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存档:11月, 2012

11月 24, 2012 @ 11:44 am

穿越时空的伽马射线

天上的星星数不清。虽然我们看到的夜空是黑暗的,那无数的星星正在不断地发出无数的光,其中只有微乎其微的光线能够到达地球。而星星发出的光也只有极少数被物质吸收。如果想像一下今天的宇宙已经有了100多亿年的历史,其中存在的光似乎是一个无法描述的浩瀚概念,连“天文数字”一词都显得苍白无力。

然而,今年11月1日,美国航空航天局(NASA)召开记者会宣布人类已经能够“看到”宇宙中全部的光,而且明确指出是宇宙创始以来“所有星星所发出过的所有的光”(the total amount of light from all of the stars that have ever shone)。

NASA采用的方法是接收来自宇宙深处的伽马射线,这些穿越了宇宙全部时空的信使不仅给我们带来所有光场的讯息,还带来了宇宙演化的历史记录,甚至还可能让我们得以窃探看不见的暗物质。

 

伽马射线和费米望远镜

伽马射线是上世纪初首先在镭原子的放射性实验中被发现的。科学家后来才知道那是一种能量非常高的光子,也是目前所知能量最高的光。因为其能量太高,伽马射线在介质中只能被吸收,不能像普通的光或电磁波那样发生折射和反射现象。能量比较低的伽马射线被吸收时会令原子电离产生光电效应,能量高的则会蜕变为正负电子对。它对人体有害,接触时需要用比较厚的重金属材料做保护。

除了放射性原子的衰变,伽马射线也会在大气层中因为闪电、雷雨或宇宙射线的激发产生。但其最大的来源还是天外的宇宙。好在地球的大气层是天然的屏障,来自天外的伽马射线基本上全在大气层中被吸收而不会损害地球生物的健康。

也正因为如此,观测宇宙射线中的伽马射线必须走出大气层,用高空气球或人造卫星转载专门的仪器测量。为此,NASA早在1991年便发射了一颗叫做“康普顿伽马射线观测站”的卫星,初步描绘出宇宙伽马射线来源的全景。2002年,NASA发射“费米伽马射线太空望远镜”卫星,携带更为先进的仪器取代已经失效坠毁的康普顿观测站。

“望远镜”只是一个俗称。因为伽马射线不能被反射或折射,也就不可能像望远镜那样聚焦。卫星上装载的两个探测仪都只是大面积的被动接收仪器,分别通过探测正负电子对和光电效应来辨别伽马射线,并能相当准确地还原射线的来源方向、时间和能量等参数。也正因为不需要定向聚集,它们可以同时接收大范围的信号。因此,该卫星每3小时绕行地球2周时便能将整个天幕扫描一次。这样不断地扫描的结果便能得到宇宙中几乎所有的伽马射线光源分布和它们随时间的演变。

 

宇宙中所有的光

自然,这个“望远镜”接收到的最亮的伽马射线来自我们地球所在的银河系,大部分产生于高能的带电宇宙射线与银河系中星际物质和光子的碰撞和作用。通过对这些伽马射线的分析可以得到那些星际物质、光和电磁场等分布的数据。

更有意思的是那些来自银河系之外遥远星空的伽马射线,从那里能够来到地球的伽马射线便少得多,带来的信息也尤其珍贵。在距离我们几十亿光年之外有着大量的星系,其中心是巨型黑洞。这些黑洞在吞噬其周围的星体物质时会向外发射以伽马射线为主的能量流。如果这个发射的方向正好对着地球,便能够被费米望远镜探测到。这样的黑洞在天文学上叫做“耀变体”(blazar)。虽然我们刚刚才接收到,这些伽马光子是在几十亿年前就已诞生,在那漫长的时间中穿越了浩瀚的距离才来到我们的门前。它们不仅仅带来了远古的信息,而且在征途上经历了宇宙几乎从初始到今天的种种变迁。

我们这个宇宙是在将近140亿年前的大爆炸中产生的。大爆炸4亿年后,早期的星球逐渐形成并开始发光。从那以后,越来越多的星球乃至星系不断地诞生和死亡,并不断地将自己的光线遍洒于宇宙空间。这些经过100多亿年间积累的光至今仍在浩茫的空间中徜徉,形成主要由可见光和紫外线构成所谓的“星系背景光”。因为地球附近星光环境的干扰,我们不可能直接观测到宇宙深处相对微弱的星系背景光。而那来自宇宙边缘耀变体的伽马射线便为我们提供了一个探测的途径。

伽马射线因为其高能量在宇宙空间几乎完全畅通无阻,所以能够来到地球附近。但它们之中的一些在途中也会偶尔与无处不在的星系背景光中的光子碰撞而衰变为一对正负电子,不再能抵达地球。NASA的研究计划锁定了150颗耀变体,长期跟踪它们向地球发射的伽马射线的强度。它们之中,距离地球比较近的耀变体的伽马射线强度较高,而那些真正处于宇宙边缘的遥远耀变体的伽马射线则需要精细测量才能辨识。这些数据的总和汇集了宇宙所有区域星系背景光的密度分布。也就是NASA所称的我们得以见识宇宙创生以来所有星星所发出过的所有的光。

不仅如此,来自距离地球较近的伽马射线途中只穿过了近代宇宙所含有的背景光场,而来自遥远耀变体的射线则在那之前还经历了早期宇宙的背景光。通过对不同距离射线源数据的分析我们可以获得大爆炸后的宇宙早期星球及其发光的知识以及随时间而变的过程,为宇宙描绘出一份独特的演化历史。NASA科学家现在认为宇宙最初星球诞生的时间可能比以前所猜想的晚一些。而这些早期星球与现在的恒星也大为不同,它们主要有氢原子组成,比今天的星星更大、更热、更亮也更为短命。

 

暗物质

接近一个世纪以来,天文学家一直出于不同的原因怀疑宇宙中有我们看不见的物质存在。当代科学家根据现有的广义相对论计算得出的结论是我们现在所看到的星星、尘埃和气体等等只是宇宙中物质不到20%的部分,其余80%以上是尚未能观测到的所谓“暗物质”。暗物质有质量,能够影响星系的分布和运动,但本身不发光也不与光子发生作用,所以无法被人类观测到。

对暗物质的成分猜想很多,一个比较占主流的理论是它们由质量相对较大、但相互作用非常弱的某种粒子组成。这种粒子的英文名字有一个简单的缩写叫做“胆小鬼”(Weakly Interacting Massive Particle——WIMP)。它们还有一点非常特别,就是它本身便是自己的反粒子。如果两个“胆小鬼”粒子相遇就会窝囊地自行湮灭,衰变为一对高能量的光子,即伽马射线。

如果这样发生的伽马射线不是极为罕见的话,费米卫星上的“望远镜”自然也应该能接收到其信号。的确,在对费米望远镜采集的数据分析中,科学家今年发现了一些异常、来路不明的伽马射线。但他们目前还没法确定这些信号是来自神秘的暗物质还是望远镜本身的故障。

 

2008年发射的费米望远镜设计寿命为5年,但希望能有10年的运行时间。目前它正值壮年,已经获得显著的新成果。而新一代的“望远镜”已经在设计之中,将能够直接观测星系背景光。更多的伽马射线探测资源也将加入对可能是暗物质射线源的研究。人类对宇宙的认识在继续推进着。

发表于 科普 · No Comments »

11月 3, 2012 @ 11:27 pm

美国总统大选的选举人制度及选票价值差异

每年11月份的第一个星期一之后的星期二是美国法定的选举日。这句话很绕口,简单地说,今年的11月6日是选举日,并且是四年一度的总统大选日子。虽然现在很多州已经开放提前投票,绝大多数美国选民还是会在这一天前往全国各地的投票站履行公民权利。如果不出现戏剧性的意外,当天晚上或第二天临晨,下一届总统人选便会确定。获胜者发表慷慨激昂的演说,宣告新时代的来临;失败者也会冠冕堂皇地向对方祝贺。又一场喧闹的选举戏剧就此落幕。

然而比较不为人所知的是,这天轰轰烈烈地全民投票却并不是法律上的正式选举。

“真正的”总统选举要等到一个多月之后的12月17日,那天每个州的州府将召开一个小型会议,参加者是一些不为大众所知的人物。他们在州政府负责选举的官员监督下分别投票选举总统和副总统人选。这些选票公证后以挂号信方式送到首都的参议院和国家档案馆,结果由国会认可才确定为下一任总统人选。

这些神秘的人物叫做“总统选举人”,他们履行的是美国宪法规定的总统选举程序。

 

总统选举人制度(Electoral College)

美国联邦政府由初始的13个独立州联合而建,故称为合众国。其初衷只是统一外交和军事,对内只是在各州间协调,内政的主权基本上还是属于州政府。因此,联邦政府的组成和规则上需要充分考虑、照顾各州的独立性和利益平衡。国父们按此思路创立了国会由按人口分配席位的众议院和每州固定两个席位的参议院而组成的制度,这样既可以代表多数人民主(众议院)又可以照顾到小州利益(参议院)。

总统也由各州为单位推举而成,起初的方案是由议会的全体议员选举,但为了保证总统相对议会的独立而放弃。折中的方案则是由各州自行决定选举人,由选举人投票产生总统。而每个州的选举人数目为该州的众议院和参议员人数总和。(1961年后,首都华盛顿所在的哥伦比亚特区也获得3个选举人名额加入总统选举,相当于一个小州。)

宪法没有详细规定选举人的产生过程,只是限制选举人不能由联邦政府官员担任。各州可以自行决定其政策。在建国初期,相当数量的州并没有为此举行民众选举,而是由州议会指定选举人参与总统大选。也有一些州按选区像选举联邦议员一样投票选举总统选举人。这样产生的总统选举人实际上是“民意代表”,他们可以按照自己的意愿决定投哪位总统候选人的票。

内战之后,各州总统选举逐渐统一为公民直接投票。每个总统候选人或其所属党派在选举前向州政府提交他们中意的选举人名单。选民投票时,选票上填写的不是总统候选人而是这些谁也不认识的总统选举人。直到20世纪以来,很多州才在选票上直接列上总统候选人,而总统选举人的名单逐渐退化为不见光的幕后操作。

除了缅因和内布拉斯卡之外的所有州都采用“赢者全赢”的方案:如果一个总统候选人(或他的选举人)在该州以多数票得胜,他的所有选举人便都获胜,也就是说他获得该州的全部选举人票。该州里投了其他人的票便算是作废了。缅因和内布拉斯卡采用的是按选举区域分配的做法,候选人按照在州内各个区域的输赢可以分享该州的选举人名额。

 

由候选人或其党派指定的选举人自然都是对该候选人极其忠诚的人选。在11月6日的选举日之后产生的选举人在12月17日“正式”投票选举总统时其结果便与选举日所“产生”的总统并无二致,因此这一走过场的形式不再引人注意。其实,没有任何法律或措施限制这些选举人必须按照个人的效忠或选民的意愿来投票,他们完全可以临场“倒戈”,按照自己的意愿或其它利益投上出人意料的票。事实上,近年来的选举中一再出现个别选举人临场倒戈或以弃权抗议的行为。这些行动因为未能改变选举结果而连新闻都懒得报道。

比较特殊的是在两次选举之间的一个多月时间里可能发生意外事件而导致选举结果无法预料。1872年11月29日,民主党总统候选人霍雷斯·格里雷突然因病去世。属于他的那部分选举人在随后的选举中不再有任何约束,便随心所欲地投票给其他候选人。好在那年共和党总统尤利西斯·格兰特已经赢得绝对多数,没有受其影响而顺利连任。如果离世的是格兰特,那么情形便会完全不同。美国迄今40多次总统大选,尚未出现过获得多数票候选人在选举人投票前死亡的先例。否则将会爆发严重的宪政危机。

 

选举人制度一直为人所诟病。这些莫名其妙的神秘选举人在选民和总统之间形成一道不必要的障碍,使得美国总统选举至少在形式上是间接选举而不是更民主的直接选举。但对这一制度的批评更多集中于针对“赢者全赢”的名额分配上,使得全民投票的计票不再拥有“一人一票”的平等。

这样的计票方式的问题突出表现在会导致全民投票的结果与选举人投票结果不相符的情况。这个在美国历史上已经出现三次,最近的便是2000年戈尔在全国范围内获得多数选票却未能当选,(小)布什虽然在选票总数上落后,却因为他在关键的几个州内获胜而得到更多的选举人票成为总统。直到今天,戈尔还在呼呼取消选举人制度。

这样的计票方法还有效地抑制了第三党或独立候选人的出现。即使是有影响的候选人,也很难赢得一个州,因此无法获取任何选举人票。1992年独立候选人佩罗是近年来最为成功者,他在全国范围内获得19%选票,在很大程度上因为分流了(老)布什的选票而导致了克林顿的当选,却也未能获取一张选举人票。

选举人制度的诸种不合理之处显而易见,但它也有一定的好处。首先它照顾了小州的利益,让小州的选民的声音得到一定放大不被大多数所淹没。另外,以州为单位决定胜负缩小了对选举结果质疑的范畴。2000年选举结果饱含争议,以至于戈尔和(小)布什在选票接近的佛罗利达州打了旷日持久的官司。该州不得不进行繁重的人工重新点票。那场争执虽然很大,却只局限于佛罗利达一个州。如果是对全民选举的票数有争议,很可能需要进行全国范围内的人工重新点票甚至重选,工程便会极为浩大了。

 

选票的份量和价值

无论是竞选中的政客还是有社会责任感的人士都会千篇一律地向公民宣传参加投票的重要性,强调每一张选票都同样地宝贵和重要,有可能改变历史的进程。事实却并非如此。尤其是在美国的选举人制度下,美国公民选举总统时虽然有“一人一票”的投票权,“赢者全赢”计票方式却扭曲了“一人一票”的平等。这便带来了一个有趣的问题:选民手上的那张选票价值该如何衡量?答案却并不简单。

直观而言,因为每个州无论大小都会得到相对于参议院名额的2张票,而即使是按照人口分配的众议院名额的票中,再小的州(包括首都)都保证最少另有1张,这样的选举人名额分配会大大地优惠小州、歧视大州。的确,人口最多的加利福尼亚州3千7百万人共有55个选举人票,平均69万人一张票;而人口最少的怀俄明州56万人有3张选举人票,平均18万人一票。这样,怀俄明州公民手中选票的份量几乎是加州人的4倍!(名额是按总人口分配的,与州内真实选民人数会有差异但无关比较上的大局。)

然而选票的价值并不只体现在这种计票的效果上。学术界对选票价值的定义为一张选票对最后结果影响的大小。如果我们假设只有共和党和民主党两位候选人,如果一个本来准备选共和党的选民临时变卦,改投了民主党的票,这一决定是否能促成民主党反败为胜?如果这个可能性很大,则这张选票有极大的价值;反之,这张选票对结果没有影响,也就没有什么价值。

早先的选举模型假设每个选民都像扔钢蹦一样随机地选择投票给某个候选人。在这种简单情形下,选举的结果总是极其接近的,而每一张选票都对结果有着决定性的影响。把这样的模型应用到美国的选举人制度中会看到,加州的一张选票可以左右55张选举人票,而怀俄明州的一张选票却只能决定3张。因此选举人制偏向大州,与我们的直觉相反。这是所谓“班扎夫影响指数”(Banzhaf Power Index)的结论。

不过班扎夫指数中的随机假设与现实完全不符。事实上,绝大多数选民的选举意向是早就决定了的,或者倾向共和党或者倾向民主党,一辈子也很少改变。真正随机或摇摆的选民人数相对很少,但他们的摇摆却经常决定选举的结果。

更重要的是,美国的大部分州在总统选举中也有着明确的既定倾向。大州中的加利福尼亚、纽约、马萨诸塞等是铁定的民主党根据地,其中民主党选民大大超过共和党。德克萨斯和一些中小规模的州则正相反,那里共和党选民远远超过民主党。一些小州也一样,怀俄明便是共和党的铁票州。可以说,这些州并不需要真正举行总统大选,结果都是可以预测的。换句话说,这些州里个别选民手中的选票无论是投给哪个党都改变不了该州的结果,几乎一钱不值。

反过来,选举的焦点便集中于俄亥俄、佛罗利达、弗吉尼亚等等一些所谓的“摇摆州”。这些州的特点是民主党和共和党选民人数大体相当,再加上有大量的中间派可能随时倒下某一方。这些州的选票的价值便大得惊人。(笔者所在的科罗拉多州历史上曾经是共和党的铁票,但近年来随着大量加利福尼亚人的迁入逐渐转化为摇摆州。)普林斯顿大学一位业余研究选举的神经生物学教授王身宏经过对众多民意测验数据的分析认为这些州的选票价值是那些铁票州的几千万倍!

这个结论与候选人的竞选战略完全相符。每到总统选举季节,大量的竞选资金和人力资源涌入为数很少的摇摆州,那里的电视、广播和报纸等媒体充斥候选人的广告,候选人和他们的代理人更是常来常往,到处集会,热闹非凡。对当地的经济也是一笔不小的刺激。而像加利福尼亚这样人口众多的州,候选人除了偶尔来找当地富人筹款之外几乎从不涉足。

也许有人会问,那么加州这样的地方投票率是否会很低呢?其实并非如此。这里分析的只是总统选举。美国选举日投票时每个地方的选票都不一样,除了总统选举之外,还有该选区的联邦议员选举、州和地方官员选举以及大量的州宪法修正案、民意案和地方法规投票。即使总统选举在这些州里没什么意思,其它这些选举项目往往会争议很大,促使选民踊跃投票。因此全国各地的投票率不相上下,都是60%左右。

 

选举人制度及其带来的各种不公平已经成为美国政坛的一大奇景。尽管改革的呼声此起彼落,要真的改动这一百年老店却也不容易。她也许会作为人类民主实践中的一个奇葩而长久存在。

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