我们直面无趣的科学,如何测量银河系直径10万光年

作者: 美高梅游戏官网娱乐  发布:2019-11-07

宇宙空间有新奇发现,人类本性得到剖析,环境科学传出骇人新闻,医学进展有望攻克致命疾病:翻翻《新科学家》杂志,会看到源源不断、层出不穷的科学奇迹。这一切说着同样的神话。科学激动人心,科学翻天覆地,科学好玩有趣。

几百年来的科学探索,揭露了我们的星球只是八颗行星中的一颗,绕着一颗叫太阳的恒星。但了解我们在太阳系中的位置,只是找到我们在宇宙中位置的第一步,因为在星空之中,有无尽的空间可以探访。

现在来讲点大实话吧。追求知识,这说法多迷人。好吧,也许不算是彻头彻尾的胡话,但绝对是化了浓妆的真理。科学,不是令人神醉的劲爆快舞,以洞见为闪光灯打出眩目光芒。科学,是单调沉闷的长途跋涉,穿越晦暗、复杂、混乱的死胡同。科学,是刻苦的数据收集与反反复复的计算。科学,是修正、混乱、挫折、官僚政府,是一杯苦而无香的咖啡。一言以蔽之,科学会是无趣的。我自己的研究生涯短暂而无奇,有些工作乏味无比,尤其是处理了几个月数据然后发现巨大昂贵的伽玛望远镜对准遥远星系的爆炸中心而结果是——啥也没看到。不过这和《新科学家》的旧金山总编辑比起来是小巫见大巫。他花了将近三年时间观察老鼠在亮着一盏红灯、光线昏暗的房间里互相嗅来嗅去。“收获寥寥,”他坦言,“除了满身的鼠尿味。”而最无聊研究工作奖还是得颁给 NewScientist.com 网站的编辑。“我有一次前前后后地调一个螺丝就调了四个礼拜。”他说,“差不多就是那会儿我决定了,我才不要做个科学工作者。”

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然而真要严肃地看待单调辛苦的科学研究,在新科学家大厦工作的这些成员最多只能算浅尝辄止。在此,我们愿向真的勇士致以敬意:他们挣脱了枯燥、乏味、无趣的藩篱,突围重重逆境,来到或还未来到科学启示的朝阳高坡。比如,研究天体力学的勒维耶(Urbain Le Verrier)。19世纪中叶,天文学家意识到当时最远的行星天王星的运行轨道用太阳和其它行星的影响并不能完全解释,想来还有个尚未发现的新天体在施加引力。可这家伙在哪儿呢?

直到最近,我们都没有办法知道星星的距离,所以我们完全不能了解星星在天空中的真正位置。因为我们的双眼间隔了几公分的距离,每个眼睛捕捉了稍微不同的图像,对对比着两张不同的图像,就是我们大脑判断距离的一种方法,这个现象我们称为“视差”。

勒维耶花了大半年的时光,本着数学的狂热,从天王星轨道的不规则性质回推那颗隐身行星的藏身之处。依照勒维耶的预测,德国天文学家约翰·伽勒(Johann Galle)在柏林的天文台观察到一颗行星,也就是我们如今所知的海王星,实际位置和预测只差1度。勒维耶因此名声大噪,给本来显然可以很沉闷的成绩上添了点叫人失望的奢侈荣光。一般地说来,在几个最无聊的科学行当中,天文学家大可以号称坐着头一把交椅:因为需要长时间盯着看。比如寻找超新星的业余爱好者,夜复一夜地凑在望远镜上直着眼珠瞄准星系,比较自己所见与标准图表上的记录看看是不是能找到有突然新出现的光亮点。他们中的少数幸运儿会看到几颗超新星,可其他人终其一生的观察却一次超新星爆发也不曾亲见。天文学家是非冷门科学苦行当中的无聊冠军:总是在盯着看

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孤独的观星人扫视宇宙寻找茫茫星系中爆炸的证据,听上去好歹还有种浪漫感觉。坐在桌子边盯着照片看却连这点微末的诱惑都没有。在数码摄像机问世之前,大多数专业天文学家用望远镜来暴光感光底片,再拿着结果与恒星和星系的目录比对。不难理解,但凡有可能,他们更喜欢让别人来做这盯着看的差事——一般是叫女性来做,因为她们被认为不适合做更有智力挑战的工作。亨丽爱塔·勒维特(Henrietta Leavitt)就是“活电脑”之一。她从1895年起在哈佛大学天文台看了二十年感光照片,按星星亮度给它们分类。勒维特聪明、坚忍、尽职,一开始是作为志愿者干这么一份没劲的工作,后来是为挣每小时25美分的工钱。

了不起的是,你可以用同样的方法来测量星星的距离。天空中的行星在我们双眼之间的视差位移是几乎无法察觉的微小,但是如果你可以把你的头放大到,打个比方直径3亿公里,那么视差位移就可以测量遥远的距离。利用视差,天鹅座61被证明距离地球104兆公里!

勒维特编了一份包括不同亮度的1777颗恒星的目录,这些恒星都在我们银河系附近的两个矮星系麦哲伦云。一大堆数据里,她注意到了一些东西。她发现,在一类叫做造父变星的变星当中,脉动的周期与绝对亮度的相关性很好。这就给测算宇宙中的距离提供了一个办法:在天空中找一颗造父变星,记录脉动的时间,然后你就能知道它实际发出多少光;再与它看上去的亮度比较,就会从中得知它到底有多远。拜勒维特的距离测算方法所赐,哈勃(Edwin Hubble)使世人知道了我们的银河系不过是亿万星系之一,并且宇宙正在膨胀。

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消耗脑力这是相当巨大的成果,但这种回报根本没有保证。在每个坚定不移走科学道路终于凯旋的研究人员背后,都有许多面目模糊的垫背。George Ungar在这一点上尤有发言权。他认为记忆可以在不同动物个体间转移,方法是从动物甲的脑中抽取点什么东西然后注射给动物乙。在1968年发表于《自然》的一组实验中,他带一拨人就用电击法训练了4000只大鼠让它们学会怕黑,然后解剖它们,匀浆大脑,用各种方法从最后得到的一坨浆中提取分离不同的化合物。将这些大鼠抽提产物注射给小鼠后,Ungar报告说,那些小鼠在黑暗中待的时间会变得比正常的、没“大鼠化”的同伴少。大鼠军团还没能满足Ungar。他再接再厉训练了17000条金鱼,让它们学会分辨不同的颜色,然后勤劳刻苦地以科学的名义提纯了它们的脑子。然而,最终,什么也没有。由于Ungar的结果无法被其他研究组重复出来,没人再相信他的记忆移植的想法。

但是这个方法只适用在离我们很近的恒星邻居上,绝大多数的恒星都距离我们太过遥远,完全无法察觉任何可见的视差位移。所以如果要跨越我们的恒星邻居,就需要一种新的技术。

可怜的Ungar肯定被那些未有任何意义的大屠杀搞惨了,但他花费的功夫比起科学界最著名的艰巨任务来说又不算什么了。居里夫妇为了证实他们发现的新元素镭,搞了几吨铀矿,还都是手工处理。一如女性承担着科学中真正严苛的工作的模式,居里夫人完成了大部分费力的苦差。她描述自己是如何在“一间沥青地、玻璃顶、漏着雨的木棚子里工作……把容器搬来搬去,将液体倒来倒去,用一根铁棒搅生铁盆里沸腾的东西一搅就搅上个把小时,精疲力尽。”前前后后忙了四年,她从一吨矿物中得到了100毫克氯化镭。但叫人惊讶的就是,居里夫妇的的确确从他们的工作中得享乐趣。“我们非常开心,”玛丽写道,“我们专心致志地,完全像在梦幻之中。”

这种技术涉及测量恒星本身的亮度,如果你想利用恒星的亮度去测量它和地球的距离,那么你必须知道恒星实际的亮度,而第一次研究出这个方法的是一位天文历史上伟大的无名英雄,亨利埃塔-勒维特。

不光是他们。就凝视而言,现代最杰出的一项丰功伟绩——不负荣获诺贝尔奖——属于剑桥大学的约翰·萨尔斯顿(John Sulston)。18个月,他利用一切可以利用的时间在显微镜下观察生长中的线虫,追踪每一个细胞在从卵到成体的过程中的来龙去脉。眯着眼睛对小灰点看上一年半载,估计在你我看来十分枯燥——可对萨尔斯顿来说却不是。“好玩。我喜欢对着显微镜看。”他是这么说的。

勒维特根据照片来记录恒星的亮度并做分类,她对一种特别的星体产生兴趣,称为“变星”,它们的亮度会随时间而变化,它们会忽明忽暗,周期可能是数天,数个星期,甚至到数个月,她对一种类型的变星特别感兴趣,称作“造父变星”(被称为宇宙标准蜡烛)。

枯燥无趣,在旁人看来会是这样。在领域内游刃有余的科学家很少会觉得厌腻,也许是因为只有最坚韧不拔的人才会在研究中最终成功。那些不够专注的人——前面提到的《新科学家》的例子你可以自行判定——很快就会出局。

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但也不全是天生就一门心思,还有教育培训的因素在内。萨尔斯顿指出,只有在针对一个难题花费了几年功夫后才会得着窍门开始做需要一遍又一遍重复的工作。到了那个境界,用他的话说就是“机械化的动作”,可能你就已经成为了该技术领域的高手。好比盯着显微镜下黏糊糊的灰色小虫看这事儿,萨尔斯顿就是其中数一数二的好手,因此做这么份工作就成了乐趣。

勒维特注意到,造父变星的实际亮度和它改变两个孤独的频率之间有一种简单的关系,它改变亮度的频率之间,对较暗的造父变星来说光变周期非常快,然而对较亮的造父变星来说,光变周期则很慢。这就表示,如果能够利用视差法来确定一颗造父变星的实际距离,那么就可以知道它们全部的距离,只需要通过测量天空中的光变周期。

我们完全有理由感谢科学家不凡的毅力。但你要是已经受够了冗长的细节,关闭页面或点开其它文章都行。你又会看到我们提供的正常资讯,那些比较眩目有趣的科学逸闻还会来逗你高兴。

这项研究在1912年被发表,而银河系的大小也被测量出来了,直径约为10万光年!

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