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无线网络和全球定位系统是现代社会离不开的两大技术。但你知道吗？它们都发源于天文学。
一谈到天文学,普罗大众也许首先会想到的是“天书”、“天文数字”,还有“遥远”。这里的“遥远”不仅指的是天文学所研究的对象距离我们远,同时还暗指了它和日常生活的距离。
但其实很多人都忽视了天文学曾在历史上一次又一次地证明了它的社会价值。天空中出现的规律为建立和制造社会以及经济正常运转所必需的历法和时钟提供了必不可少的依据。
不过,你也会说,这是很久很久以前的事情。没错,但下面将给出4个有趣的例子来彰显天文学赐予现代日常生活的裨益。
全球定位系统
今天,我们使用纸质地图来寻找方向的机会已经变得越来越少,取而代之的是车载全球定位系统(GPS)抑或是智能手机中的GPS。之所以能用GPS来精确定位在很大程度上得益于爱因斯坦。在试图认识引力的尝试中,他于1916年提出了广义相对论,以一种奇特而抽象的方式来描述时间、空间以及它们和物质间的相互作用。
1919年5月爱因斯坦弯曲时空的观点获得了观测上的胜利。英国天文学家爱丁顿和戴森在日全食时观测到了太阳附近星光所发生的偏折,由此证明太阳的质量会使得空间发生弯曲。
那时间呢？
由于空间和时间是相互交织在一起的,大质量的天体也会扭曲它们附近的时间。广义相对论告诉我们,你越靠近一个有质量的天体,时间走得就越慢。不过这个效应十分微小:珠穆朗玛峰上的一天会比海平面上的短约3/100,000秒。到20世纪50年代,物理学家们研发出了使用原子振荡来精确守时的装置。这些铯原子钟的精度可以达到十亿分之一秒。
1971年民用喷气机载着4台铯原子钟绕着地球飞了2圈——1圈自东向西,另1圈自西向东。广义和狭义相对论预言,取决于飞行的方向,喷气机上的钟会和地面上的差几十和几百纳秒(1纳秒等于十亿分之一秒)。在飞机落地后,科学家们检查了原子钟,发现爱因斯坦又一次是正确的。
在此之后,这些原子钟既没有被打入储藏室,也没有呆在物理实验室里。因为和原子钟的发展一同进行的还有另一场技术较量:太空竞赛。1957年苏联发射第一颗人造卫星后,科学家们开始意识到人造卫星可以用作全球定位的“人造导航星”。
1978年发射了第一颗装有原子钟的GPS卫星。今天,有30颗卫星在帮助我们定位。由于它们的运动和高度,工程师们要把相对论对星上时间的改变效应也考虑在内。
因为对这一技术的高度依赖,21世纪的现代人已越来越少地翻看地图,而该技术则受益于对引力本性的“纯粹好奇心”。
无线互联网
这一切都始于霍金在20世纪70年代初对黑洞蒸发的预言。质量越小的黑洞,蒸发得越快。
“蒸发”这个词其实并不恰当。随着黑洞质量的下降,其消失的速率会不断增加,直至最终持续几微秒的剧烈爆发。但当时观测能力有限,这类事件在20世纪70年代极难被观测到,不过有射电天文学家意识到黑洞爆炸应该伴随有特定的射电波信号。因此他们设计了一个搜寻这些信号的探测器。
但是,他们的搜寻无果而终,而且他们论文中的一句话似乎在暗示这不仅是在浪费时间也是在浪费金钱:“(我们)没有观测到任何和黑洞有关的事件。”与就此进入死胡同相反,他们的项目最终演变成了一个意料之外的胜利,而这大部分得益于这些微弱的射电信号很难从噪音中被识别出来。理论上爆炸的黑洞会发出特定频率的辐射,但不幸的是这些信号中的高频射电波会比低频射电波在带电的星际介质中以稍快的速度传播。当它们抵达地球上的射电望远镜时,这一效应会让原先的信号变得面目全非、无法识别。
人为的多波段噪音则使得这个问题更加复杂。为此天文学家们不得不要能找一个办法来重建想象中的原初黑洞所发出的微弱且已被破坏的信号。
换句话说,他们想要的是一个奇迹。
射电天文学家们针对不同的波段尝试了大量的滤波方法,每一种都比之前的都更复杂。他们当时认为一定存在某种更好的办法,于是开始尝试使用数字化硬件来做快速傅立叶变换。简单地说,傅立叶变换是一种重建复杂信号频率和强度信息的数学方法,而快速傅立叶变换则是快速实施这一运算的计算方法。
在探测爆炸黑洞失败之后,参与过该搜寻工作的科学家组建了一个团队来实施一个新项目:高速无线网络。但是,微弱的信号很难处理,房间本身的几何结构也会反射信号,令其面目全非,难以识别出有用的信息。这个问题看上去就像许多年他们所遇到的。寻找黑洞爆炸催生出了快速傅立叶变换芯片,反过来快速傅立叶变换也成为了无线网络解决方案的重要部分。
换句话说,对爆炸黑洞的失败搜寻催生了现代生活的有机组成部分,因为所有的WiFi设备都会使用一个源于探测这些想象中天体的过程中研发出的微弱信号识别技术。现在这一技术在这个每年800多亿美元的产业中扮演着关键的角色,这还不算由WiFi创造出的经济价值。
用天文学研究治疗癌症
对于天文学家们来说,太阳内部有着许许多多尚未搞清楚的问题。其中之一便是我们对太阳中不同元素的丰度所知甚少,因为不同的方法会得到不同的结果。
这看似只是一个小问题,但恒星物理学中的很多结论都依赖于这些数值。因为科学家们不仅想知道太阳的化学组成,还想了解其他恒星内部的振动模式和变星的行为。这个问题的重要性自不待言。
对天文学来说是如此,那么它和我们的日常生活又有什么关系呢？这个问题的核心是,在太阳核心处所产生的光子在其向外逃逸的过程中与太阳外部包层中的原子到底是如何发生相互作用的。天文学家已经知道的是不同的原子会吸收不同波长的光。这一“不透明度”可以告诉我们太阳的温度和内部压强的分布,进而对我们所观测到的现象做出限制。同时,这些结论还会推广到其他恒星身上。
得益于计算机的高速发展,天文学家、计算物理学家和原子物理学家可以以极高的精度来模拟光子在太阳不同包层中与原子的相互作用。出人意料的是,他们发现在一个特定的X射线波段上,一些原子会与这些辐射发生十分强烈的相互作用。这些“共振”频率会使得总不透明度升高。这改变了天文学家们对太阳大气及其成分的认识。这一有关物质和X射线相互作用的新认识还帮助天文学家们校准了钱德拉X射线天文台的一些结果。
但事情并没有就此结束。
像金这样的重元素,它们在化学上不活跃且无毒,因此可以安全地用于人体内部。同时,它们还能和特定频率的X射线发生极强的相互作用。在一些情况下,当X射线照射到一个金原子时,会“踢”掉它的一个内层电子。于是,在相邻较高能级上的电子会向下占据新的能级较低的位置并释放出X射线,后者会“踢”掉另一个电子。
因此,在一个合适的频率下,用射线照射金原子会打开一个能倾泻出高能粒子和辐射的闸门。把少量金原子放置到正确的地方并有特定频率的X射线照射它,由此产生的粒子和辐射就能杀死癌组织。
这带来了一个新的前景,即使用金纳米粒子来治疗癌症。尽管它也许不能完全治愈癌症,但无疑会减少治疗过程中的痛苦并提高疗效。
詹姆斯·韦布空间望远镜和眼科检查
先不管天文学研究所带来的益处,许多人会首先纠结于它的成本。眼下首当其冲的是詹姆斯·韦布空间望
远镜(JWST),它已经超出了原来的预算数十亿美元。
不过,JWST并不是一个单一的研究项目。如果能成功发射,它会成为数千名天文学家和数万名研究生的重要研究工具。天文学家们将用它来研究宇宙中不可见的成分——暗物质和暗能量。
但即便还没上天,JWST就已经开始惠及我们的生活了。由于需要高精度地确定其光学形状,工程师们研发出了一种可以更快、更精确确定光学器件表面形状的技术。考虑到有数亿人会使用各种各样的视力辅助器件和每年数百万起的眼科手术,这一技术无疑会为眼科检查、视力矫正和眼科激光手术带来新的前景。
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