍原子像汉堡包肉饼一样被夹在两个由五个碳组成的环状的面包中。铁和镍大小很接近,于是这两个分子的形状也十分接近,但它们的气味却有显著的差别。显然,差别应该是来源于嵌于分子中间不同的金属原子。看来嗅觉中一定存在一个机制可以探测到分子的内部状况,而不可能仅仅只取决于分子的形状。除了形状,分子还有其它什么特性可以被闻到呢?

组成分子的原子,就像一个个的球(原子)被两两之间的弹簧(化学健)联接在一起。在把物体挂上弹簧称时我们会观察到物体的上下振动,类似的,分子中的每个原子被与它周围其它原子形成的化学键牵着,被激发后也会围绕它的中心位置振动;并且这个振动具有一定的频率,取决于该原子的质量和它周围化学健的强度。用与分子振动频率相同的光(一般是红外线)照射分子可以激发它的振动,而光也就被分子吸收了。现代化学分析中常用红外光谱仪测量待测分子对不同频率红外光的吸收,来得到分子的振动频率,从而反过来推测这个分子的结构。

早在上世纪二三十年代,戴逊(Malcolm Dyson)就大胆地猜想嗅觉是通过对气味分子振动的探测来区分不同化学物质的,后来莱特(Robert Wright)等人的工作更推动了嗅觉振动理论的发展。但是在鼻腔极其有限的空间里到哪里去找打印机大小的红外光谱仪呢?更何况人体内几乎无处不在的水会强烈地吸收红外线而干扰测量,嗅觉不太可能用红外光谱的方法来检测分子。就这样嗅觉振动理论被人们暂时淡忘了,直到上世纪九十年代一位香水大师把量子物理应用到嗅觉机制的研究中。

很多科学家都有着与他们的研究不直接相关的业余爱好,尤其是在艺术方面,像爱因斯坦爱好拉小提琴,李政道喜欢画水墨画。麻省理工学院生物物理学教授都灵(Luca Turin)的爱好——品香水——却成为他探索嗅觉机制的有力武器。都灵曾写过一本小册子《香水指南》,详细介绍市面上各种香水的气味特征,还经常在香水杂志上发表专栏文章评论香水。他擅长用各种名词描述不同香水的气味特征,并常常站在科学的角度上。因为这些著作,他曾引起著名香水公司的注意,受邀参观他们的实验室。这更使他了解到目前国际上开发新的气味分子,因为没有可以依赖的嗅觉机制,只有全凭气味化学家们的经验和大量反复的实验。每个大香水公司都有庞大而保密的化学物质气味数据库,雇佣大量有经验的化学工作者和香水调配师完成新香水的设计、合成和调配。大约平均每合成一千种新的气味分子中只有一种可以配成香水上市。而找到一个芬芳宜人、合成便宜、无毒副作用,能配出像香奈尔5号香水那样的气味分子,更多的是靠运气。如果搞清楚了人嗅觉对各种分子是怎么反应的,就可以算出一个新分子的气味而不必等到合成出这个分子,或者按照气味的需要设计出分子再去合成它,以节省大量的时间和金钱。对香水气味的痴迷促使都灵投入到嗅觉机制的研究中。基于形状理论的明显缺陷,都灵敏锐的嗅觉让他意识到只有振动理论才可能是嗅觉的机制。他开始进一步寻求支持这一理论的证据。

前面提到的硫醇分子中含有巯基(–SH),是由一个硫原子和一个氢原子组成的分子基团。带有巯基的分子闻起来都有强烈的臭鸡蛋味,这给了都灵一个极好的证实振动理论的机会:要找到一个不含巯基的分子,却含另一个与巯基有相同振动频率的基团,而且闻起来也有臭鸡蛋味。都灵用计算机算出巯基的振动频率,发现惟有硼氢键具有与之几乎完全相同的振动频率。常见含硼氢键的物质硼烷自然界本不存在。1912年,首次合成硼烷的德国化学家斯托克(Stock)记录到,它有强烈的令人反感的像硫化氢的气味。大家都知道硫化氢含有巯基并且闻起来就是臭鸡蛋味。这正是都灵想要的结果:两种具有完全不同化学组成的分子形状不同却有相似的气味,而他们恰恰都含有相同振动频率的化学键,这强烈地暗示着气味和分子振动频率有着密切的关系。

另一个支持振动理论且明显违背形状理论的例子是昆虫可以闻出不同的同位素分子。我们知道,组成分子的原子是由原子核和核外电子组成,而原子核由质子和中子组成,质子的数目决定了这个原子在元素周期表上的位置,质子数目相同但中子数目不同的原子核互为同位素。元素的化学性质只取决于原子核中质子的数目,而与中子的数目无关。海水中的氢元素只有两种同位素:原子核中含一个质子不含中子的普通氢(占绝大部分)和原子核里含质子和中子各一个的重氢(占1/6400)。质子和中子的质量相近且是电子质量的约两千倍,因而重氢的质量大约是普通氢的两倍。如果把一个分子中的普通氢原子替换成重氢原子,虽然这两个分子会有几乎一样的大小、形状、结构和化学健,但是因为普通氢和重氢的质量相差一倍,所以重氢原子的振动频率将大约只有被替换的普通氢原子的70%。实验发现,果蝇对同样浓度下的普通乙酰苯和把它的八个普通氢原子部分或全部替换成重氢的重氢化乙酰苯的反应有相当大的差异:在一个T型迷宫的两端分别放置上空气和普通乙酰苯,让几百只果蝇选择从其中一端出走,结果选择普通乙酰苯这端的比空气端的多约18%,因为它们比较喜欢乙酰苯的气味;但当把普通乙酰苯替换成有三个氢原子重氢化的乙酰苯后,这一比例明显降低;而当换成所有八个氢原子都重氢化的乙酰苯后,选择走空气一端的果蝇反而比乙酰苯一端的多14%。由此可见,果蝇可以闻出同位素分子间的差异。这对振动理论来说顺理成章的事,用形状理论却是完全无法解释的。类似的实验也曾用人试过,但结果不确定,一部分人觉得两种同位素分子有不同的气味,另一部分人则不觉得气味有什么不同。这可能与人的嗅觉相较很多动物来说不太灵敏并且容易被许多心理因素干扰有关,而并不能排除振动理论的正确性。

虽然都灵对振动理论早已坚信不疑,但是究竟用什么方法可以无需用光来检测分子的振动呢?一个偶然的机会使都灵接触到了非弹性电子隧道效应,它无需任何光谱测量却能在纳米尺度下探测分子的振动,也许这就是都灵朝思暮想的嗅觉机制?非弹性电子隧道效应是一种量子效应,往往只有在是头发丝直径万分之一大小的纳米尺度下才显著。好在纳米尺度在生物体内比比皆是,比如嗅觉传感器上感受气味分子的很多蛋白质就只有几个纳米的大小。人们知道电子能在导线中运动形成电流,如果导线被打断,电子就无法通过而不能形成电流,这是在电子隧道效应被发现以前对电子运动的传统认识。1958年川崎(Leo Esaki)发现,即使导线被打断,只要断开的间隔距离很小,不超过几个纳米,电子就能跨过间隔,电流还能继续。就好像有一条隧道让电子穿越了阻挡在它前进路上的大山,故称之为隧道效应。这是因为电子的量子效应使得导线中的电子有一定的几率存在于自己所处的那段导线以外,包括在间隔另一侧的导线中。川崎因此与后来发现超导体中单电子隧道效应的贾埃弗(Ivar Giaever)和电子对隧道效应的约瑟夫森(Brian Josephson)分享了1973年诺贝尔物理学奖。另外,如果导线的间隔中什么也没有,电子在穿越后会保持原来的能量,称为弹性电子隧道效应,就像自由下落的乒乓球可以从富有弹性的球台上反弹回几乎和落下前一样的高度;但如果间隔中有个分子存在,电子在穿越中可以释放出与这个分子振动相应的能量来激发它的振动,称为非弹性电子隧道效应,就像乒乓球落到泥地里只能弹回得比落下前低,因为乒乓球的能量在碰撞中转给泥了。如果测量通过导线的电流和导线两端电压(反映了电子能量的损失)的关系就可以得到间隔中这个分子的振动信息。这就是兰姆(John Lambe)和杰克莱维克(Robert Jaklevic)于1968年首次实验发现的非弹性电子隧道效应,并用来检测分子的振动谱。

下一个要回答的问题是,非弹性电子隧道效应能否在生物体内实现?生物电源、导电的蛋白质在生物体内都可以实现。在都灵工作的基础上,生物学家和物理学家合作进一步提出了一个模型可以在生物体内实现非弹性电子隧道效应而不违背任何物理和生物的规律。需要注意的是,与已知规律不矛盾并不表明非弹性电子隧道效应一定就是嗅觉检测分子振动的手段,最终的证实还有待于发现嗅觉感觉器和气味分子到底是怎样相互作用的。另外分子要被闻到首先必须被嗅觉感受器抓住,这就和这个分子的结构与嗅觉感受器结构匹配有关了。在这个意义上,分子的形状会影响气味的强弱,形状理论也不是完全没有道理。

尽管要完全揭示嗅觉的奥秘还有大量的研究工作要做,嗅觉的振动理论已经在指导合成新的气味分子上取得了成功:一家都灵做技术总监的公司平均每合成一百个分子就有一个可以用在新香水中,效率是传统方法的十倍。现在几乎可以肯定地说,嗅觉和其它两大感观视觉和听觉一样,也是一种对振动的感知,只不过不是光波和声波的振动,而是分子的振动。


主要参考资料:

Brookes, Jennifer C.; Filio Hartoutsiou, Andrew P. Horsfield, and A. Marshall Stoneham (2007-01-16). “Could Humans Recognize Odor by Phonon Assisted Tunneling?”. Physical Review Letters (APS) 98 (038101): 038101. arXiv:physics/0611205. Bibcode 2007PhRvL..98c8101B. doi:10.1103/PhysRevLett.98.038101. PMID 17358733.

Burr, Chandler (2002). The Emperor of Scent: A Story of Perfume, Obsession, and the Last Mystery of the Senses. New York: Random House. ISBN 0-375-50797-3.

Franco, M. I., Turin, L., Mershin, A. & Skoulakis, E. M. C. (2011). “Molecular vibration-sensing component in Drosophila melanogaster olfaction”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA 108 (9): 3797–3802. doi:10.1073/pnas.1012293108. PMC 3048096. PMID 21321219.

Turin, L (1996). “A spectroscopic mechanism for primary olfactory reception”. Chem. Senses 21 (6): 773–91. doi:10.1093/chemse/21.6.773. PMID 8985605.

Turin, Luca (2006). The Secret of Scent: Adventures in Perfume and the Science of Smell. New York: Ecco. ISBN 0-06-113383-3.

Nobel Prize website: http://nobelprize.org

Vibration theory of olfaction at Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Vibration_theory_of_olfaction

转动的物体

2009年11月1日

我们的生活中处处可见转动的物体,如车轮、螺旋桨、陀螺、足球、地球等,它们的运动呈现出一些有趣的性质。

先做一个简单的实验:取长>宽>厚的一本书(最好用橡皮筋扎起以免书页翻动影响实验效果),在空中让其分别绕它的与长宽高相平行的对称轴旋转。你会发现这本书可以绕与长边或厚度的方向相平行的轴稳定地旋转,但当绕与宽边相平行的轴旋转时,无论多么小心地开始,书的转动总是不稳定,不一会儿就翻转成绕另外两个对称轴中的某一个转去。这是刚性的物体作旋转运动的一个普遍规律:绕最长或最短的轴的旋转是稳定的,而绕中间长度的轴旋转是不稳定的。这就类似一粒围棋子很难立在碗口边沿,总要落至碗底才稳定一样。

我们见过孩子们玩的陀螺,在高速转动下它可以立在地面上不倾倒,而且用鞭子抽它给它加速时也不会把它带倒,只是有时候把它的旋转轴抽得倾斜于地面,细心的人会发现这时旋转轴也开始绕垂直于地面的轴旋转,有时还伴随着旋转轴周期性的“点头”运动。这是因为这时地球的引力给倾斜的陀螺产生一个力矩,如果陀螺不旋转,这个力矩自然会使它翻倒,但是如果陀螺高速地旋转,这个力矩只能改变它旋转的方向,形成倾斜的旋转轴绕垂直轴的转动,但大致上还是保持转动的方向不变。

从上面的例子中可以看到旋转的物体有保持旋转方向的稳定性,人们可以通过有意使物体自转来防止外界的扰动可能造成的不可预料的翻转。生活中这样的例子比比皆是:自行车、小孩玩的铁环、硬币可以在平面上滚动而不倾倒;现代枪管壁中都特意加工有一组螺旋型的凹槽——镗线,可以让发射出的子弹自动沿中心轴自转,以免各种扰动使子弹胡乱翻滚、在空气中像“香蕉球”那样偏离行进的方向或引起湍流产生巨大阻力而影响精度和射程;体育运动中的飞盘、美式橄榄球、飞碟也都是一边绕着自己的对称轴自旋一边前进,才飞得又远又准。

在全球卫星定位系统(GPS)发明以前,或是在无法接收GPS卫星信号的水底和地下,高速旋转的陀螺都是很好的导航工具。指南针虽然可以利用地球的磁场确定方向,但是它有不少缺点。首先它只能指示地球的磁极方位,这和地理的两极有差异造成不便;其次由于地核的运动,地球磁极总是在不停地漂移,近150年来总共已漂移了上千公里,因而难以靠地磁场精确导航;另外指南针易受其周围铁磁性物体,如船体的影响,也给应用带来困难。船上使用的陀螺方位仪是在一个封闭的球中有飞速旋转的陀螺,陀螺的旋转轴在重力作用下始终保持在水平面内,整个球漂浮在液体中可以自由旋转。因为陀螺有保持旋转方向不变的特性,所以不论轮船向什么方向行驶,陀螺的旋转轴的方向都是固定的。另外由于地球自转的缘故,这个陀螺只有在其旋转轴指向正北时能量最低,也就是处于最稳定的状态,于是陀螺开启一段时间后,它的旋转轴就指向正北,并保持在这个方向,起到导航的作用。

转动的物体不易改变旋转方向的特性有时也会带来麻烦。既然这个旋转的方向很难改变,如果硬要改变它,一定要用很大的力,一般这个力是通过轴承加在这个转动的物体如轮子上的。于是强行改变物体转动方向时,轴承会受到很大力,它和物体的转速及改变转动轴方向的快慢成正比。计算机的硬盘里就有高速旋转的盘片,如果翻转得过快,就有可能损坏硬盘的轴承。所以建议读者挪动正在工作的笔记本和移动硬盘时尽量平行移动而不要翻转它们,如果必须要翻转也要慢慢地进行。

理解和掌握转动的物体的特性对于体操、跳水、花样滑冰等需要运动员空中肢体旋转的体育项目也是必不可少的, 才能完成“直体后空翻两周加纵轴转体720度”这样的动作。

 

日全食为科学研究带来机遇

2009年7月20日

今年是天文学家们值得庆贺的一年。它是联合国命名的国际天文年,以纪念400年前人类(伽利略)第一次将望远镜对着天空,标志着近代天文学研究的开始。另一值得纪念的是40年前人类第一次登上另一个星体(阿波罗11号登月),拉开了人类征服宇宙的序幕。在这一年,四川盆地和长江中下游的居民们也特别幸运,722日将有幸看到日全食。届时,如果天气良好,中国将有2亿人看到这一自然奇观,这次日全食将成为有史以来目击者最多的一次。尽管地球上平均每18个月就有一次日全食,但是在同一地点观察到日全食平均每350年才有一次。下一次得到2035年日全食才会再次光临中国,北京和某些华北、西北地区的居民26年后才可以大饱眼福。

太阳对人类的生活休戚相关,是天文学上的一个重要课题,可是对太阳大气的研究却受制于太阳的光球(人肉眼所见的发光的部分)发出的强烈光芒。太阳的大气由发光较暗的色球(光球以外约2千公里厚)和日冕(色球以外数百万公里厚)组成。平时它们因为被光球耀眼的光芒所掩盖难以观测;日全食发生时,月球正好处于太阳和地球的中间,其大小正好遮住太阳的光球,太阳的大气就可以通过地面上的大型设备仔细观测了。人们正是于1868年日全食时,在对太阳色球的光谱分析中发现了氦元素,这比第一次从地球上分离出氦来早了27年。太阳光球表面温度约5500摄氏度,但日冕内温度陡增到1百万摄氏度,是什么机制产生的能量?对此科学上目前还没有公认的解释,有证据表明这与太阳强大的磁场有关。日全食也为研究太阳的磁场提供了方便。太阳喷射出的带电粒子在磁场作用下偏转,可以被观测到,从而间接地发映了那里磁场的强度和方向。另外,日全食时靠近太阳、平时不易观测的星体有可能被发现。尽管历史上对日全食的多次观测都没有发现水星以内的行星,但是它依然为观测飞临太阳的彗星等其它星体提供了难得的机遇。

今天随着太空探测技术的发展,虽然人们可以利用太空望远镜中的特殊装置,遮挡太阳光球的光,随时观测太阳大气和靠近太阳的星体,但是大型地面望远镜的高分辨率和灵活更新配置的优势使得日全食时的地面观测仍然是研究太阳的重要手段。既然人类早已能够精确预测数百年以后日全食发生的时间和地点,提前做好研究准备工作不成问题——数个国内国际知名的科学研究小组早已齐聚长江中下游,争取抓住这次日全食的机遇。下面所要谈的观测条件是只有日全食才可以创造的。

一种理论提出引力是由粒子为媒介的,但这种粒子的存在至今还没有被公认的实验所证实。如果引力粒子子存在,在日全食时,月球就可能阻碍在太阳和地球间传播的引力粒子,它会影响地球的引力,而被地球表面的重力仪测量到。我国科学家在1997年黑龙江漠河的日全食实验中,并没有发现在太阳被月球全部遮住时地球重力有超出所用重力仪精度的变化,但是在日全食刚开始和就要结束的时候,地球重力发生明显的变化。具体的原因尚在研究中,希望在这次日全食实验中使用更灵敏的重力仪作更精密的测量,人们或许能够知道答案。

地球上的很多生命都受到昼夜更替周期性的影响。在日全食给大白天带来短暂黑暗的过程中,动物行为的变化成为一个有趣的课题。对几种水鸟的研究发现,它们把这个短暂的黑暗当作日落而急冲冲结束觅食回巢,等黑暗过去一段时间后它们才重新出来。看来这几种鸟是靠看天色作息而没有时间观念的,当然它们心里有没有犯嘀咕我们就不知道了。相反,对奶牛的研究表明,日全食对它们的进食和反刍几乎没有什么影响。看来动物对光照的反应很不相同。

太阳对地球的影响除了通过光和引力以外还有高能量的带电粒子,即太阳风。通常认为太阳风会破坏保护地球生命免受紫外线袭击的臭氧层,但是由于地球磁场的作用,绝大部分太阳风都被引导至南北两极几乎无人居住的区域。另外远距离的短波通讯依赖地球表面50公里以上的电离层的反射,而太阳风对电离层的干扰是产生短波通讯噪声的主要原因。日全食时,太阳风会被月球部分阻隔而减少到达地球的数量,是研究太阳风对地球影响的难得机遇。

人类是幸运的,在地球表面上看月球和太阳大小差不多,所以我们才能有机会在日全食时仔细观测太阳的大气、临近太阳的天体、太阳引力的变化、太阳风对地球的影响以及地球上生命对此的反应。在地球自转和潮汐的共同作用下,月球的绕地运动被不断加速,月球也就会离地球越来远。大约6亿年后,从地球上看,月球小到无法再遮住整个太阳光球了,取而代之的是日环食,虽然看上去还是很美,但却失去了很多科学研究的特殊条件。

 

人为什么听不见超声波

2009年6月11日

三十年前有部日本电视剧《犬笛》,讲述了一个小女孩可以听见犬笛发出的超声波,她被绑架后,她的父亲和他们的爱犬一起,历尽千辛万苦终于把她救出来的故事。剧情编得很有日本特色,和那时流行的《血疑》等剧一样都是在情感剧中加入一些科学的元素,给刚打开国门的中国观众耳目一新的感觉。无法考证是不是真的有人象剧中的小女孩那样可以听见超声波,但为什么普通人只能听到2020000赫兹的声音,而包括狗、猫、鼠、蝙蝠、海豚、猴子等的大多数哺乳动物却可以听见频率高于20000赫兹的超声波呢?

想比之下,人与其它哺乳动物视觉对光波的敏感频率范围差别倒不大,肉眼可以看见的光谱范围,即可见光谱,波长从380纳米的紫光到740纳米的红光,正好与到达地面的太阳光的主要能量范围一致。并且人眼对大约550纳米的绿光最敏感,这也是太阳光中强度最强的波长。这并不奇怪,视觉是在长期的进化中自然选择的结果,人和其它白天活动为主的哺乳动物看到的周围环境是反射的太阳光,而对其中强度最大的可见光区敏感是最适应生存的选择。

那又是什么条件决定了人听觉的频率范围呢?声源不比太阳光那样简单,没有一个统一的频谱,这也决定了各种动物的听力频率范围会有很大的差异。听觉是动物用来探知猎物和天敌的感官,对于人来说还有语言交流的功能。人听觉频率范围的形成要从声波的物理特性和哺乳动物的进化中找原因。

脊椎动物从鱼进化到可以在陆地上生活的爬行类、鸟类和哺乳类,它们的听觉器官发生了很大的变化。这主要是由于传递声波的媒质发生了巨大的变化:由水变成空气,其密度减小了700倍,声速也小了4倍左右。声波在穿越不同媒质时,会在它们的界面上产生发射,并且这两种媒介的密度和刚性的差异越大,反射的强度就越大,相应地进入下一媒质的声波强度就会越小。为了有效地传递声波,防止它被固体和空气的界面反射而损耗掉,做腹腔超声波检查时常在体表和超声探头间涂上一层胶,并常常要求膀胱充溢,就是这个道理。脊椎动物的身体由水和接近水的密度和刚性的物质构成,水中的鱼可以轻易地听到从水中传来的声音,但对于陆地脊椎动物则需要中耳中特殊的结构来匹配空气和充满液体的声音探测器——内耳之间的差异。这一点哺乳动物做得最好:声波通过空气将振动带给耳膜,再由三块听小骨组成的中耳,通过杠杆原理把声波振动的力度放大数倍;由于最后一块听小骨镫骨与内耳接触的面积较耳膜的面积小,声波振动产生的压强达到内耳时又经过一次放大。经过这样的放大,不同媒质间声波传播的匹配问题就比较好地解决了。爬行类和鸟类的听觉不如哺乳动物,它们只有一块听小骨(另两块小骨还是下颌的一部分,没有进化而移到中耳里),而且它们的内耳较短,不象哺乳动物那样长得绕成蜗形,所以它们听力的高频限很低,爬行类一般不到5000赫兹,鸟类稍强,但也很少有超过10000赫兹的。

能听到频率高的声波有什么好处呢?我们知道频率和波长的乘积等于波速,在一定的媒质里声波的传播速度是一个与常数,比如室温下的空气里大约每秒340米,水中则可达每秒1500米。声波的传播中如果遇到障碍物小于它的波长的话,声波可以绕过这个障碍物继续传播下去,而较少反射回来,这就是波的衍射效应。蝙蝠能够主动发出声波,通过接收猎物反射的回波来判断猎物的方位、大小甚至移动速度的情况。由于波的衍射效应,小于声波波长的猎物反射回的声波就会很少,而难以发现。假设蝙蝠和人一样只能最高听到20000赫兹(波长为1.7厘米),那么它恐怕就会漏掉很多像蚊子大小的飞虫,幸亏它能听到最高120000赫兹(波长为0.28厘米)的超声波,能有机会吃到更多的食物了。人和其它大部分哺乳动物没有蝙蝠的“雷达”定位,只能通过双耳接收到的声音差异被动地判定声源的方位。对频率比较低、波长很长的声波,由于很容易发生衍射,两耳收到相似的声音,只能通过判断声音到达两耳的时间差来确定声源的方位。这种方法受到由神经反应决定的最小时差和双耳间距的限制,方向辨别不是很灵敏,因此家庭影院的“低音炮”不象其它的音箱需要成对放置,一般只有一个,放置的地方也不太讲究,反正人也听不出方位上有什么差别来。当声波频率比较高,波长小于两耳间距时,由于颅骨、耳廓对声波的遮蔽,加上和频率相关的衍射效应的影响,双耳接受到不同强度和品色的声音,它们的差别成为判断声源方位的主要依据。这也是为什么人戴上耳机欣赏音乐时,就没有了颅骨、耳廓对声波的遮蔽而无法重现音乐厅里的感受,只觉得声音出自自己脑袋里的某个地方。看来耳距和动物可以听到声音的频率很有关系。实验发现,大多数哺乳动物的听觉高频极限和耳距呈正比关系。少数偏离此关系的动物除了实验误差以外(让各种动物配合做好实验是不容易的),有些是因为具有硕大而可以移动的耳廓增加了更多的复杂性,还有些是因为特殊的生存环境。比如一种盲鼹鼠虽然有很小的耳距,但是听力高频极限还不如人,因为它们整日生活在地道里,在这个一维世界,只要知道声音是从前面还是后面来的就可以了,在没有自然选择的压力下,它们的听力就象视力一样,退化到够用就行的地步。因为海水中的声速是空气中的近5倍,同样频率的声音在海水中的波长是空气中的5倍,因而和人耳距差不多的海豚,听力却有蝙蝠一样的高频极限。人在哺乳动物中有较大的耳距,因而听力的高频极限也是相对较低的,只高过比人耳距更大的大象等少数动物。

可是为什么哺乳动物耳距和听力高频极限有这样的线性关系呢?物理上,人较大的耳距并不妨碍接收超声波,关键是看具有接收超声波的能力是否对人有很大的好处。人们发现,听力具有较低高频极限的哺乳动物通常也具有较低的低频极限,人们猜测人损失了听力高频极限以获得在低频的补偿,毕竟前面讨论的中耳实现声音的匹配功能是有个最优的频率区域的,不可能高低兼顾,像蝙蝠就无法听到频率低于1000赫兹的声音。是人发展的语言交流选择了人的听觉具有较低的低频极限吗?不可能,因为不会说话的人的近亲黑猩猩也有类似人的听觉极限。人的听觉极限还应该只与定位声源有关。哺乳动物中,人是声源精确定位的佼佼者,可以精确到1度,强于猫(5度)等其它动物,但人只有0.5度的视觉的清晰区域也小于猫(5度)。这符合哺乳动物的生活习性:通常先是通过听觉定位到声源的大致方位,再向这个方位观察。这两个区域大小的相对一致正是自然选择的结果。

 

寻找外星生命

2009年5月26日

自人类文明开始以来,人类对存在于地球以外的生命的猜想和探求就没有停止过。在浩瀚的宇宙中人类是否唯一的智能生命?生命现象是偶然的还是进化的必然?在别的星球上如果存在生命的话,它们是否有着和我们相似的组成和结构?对于这些问题的探索有助于人类了解生命的起源和进化。随着望远镜和太空飞行器的发展,人类已能观测到一百多亿光年远、宇宙形成之初的景象;人造飞行器最远已达到太阳系的边缘;人造探测器已登临太阳系中数个星体;人类的足迹也已踏上月球。尽管至今还未发现生存于地球以外的任何生命形式,但是人类对于生命可以生存的条件的认识以及检测这些条件是否存在的手段无疑是大大地提高了。

人类曾梦想外星生命有着与人类相似或更高等的智能,它们访问过地球,或者如我们一样正努力寻找着它们星球以外的生命。目前飞得离我们最远的旅行者号所载的“地球人的名片”刻画上了地球人的形象、太阳系和我们的语言音乐等,希望有朝一日它被某个智能生命发现后,它们能够知道我们的存在。世界上还有一些组织,如“搜索外星智能研究中心”通过大型射电望远镜搜集来自宇宙深处的无线电信号,并号召全球联网的个人电脑下载屏保程序加入分析其中有没有来自外星的问候(看过朱迪福斯特演的科幻片《接触》或可口可乐广告中科学家们把坐在大望远镜天线上的小孩打的饱嗝当作远方来的“哈喽”的,不会对此感到陌生)。至今,没有任何可信的证据表明我们已收到外星文明的问候,当然这并不否定外星文明的存在,只不过可能时间和空间的距离阻隔了它们与我们的交流。因为外星文明的发展或许会和我们地球上很相似,而地球上发展出能使用无线电通讯的高度文明距今不到一百年,相较地球46亿年的年龄来说只是一瞬间,而生命在地球上已存在了大约35亿年,接近地球的年龄,它们对地球上环境的改造,如产生富氧的大气圈,是可以通过对光谱的测量在遥远的宇宙探测到的。显而易见,即使不考虑所有星球的生命进化出高等智能的可能性有多大,基于一个星球上有生命存在的时间比有高度智能的文明存在的时间要长得多的考虑,人类发现外星生命的几率比发现外星智能的几率要大得多。

过去人们认为,生命离不开水、氧气、适宜的光照和温度等条件,而宇宙中恰巧拥有所有这些条件的星球可能会很少。但通过近年来的研究人类发现,在地球上生命可以存在的区域远比过去的认识广阔得多——在火山地质活跃地区无氧而强酸性的池塘里,万米深渊漆黑一片的海沟下,甚至地下十多公里深处的岩石中都发现有生命,人们开始认识到生命存在的条件没有过去认为的那么苛刻。人们越来越觉得,既然地球形成后短短10多亿年就形成了最早的生命,对于有130多亿年年龄的宇宙来说,生命的存在也许是一件很普遍的事——只要满足某些条件,宇宙中类似于地球的星球上都会进化出生命。寻找类似地球的星球,就成了寻找外星生命的第一步。

探索外星生命首先从太阳系内部开始。我们已经发射了数十个探测器近距离观测那些拥有固体表面且有足够大小的星体包括火星等类地行星和木星、土星等类木行星的大卫星如土卫六等。其中包括发射于上世纪七十年代、目前均已飞抵太阳系边缘的两艘旅行者号宇宙飞船和1997年发射、目前仍在作土星及其卫星探测的卡西尼探测器。有些探测器甚至着陆于星体表面作零距离接触的测量,其中最著名的莫过于至今仍在火星上孜孜不倦地探索着的机遇号和勇气号,和发现土卫六表面有液体流淌的惠更斯探测器。尽管还没有发现有生命存在的证据,但是已有充分证据表明液态的水曾经在火星表面流淌,而目前水以冰的形式存在于地表,或许是溶于水中强酸性的高氯酸阻止了生命的形成,火星大气中发现的甲烷又不得不使人们联想到它可能源于生命。总之还有很多未解之谜,相信在不远的未来,人类可以通过发射探测器或亲自取回火星物质,在地球上做更仔细的分析,就像四十年前人类成功登月后所做的那样,找到火星是否存在或存在过生命的答案。

在太阳系中,星体与太阳的距离适中,其表面液态的水能长期稳定存在的,即处于生命宜居带内的行星只有地球一个。太阳系以外的恒星如果也如我们的太阳一样有行星环绕,它们中可能有一些也处于各自恒星的宜居带,因此寻找太阳系外行星尤其是类似地球大小和公转周期的行星成为寻找外星生命另一重要途径。

1995年起,人们已发现近400个太阳系外行星。近年来,由于人们日益重视此项研究,在观测仪器的不断改进下,更加快了发现新的太阳系外行星的步伐,而且发现的重点从大的气体组成的类木行星转移到和地球差不多大小的固体行星上。此项研究也能帮助人类了解行星和恒星系的形成。目前搜索太阳系外行星的方法主要有五种:直接观测法、多普勒效应法、天体测量法、引力透镜法和凌星法。

直接观测法通过直接观测行星的运行轨道来判断行星的存在。因为行星自身不发光,而是靠反射它所绕行的恒星的光被观测到的,然而这两者发的光强相差达十亿倍以上,这就如同在远处看清一群在聚光灯边飞舞的飞蛾一样困难。实际上,人们通过观测红外线波段可以使两者光强相差缩小到一百万倍,另外通过特殊设计的望远镜遮挡住中心恒星的入射强光,只观测行星反射的微光。尽管如此,此方法只适用于观测木星大小和距离恒星较远的行星,但它所能提供的行星运行轨道、质量、光谱等详细的信息是其它方法所无法比拟的。

多普勒效应法是通过测量恒星在行星的万有引力作用下,恒星运动速度的周期性变化。如果这个星系的运行平面不垂直于我们的观测方向,我们就可以利用多普勒效应(运动的物体发出的波被观测者接受到时频率会发生与相对运动速度相关的变化,如疾驰而过的火车的鸣笛由高突然变低),通过观察恒星的光谱中特定元素谱线的频移来推断这个星系中各个行星的运动周期。可是因为无从知道这个星系运行平面的夹角,人们只能推算出行星质量的下限。另外这种方法要求行星完成一整周公转,因此首先发现的都是大块头,距离恒星较近(因而公转周期较短)的行星。目前发现的太阳系外行星绝大部分是用这个方法找到的。统计表明,至少有15%的类似太阳的恒星系中有这种大块头且公转周期小于十年的行星。可见,行星在宇宙中相当普遍,而且随着观测数据的积累和观测精度的提高,更多的长公转周期和小块头的行星将会被发现。

天体测量法则是通过精确测量恒星在天空中的位置来推断它周围行星的运动。它对恒星垂直于观测方向的运动敏感,这正好可以弥补多普勒效应法只对平行于观测方向运动敏感的不足。两种方法结合使用就可以获得完整的恒星在行星引力作用下的三维运动,从而提高对行星质量估计的准确度。

引力透镜法利用的是广义相对论的原理。它告诉我们,恰好被待观测恒星系挡在后面的明亮星体发出的光线会被这个恒星系中的星体弯折而放大,就如同一个凸透镜汇聚光线一样,因此当这个恒星系运行通过这个星体时,我们会观测到这个星体的光强先变强再变弱,而星系中个头和引力较小的行星就会在这个缓慢的光强变化的背景下产生一个较快速变化的小峰。这种方法对发现小个头、类似地球的行星特别有用。

最后,凌星法很简单,凌星就是恒星的表面部分被行星所遮掩。回到前面的探照灯的例子,尽管飞蛾反射的光很弱不易观测,但是如果它飞到探照灯前就能挡住探照灯的光,人们可以通过探照灯光强的减弱推知飞蛾的存在。类似的,可以通过监视恒星光强的变化来判断是否有行星从前面通过。显然,行星个头相对恒星越大,产生的恒星光强变化就越大,比如地球可以遮蔽太阳不到0.01%的光,而木星则可以遮蔽太阳约1%的光。但是要观察到这种行星凌星的现象要求行星的公转平面要几乎平行于我们的观察方向,于是越靠近恒星的行星满足这个条件的几率就越大,比如在宇宙中随机分布的观测者中约0.5%能观察到地球凌日,而能观察到木星凌日的幸运儿则不足0.1%,所以这种方法比较适合观测离恒星比较近的行星。因为多数情况下光强变化是如此之小,而由于大气层造成的光强波动就可能掩盖凌星产生的光强变化,所以最好的观测方法是发射望远镜到真空的太空中做长期稳定的观测。今年3月份美国宇航局成功发射的开普勒太空望远镜就是为了这个目的。除了每年四次调整姿态使它的太阳能电池始终对着太阳以外,在至少三年半的时间里,它将几乎不眨眼地凝视着银河系中织女星和天津四之间约二十个满月直径的一片天空,每半个小时记录一次其间约十万颗恒星的光强。选择这片天空的原因在于这里有最多的和太阳相似的恒星,在它们中间找到类似地球、承载着生命的行星的可能性最大。开普勒太空望远镜就是专为探测这样的行星而设计的,它能探测到光强仅0.002%的变化,因而如果在那片太空有一个太阳系的孪生子的话,它有可能发现那另一个地球。因为前面提到的行星轨道平面取向的原因,这十万个颗恒星中可能只有几百个可以从地球上观察到它们类地行星的凌星。考虑到类地行星公转周期和地球相近,1年左右,开普勒太空望远镜的观测需要几年以后才有确切的结果。

目前已发现的太阳系外行星都是体积巨大的类似木星的气体星球,还有不少是离恒星很近、公转周期只有几天、被烤得炙热的行星,不大可能有生命存在。未来的几年间,开普勒太空望远镜很有可能筛选出数个类似地球大小和质量的行星,它们中的某些恰巧位于它们各自恒星的宜居带里,这时人们可以通过分析这些行星的光谱,分析它们的大气结构,寻找氧、水、甲烷等指示生命存在的物质,这样我们就离解开地球生命在宇宙中是否孤独之谜不远了。

 

约翰镇大洪水

2009年4月21日

 

1865年美国内战结束后的三十多年中,美国没有什么重大新闻,只是1889年发生在宾夕法尼亚州约翰镇的一场夺走了2209人性命的大洪水特别引人注目。

十九世纪末,以钢铁和煤炭为代表的工业革命在美国各地如火如荼地开展起来。距美国钢铁之都匹兹堡以东100公里山谷中的约翰镇,因其独特的地理位置,也迅速发展成人口超过3万的工业重镇:在这里,小康乃莫河、石溪两河交汇成康乃莫河,附近阿勒格尼山脉有丰富的煤矿资源,尤其是它还处在当时正在开凿的连接匹兹堡和费城的运河上,运输便利,是东西物流的必经之路。小康乃莫河上游二十多公里处的康乃莫水库原是建来给这段运河的供水的,可是它的修建耗时太长,从18381853年,等水库修好了,麻烦费时的水路运输已过时,而被贯穿宾州的铁路运输所取代,那条运河也基本上废弃不用了。州政府不得不将水库低价出售。几经转手后,水库最后被私人购得,改造成一帮亿万富翁的私人渡假胜地,修建起了一幢幢湖景别墅,成立了南福克渔猎俱乐部,成为这些钢铁大王、银行家们逃离匹兹堡的尘嚣、休闲娱乐的世外桃园。

水库新建时的大坝是土石筑成,大坝顶端的一侧开有溢水道,水库的水大多由此排至下游;大坝正下方还埋有可以人工调节水量的泄洪管,以便雨季时排洪用,也可以用来放空水库。随着大坝年久失修,水库几经倒手后,大坝中部曾溃决过,泄洪管也被曾经的所有者拆除、卖掉。南福克渔猎俱乐部购置此水库后,只是做了些简单的修葺,也是因为无法放空水库做彻底的维修,大坝的中部只用烂泥、树枝、茅草甚至马粪随便补补了事,殊不知一场灾难即将降临到下游无辜的人民身上。雪上加霜的是,为了方便俱乐部成员到水库的对岸,梯型的大坝坝顶被削低约60厘米以增宽坝顶便于马车通行;新建的一座跨越溢水道的小桥的桥墩增加了水流下泄的阻力;另外,为了防止水库新放养的鱼苗从溢水道溜走,桥墩间架起了格板,这样进一步妨碍了水流的下泄,尤其是当格板被枯枝败叶堵住的时候,可这并不妨碍俱乐部的富翁们在溢水道下形成的瀑布边野餐、派对。

不幸的这一天终于在1889531日这个“黑色的”星期五来临。一天前,在百年不遇的暴雨侵袭下,约翰镇这一带一天之内降水量达到20多厘米,水库大坝坝体开始渗水。凌晨,俱乐部主席昂格发现水库的水位正以每小时30多厘米的速度疯涨,就快要漫堤了。他马上组织人马一边疏通被鱼栏和杂物堵死的溢水道,一边争取开挖另一条溢水道,不过不幸遇到坚硬的岩石,没有成功。眼看大坝就要崩溃了,下午两点钟,英勇的水库水位监测员赶在自己被洪水冲走前,发出了最后的电报,通知下游“水库水位飞涨,大坝随时可能崩溃”。可是通往约翰镇的有线电报中间有一段已被洪水冲毁,这封电报在那一段不得不靠人步行接力传达,延误了人们撤退的时机。下午310分,22米高的大坝轰然倒下,两千万立方米的洪水喷涌而出,夹杂着树枝、瓦砾和动物尸体,吞噬着小康乃莫河下游河谷里的一切生命和建筑。下游东康乃莫小镇的一位机智勇敢的火车司机听到洪水的轰鸣,一边飞速倒退着他的机车回小镇,一边汽笛长鸣以警示人们洪水的来临。溃坝一个小时后,洪水抵达约翰镇,排山倒海般摧毁了大量的工厂、建筑。洪水一波接一波地持续了十多分钟,其冲进山谷后的回水也造成了相当的破坏。洪水卷起的高达二十多米的废墟被堵在约翰镇的石桥前,燃起了雄雄大火,持续了整整三天三夜。这场洪水共造成2209人丧生,1600多座房屋毁坏。

洪水过后,人们立即展开救援。州和联邦政府紧急搭建临时小木屋安置灾民。州政府“临时”征收酒税以帮助受灾的人们(但此税从此保留至今,尽管早已不再用于救助灾民)。美国红十字会在主席克劳拉巴通护士的领导下做出不少贡献,六十八岁的巴通护士本人也五个月没有离开约翰镇。就当时的条件而言,其救援速度和力度超过了2005年卡特丽娜飓风时联邦政府的反应。

康乃莫水库的拥有和使用者——南福克渔猎俱乐部的会员们——自然是造成这场洪水的责任人,正是他们疏忽了对水库的维护,导致了溃坝事故。但是直接负责修建并维护大坝的工程师几年前已去世,拥有好几位大律师会员以及其他亿万财富会员的南福克渔猎俱乐部赢得了官司,对此事故不负责任;只是大部分俱乐部会员以个人名义向约翰镇的灾民捐助,其中包括当时美国第二富有的钢铁大王卡内基,向约翰镇捐赠了一座新的图书馆以取代被洪水损坏的老馆。

120年后的今天,约翰镇早已恢复了平静。市中心原卡内基捐赠的图书馆已成为约翰镇洪水博物馆;康乃莫水库大坝原址处还能看到依然矗立着的残余的南北两段大坝;几栋当年的湖景别墅还孤零零地立在山坡上,守望着那曾经碧波荡漾、如今只有小康乃莫河静静流淌的水库遗址。当年最后截住洪流的石桥依然健在并一直作为铁路桥使用,它已成为历史的见证和约翰镇的标志,将被发光二极管重新装扮,警示后人这段历史。


生命离不开水的强极性

2009年4月9日

在《生命之源》一文中,作者提出水的一个特性——“水结冰,体积却会变大”——是我们目前所认识的生命存在的必要条件,否则在自地球形成起,数十亿年后的今天,绝大部分的水会以冰的形式沉积于海洋、湖泊等底部,而限制了生命的起源和发展。

我同意作者所作的对水的假设“在结冰的时候,体积不会变大而是变小”下地球上液态水分布的分析,但对其“无论如何也演化不出来如此纷繁复杂的世界来”的结论有所保留。因为尽管液态水的分布有所限制,但是它还是可以存在于“夏天,或者赤道地带”,生命的起源还是有保障的。

我倒是认为水的另一特性对生命的起源攸关重要,那就是水的强极性。一个水分子由一个氧原子和两个氢原子组成一个等腰三角型,两个氢氧键夹角大约是108度左右(而不是《生命之源》一文中所说的120度)。由于氧比氢具有强得多的吸引电子的能力,这个等腰三角型的分子正负电荷中心不重合而呈现出很强的极性,表现在其介电常数高达81,而一般的液体如油脂等很少有超过10的。相反的,非极性分子一般由对电子吸引能力大小差别不大的原子组成,如组成汽油的各种分子(主要元素是吸引电子的能力差别不大的碳和氢);或者这个分子对称,正负电荷中心重合,比如四氯化碳(正四面体结构,碳在正中心四个氯分居四个顶点)。学过中学化学的人都知道同性相溶,即极性物质易溶于极性液体,难溶于非极性液体;而非极性物质易溶于非极性液体,难溶于极性液体。由两层磷脂分子组成的生物膜是生命细胞中的重要结构,它不仅为细胞及其内各种细胞器分隔出空间,为它们与外界环境提供屏障,而且使得承载于其表面上或嵌于其中的蛋白质分子得以完成各种必需的功能……总之,生命的正常活动离不开生物膜。生物膜中,每一个磷脂分子是一个长链,一端是极性、亲水(易溶于水)的磷酸分子,另一端是非极性、疏水(不溶于水)的脂胞分子。这样的两排分子中脂肪所在的疏水端背靠背围成一个面,朝外的都是亲水的磷酸,因而生物膜得以在水中自由存在。不难得出结论,我们目前所认识的生命都离不开生物膜,而具有强极性的水为生物膜的存在提供了可能。

试想一下,如果支持生命的液体环境是非极性或弱极性的,如液态的甲烷(土卫六泰坦的表面以下据称是甲烷的海洋),那么生物膜的结构肯定要发生变化,比如倒过来,疏水基在外,亲水基在内,还是可能存在的,但是组成生命体的大量物质——弱极性的碳氢化合物就可能被液体环境所溶解而分解掉了,生命也就无法存在。可见以碳、氢为基础的目前所认识的生命形式是离不开强极性的液体环境的。

所以说,水所具有强极性是支持生命起源和发展的重要条件。

古生物化石的宝库——佩吉博物馆

2009年3月18日

  喧闹的洛杉机市区中有这样一块只有一个足球场大小的公园,除了偶尔闻到的沥青味,看起来和别的公园没有什么不同。但正是由于这里4万年以来独特的自然地质条件,使它成为古生物界不可多得的“聚宝盘”——从这里已发掘出几百万件冰川时期以来的生物化石,人们对北美生活在那一时期的哺乳动物和鸟类的了解大多源于此地。

  时钟回拨到4万年前,这里的天气比现在凉爽、湿润。中午时分,成群的马、野牛、猛犸象在草原上觅食;一群剑齿虎伏在茅草中,伺机对一头树獭进攻;空中秃鹫盘旋,搜寻着剩下的美味……突然,一只可怜的羚羊踩到一片又黑又粘的东西,沥青一般,它努力折腾,仍无济于事,身上的黑油裹得越来越多,它自己没有办法出去了!它开始绝望地呼救、哀号,可等来的不是父母,也不是朋友,几只恐狼很快发现了它。它们正准备好好享用一顿午餐,还没来得及后悔就冲了上去了。然而同样不幸的故事也发生在它们的身上,它们也成了这里沥青潭的牺牲品……故事一直延续了近4万年,直到冰川消融、气候变得干燥、植被稀疏,绝大多数曾经在这里栖息的哺乳动物和鸟类都灭绝了。年复一年,这些沥青潭里堆积了无数的尸体。这些沥青(确切地说是石油,不过很黏稠,人们从一开始就犯了错认为是沥青,Brea在西班牙语里就是Tar沥青的意思),是从地里自然冒出来的。位于太平洋版块和美洲版块交界的加州海岸是地质活跃的地区,在千百万年前,还是一片汪洋大海,海里的生物尸体沉积在地质作用下,历经数百万年,形成石油。近百万年来,这块地层在太平洋版块和美洲版块的碰撞和挤压下逐渐隆起,露出海面。地壳浅层的石油也在挤压中溢出地面,形成沥青潭。因为它的粘度很大,就象粘蝇纸一样,十厘米厚就足以使重数吨的长牙象寸步难行。加上其上的枯叶、积水的隐蔽,便成了动物的陷井。更为奇妙的是,我们知道动物化石的形成需要在动物死后其尸体立即被覆盖,以隔绝空气和水等,防止骨骼被风化等作用破坏;这些石油正好提供了良好的保护层,使得大量的尸体能形成化石。这也是为什么这里的化石保存得如此之完整的原因。就像意大利维苏维火山脚下的庞贝城,公元79年的一次猛烈的火山喷发释放出的火山灰将那里的一切定格在那一天,惊恐的市民、城市的生活……全部被完好地保存下来。对于他们,那里是坟墓;而对于今天的我们,却是透视历史的窗口,是博物馆。

  4万年前的事我们无法知道具体发生了什么,但是上面的故事也是有根据的推测。我们知道食肉动物位于食物链的上端,它们的生存依赖于位于食物链下端的食草动物。考虑到动物自身的能量消耗以及能量的转化效率小于1等原因,自然界食物链中食肉与食草动物的数目比大致是1比10,但这里的化石分布表明这个比例大致是7比1。基于以上的故事,就不难理解了:食肉动物更多的被少数不小心陷入的食草动物吸引到这里而丧身。

  没有人知道是谁最先发现了这个布满了沥青坑的地方,但有一点可以肯定的是,在西班牙殖民者到来以前,美洲的印第安人就已经在这里生活了很长时间,而且知道点燃沾有石油的动物骨骼化石作火把照明和取暖,那时这些化石被想当然地认为是生活在当代的牛羊的骨头。多少化石就此被焚无人知晓,直到上世纪初有人发现这些化石根本就是没见过的动物,而且其数量之多而集中、种类之丰富是前所未见的,这才开始了大量的发掘和研究工作。

  从发现的化石中,我们了解到生活在那个时期、现已灭绝的很多大型的哺乳动物,体型大大超过现存的相近物种,如短面熊、猛犸象、野牛、树獭、美洲狮等。灭绝的动物中还有上颚上长有两支如匕首般的长牙的剑齿虎,马,恐狼,美洲驼。人们原以为美洲不产马,但这里的化石表明美洲不仅曾有骏马驰骋,而且还是马的原产地,地球上其它地方的马都是从美洲迁移过去的。值得一提的是,因为鸟类骨骼中空而纤细,其化石很罕见,然而在这里却发现了大量的鸟类化石,大多是鹰和鹫这样的猛禽,相必当初也是贪图美味而误入陷井的。一个困挠着古生物学家的问题是,为什么这些动物在1万年前大都灭绝了?是冰川间冰期到来导致的气候变迁,还是古印第安人狩猎水平的提高,或是两者兼而有之?

  这里的发掘工作尽管已持续了近百年,还未停止。91号坑的发掘一直进行到2007年才暂时停止,因为在邻近的艺术博物馆的地下车库工程中发现了大量的化石,博物馆不得不腾出大量人手先来整理这些已经被从地下挖出的宝藏,包括一个保存得相当完整的有象牙的猛犸象的化石。随着研究的深入,这里的研究已进入微生物领域。三年前人们才发现,这里到处可见的从地下伴随石油溢出的气体主要不是和石油伴生的天然气,而是由一种嗜石油的细菌消化过程中产生的。

  现在的人们在这里领略大自然提供的天然“时间胶囊”的同时,应该感谢两个人:一个是有远见卓识的汉考克,当年捐出祖传的家产给国家,使这里的化石得以发掘、保护、研究和展出。事实上以此地为中心方圆两公里以内曾遍布沥青潭,但由于是私人财产,政府不能随意开发研究。如果不是那个地下停车场的建设,我们也无缘一睹猛犸象象牙化石的风采。另一个人就是佩吉,这个博物馆冠以他的名字,是他当年出资建造在化石发掘之地La Brea Tar Pits,以便于化石的收藏、研究和向公众展出。读者有机会造访洛杉机,一定不要错过这块古生物化石的宝藏。