没错美图,要跑筋斗环

图片 1塑造我们的宇宙的力量,并非只有引力一个。长久以来一直被人遗忘的磁场,或许也在其中起到了不可忽视的作用。图片来源:《新科学家》

在美国艺术家菲利普·斯特恩斯(Phillip Stearns)最新的艺术创作中,他利用电流和化学试剂创作出了独特的艺术作品。他将这一系列艺术创作命名为《高压电》(High Voltage)。

(文/ Rhett Allain)所谓跑“筋斗环”,基本概念就是驾驶着某个东西(比如一辆车),在一个竖直的环内侧开一圈而不掉下来。这一招比较炫酷,尤其是有人亲自上阵的时候——最近英国前蹦床运动员、特技演员达米恩·沃尔特斯(Damien Walters)充当了一次“真人版索尼克”,对跑过一圈筋斗环的任务发起挑战——最终他成功了。

(文/Katia Moskvitch)每每谈到宇宙,引力就当仁不让。是它让我们的双脚牢牢地站在地上,也是它塑造了我们的宇宙。它使得气体云发生坍缩,进而形成恒星和行星。它孕育了星系中数千亿颗的恒星,也正是在它的作用下,星系聚集成了星系团,进一步又形成了超星系团。然而,在这场游戏中,引力并非唯一的玩家——还有一种力纵横于宇宙之间,它就是磁力。

斯特恩斯利用给霓虹灯供电的变压器电击富士彩色一次成像胶片进行创作。不过使胶片曝光并产生图案的并不是电击产生的火花。电火花会使胶片曝光并产生蓝色的背景色,但是胶片上的树杈状图案——正式名称是李庭博图(Lichtenberg Figures 1777年由德国物理学家 Georg Chrisoph Lichtenberg 发现,以他的名字命名),则是高压电将胶片上附着的卤化银颗粒气化后形成的。

图片 2玩过索尼克系列游戏的人,对这种竖立的圆环轨道肯定不陌生。图片来源:rebloggy.com

在接近真空的宇宙里,磁场可以延伸到非常远的距离,即便是星系间数十亿光年的广袤空间也不在话下。当然,这些磁场极其微弱。冰箱贴上磁铁的磁场,与银河系内外弥漫着的磁场相比,强度要高出100多万倍。这也许正是在宇宙学中磁场往往会被忽略的原因。毕竟,这么微不足道的东西怎么会影响整个星系呢?

通常,二维平面上的李庭博图是利用能产生高压电的针状物接近或触碰绝缘体而产生的。在高电压沿绝缘体表面传递时,绝缘体表面会形成树状或者蕨类植物状的图案。不过产生这种花纹的机制不是很清楚,但可能可以用一种称作扩散限制凝聚(Diffusion-limited Aggregation DLA)的数学模型来解释。

图片 3被称为“空翻王”的沃尔特斯这次接筋斗环完成了一记“空翻”。图片来源:f1.thejournal.ie

然而,时代和观点正在发生改变。没错,引力把天体维系在了一起,但宇宙学中最关键的物理过程,从恒星形成到黑洞射出的高能喷流,都需要磁场的参与。“结果是,只要加入星际磁场的作用,之前天文学中许多的未解之谜,一下子就豁然开朗了,”澳大利亚悉尼大学的布赖恩·盖斯勒(Bryan Gaensler)如是说。

斯特恩斯还将漂白剂、醋、双氧水和外用酒精等化学试剂倒在胶片上,然后再电击。通过这种方法,他在胶片上创作出了五彩斑斓的图案。例如电击漂白剂可以在胶片上产生漂亮的明黄和洋红色调。

这是怎么做到的?有人说关键在于“离心力”(centrifugal force)。你大概以为这会让我火冒三丈(因为在通常语境下,“离心力”并不是真实存在的力),然而我基本上是同意的。不过要注意!“离心力”是假的,它是一种“惯性力”,而在惯性参考系下是没有惯性力的。但这种“假力”还是有用的,它是指为了让力学定律仍旧有效而被人为加入加速系中的力。既然奔跑者在做变速圆周运动,这就是一个加速参考系。下图显示的是处于环顶的奔跑者。

对于更大尺度的宇宙而言,也是如此吗?星系以及更大尺度上的磁场之所以如此吸引人,是因为它们也许是大爆炸后不久发生的某些物理过程的遗存。另外,宇宙中大多数可见的物质都由带电粒子组成,它们的运动遵从于磁场和引力的支配。于是,这催生了一种诱人的可能性——从时间开始之初,磁场就在塑造宇宙的过程中扮演了关键的角色。

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不过,在确定这一点之前,我们还需要回答一些重要的问题:磁场究竟是在何时,以何种方式形成的?

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在奔跑者的参考系中,在轨道顶部,奔跑者受到的重力、轨道提供的弹力和引入的“假力”这3个力的合力必须为0(0向量)。在极低的速度下,轨道施予奔跑者的力也会为0,因此“假力”和重力平衡。但是我们如何求出“假力”呢?它就等于物体质量与参考系加速度乘积的相反数。

我们已经知道,磁场在我们地球附近起到了重要的作用。1835年,德国物理学家卡尔·弗里德里希·高斯(Carl Friedrich Gauss)借助系在一根线上的磁铁,首次测量了地球磁场。现在,对于太阳和地球如何产生各自的磁场,我们已经有了很好的认识。当地球外核中的熔融铁(或者太阳内部的等离子体)做切割磁力线运动的时候,会诱导产生电流。这些电流又会产生磁场,来补充业已存在的磁场。得益于这一发电机作用,微弱的“种子”磁场可以增长成强得多的磁场。

图片 7斯特恩斯创作的“高压电”系列作品。图片来源:wired.com

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事情还不止于此。地球的磁场保护了臭氧层免受高能粒子的破坏,让我们的地球不会暴露在有害的紫外线之下。太阳的磁场也保护着我们,偏转了来自太阳系之外有害的粒子。在更大的尺度上,磁场甚至还有助于生命的起源。

斯特恩斯的创作过程。视频来源:wired.com

利用物体在环内运动的加速度,我可以写出如下的力学方程(仅在竖直方向上):

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