紫禁城的石头是怎么运来的,人人都该懂点儿物

图片 1美国物理学家理查德·穆勒(Richard A. Muller)是一位极富争议的科学家,曾是美国最著名的气候变化怀疑论者之一,后来他通过自己的研究转变立场,并认为人为因素是气候变暖的主要原因。在担任加州大学伯克利分校物理教授期间,穆勒开设了物理讲座“给未来总统的物理课”(Physics for Future Presidents),被誉为科学传播的典范。如今,他创立了研究所“伯克利地球”,从事能源与气候咨询,积极推广页岩气的开发和使用。图片来源:usnews.nbcnews.com

编辑的话:在观测宇宙微波背景方面,欧洲拥有目前最先进的探测器。他们的观测数据早已传回地球,而且早在一年前就发布了首批研究成果。然而,3月17日宣布找到宇宙暴涨首例直接证据的,却是“落后了一步”的美国物理学家。来看看理论物理学家李淼,对此有何评论。
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(文/Sid Perkins)中国古代文献中曾经提到,从1406年开始的北京紫禁城建造工程,其中一些较大的石块是装在木质雪橇上,沿着冰制道路一路拖来的。最近发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上的研究报告指出,在崎岖不平而又蜿蜒曲折的道路上,上述方式相较木辊子或者直接在地面上拖行的滑橇而言,要来得更加安全,可靠而又简便易行。

请问总统先生:

一段科学竞赛的散文

在距离地球150万千米的空旷寒冷的太空,有一个质点。如果我们将它放大,那是一颗人类发射的航天器。它的角状天线中藏有74个辐射计,全部指向宇宙最深处,背对着地球和太阳。这是欧洲空间局5年前发射的最先进的航天器——“普朗克”(Planck)——已在两年多前完成了主要观测计划,数据已经传回地面。

事实上,经过既紧张又放松的分析和计算,200多位科学家已于2013年3月完成了对一半数据的科学解读,发表了31篇论文。他们的结果让全球天文学家和宇宙学家处于兴奋之中。可是……他们对剩余的一半数据的重视不够,让他们错失了本世纪最重要宇宙发现的首次发明权。

与此几乎同时,南极,美国的科学考察站阿蒙森-斯科特南极站,冰原上一个巨大的漏斗状天线指向蓝天。一群苦逼科学家在这里已经工作了8年了——当然其余伙伴是躲在舒适的北美办公室里的。第一代仪器在没有做出惊人发现之后,于2010年被第二代仪器取代。这是一台地面上能够找到的最灵敏的仪器,它可以探测到低于100纳K的信号(1纳K等于10-9 K,K是绝对温度的刻度,又叫开尔文)。它甚至武装了“乌贼”,一种最先进的软件,来帮助解读数据。第二代辐射计用了两年时间观测和收集数据,比“普朗克”晚了一年。

但与这台巨无霸有关的科学家看上去比欧洲人更加用功,因为他们知道,他们的数据与“普朗克”无法相比,不论以量论还是以质论。他们清醒地认识到摆在面前的是什么,那就是本世纪以来最重要的宇宙学发现。所以他们更用功,也许因为他们更有经验,于是他们在前天,2014年3月17号,做好了宣布重大发现的准备。

这个发现就是,他们探测到了宇宙在最初一霎那脉动留下来的遗迹,体现为宇宙背景光子的涡旋。

以上是一段描写紧张而激烈的科学竞赛的散文。

图片 2欧洲的普朗克探测器,是目前观测微波背景辐射最先进的航天器。可惜,它错过了本世纪最重要宇宙发现的首次发明权。图片来源:lbl.gov

长期以来一直作为中国帝都具有象征意义的中心的紫禁城,其皇宫主体以及附属建筑群始建于十五世纪初,不过宫墙内外的建筑工程一直持续到十六世纪末,甚至更晚的时间。根据托马斯·斯通(Thomas Stone)——一位新泽西州普林斯顿大学的流体力学家,同时也是本次研究组的成员——说,故宫建筑群中许多的巨石都是来自距离北京70公里远的一个采石场。“要是你来到紫禁城,看到这些巨大的石块,就会忍不住自问:‘他们究竟是怎样把这块巨石搬过来的?’”他说。

“如果有恐怖分子威胁到国家安全,您应该把精力放在哪里?”
“应不应该不计代价发展替代能源,减少对石油的依赖?”
“我们真的可能为能源而跟别国开战吗?”
“您如何缓解公众对核电站的忧虑?”

一章励志故事的小说

如果用小说体裁,故事应该这么展开:

32岁的阿兰·古斯(Alan Guth)看去上已经不年轻了,很像后来出现在《生活大爆炸》电视系列里面的谢耳朵,典型的书呆子,极客。他已经做了8年博士后,研究工作不能以出色来形容,但还是处于一线的,因此在离开麻省理工之后,他经历过普林斯顿、哥伦比亚,现在落脚在康奈尔大学,依然做着博士后。在找到永久教职之前,他还缺乏一个重量级的科学想法。

就在不久前,他在康纳尔聆听了一位来自普林斯顿大学的著名教授的研究,这个科学想法在他的大脑中落下了种子。

播种的人叫罗伯特·迪克(Robert Dicke),一位有着各种成就的天文学学家,仪器设计家。他设计了著名的迪克辐射计,但更加著名的是,他在1964年错过了发现宇宙微波背景辐射,这种宇宙大爆炸在宇宙只有38万岁时留下来的遗迹。发现者是更加年轻的,基本不懂宇宙学的彭齐亚斯和威尔逊,他们的发现让他们在1978年获得诺贝尔物理学奖。而迪克留下来的是一句名言:“我们被抢先了。”

无论如何,迪克在康奈尔的演讲有着非同寻常的意义,也许不亚于他本人的任何科学发现:这个演讲启发了大龄青年古斯,让他发明了宇宙暴涨论。

古斯将这个想法带到不同的会场,激发了很多同行的想象力和热情。因为,在此之前几乎没有人想过宇宙大爆炸为什么会发生,没有人想过宇宙为什么在数亿光年的尺度看上去很均匀,没有人想过为什么微波背景辐射的温度在天上的每个角度都一样。

古斯想了,而且还想出了一个解释,或者关于宇宙的故事。这个故事是这样的:

宇宙在最初的一瞬时大约有10厘米,只存在了一亿亿亿亿分之一秒,或者类似的一个极短时间。宇宙的尺寸大得与这个极短时间不相称。古斯说,不要紧,在这个一瞬之前,宇宙经过了一个惊人的膨胀,现在被称为暴涨。在这个一瞬之中,宇宙在某种邪门的能量驱动下暴涨了100亿亿亿倍,我说的是线性尺度,即在空间的3个方向上都增大了这么大倍数。这数目非常大,大约是10千克物质中所含的原子数目。换个角度看,如果我们将质子的直径放大100亿亿亿倍,质子就变成了以太阳为球心恰好能包住地球绕太阳轨道的一个巨大的球体。

因为宇宙暴涨了100亿亿亿倍,所以宇宙在各个方向都十分均匀,看上去没有区别。也因为宇宙从10亿亿亿分之一厘米成长到10厘米,宇宙今后就可能继续膨胀到一个巨大的尺度,也就是今天的直径大约800亿光年的巨无霸。

古斯在晃悠了不到两年后,将论文发表了,他也收获了巨大的名声。这样,他的母校麻省理工给他送来了好消息:请回到母校执教吧。于是,古斯就回到了美国剑桥镇,一待就是34年。

2005年,他获得《波士顿环球报》的最脏乱办公室奖。这个奖每次只奖给一个人,可见他的办公室乱到什么程度。顺便提一下,2013年,就是这家《波士顿环球报》被纽约时报卖了,这个事件曾经被当成传统媒体衰败的案例来宣传。

图片 3美国麻省理工学院的阿兰·古斯教授,曾经获得过《波士顿环球报》评出的最脏乱办公室奖。最新的这一发现,可能会让他因为提出暴涨理论而获得诺贝尔奖。图片来源:scallywagandvagabond.com

成名多年后,一家出版社邀请古斯写一本科普书。他在西方的理论物理学界和宇宙学界名气确实很大,出版社很看好他的书。这件事我在1993年,最晚1994年就听说了。故事还说,出版商预付了他100万美元的稿费,他将钱用来在麻省剑桥买了一个大房子,却迟迟不动手写书。到了我离开罗德岛两年后,也就是1998年,他的书才终于出版,书名为《暴涨宇宙——追寻宇宙起源的新理论》。我不知道这本书卖得好不好,出版商有没有将预付稿费赚回来。反正,这本书现在在英文亚马逊的排名可不高,只有七万多名。相比之下,霍金的《时间简史》是三千多名,霍金的书还早出了10年。

现在,他仍然看着像个极客,67岁的老极客。而美国人在南极的新发现,极有可能为他带来诺贝尔物理学奖。如果我们乐观一点,他的获奖年份也许是2015年,不会晚于2016年。

以上,就是一个励志小说。

有几位历史学家曾经简单地提及过,紫禁城中有些巨大的石头,是在隆冬季节由人力拉动的雪橇运来的。不过,北京科技大学的机械工程师李疆(李疆也是这篇研究论文的第一作者)偶然发现了其中某一块石头的故事详情。

要问答这一串问题,估计是真的奥巴马上阵,也得想上半天。不过,还真有本书专门解决总统阁下可能面临的烦恼,这就是“写给未来总统的物理学”。

一则关于宇宙暴涨论的科学

关于科学,我们叙述如下:

古斯的暴涨理论提出一年左右,包括古斯本人以及霍金在内的物理学家指出,宇宙暴涨论正好可以解释宇宙中结构的产生,例如所有星系形成之前的种子来源于暴涨时期的量子涨落。那个微小到只有十万分之一的涨落后来被万有引力放大,开始出现恒星和星系。甚至,上世纪60年代就发现的宇宙微波背景辐射也不完全是均匀的,在天空不同的方向上应该有大约20微K的涨落。这么小的温度,即使在地球最好的低温设备中也很难达到。可是,天文学家从上世纪90年代开始,就观测到了这些涨落,从而部分验证了暴涨论的预言。

为什么说只是部分验证了暴涨论?因为,在暴涨论之外,物理学家还发明了奇奇怪怪的其他理论,也能解释天文学家根据暴涨论去观测到的温度涨落,包括温度与天空两个方向之间角度的关系。我们知道,微波背景辐射就是光子,光子除了有一定频率,还有偏振。光子的偏振是否带有暴涨论的特征呢?理论家告诉我们,确实如此。在暴涨时期,不仅能量有量子涨落,万有引力本身也有量子涨落,也就是引力波。所有这些涨落在暴涨结束后会直接影响宇宙中的热粒子,包括光子。宇宙学家计算得到,暴涨时期产生的引力波导致光子的极化在天空上产生涡旋:也就是说,如果我们顺着极化画出一条一条线,会出现类似水面漩涡的图案。

据古代史料记载,这块体积49立方米,重达112吨的庞然大物在1557年花了4周时间才被拖运到北京——也就是平均每秒钟移动8厘米。而据斯通说,宫里还有更重的石头。

这本书的全名叫《给未来总统的物理学:新闻背后的科学》(Physics for Future Presidents: The Science Behind the Headlines)。作者理查德•穆勒(Richard A. Muller)在这本书里结合新闻头条,从物理学的角度探讨了恐怖主义、能源危机、核能安全、太空竞赛和全球变暖这5方面和国家安全与未来发展有关的物理议题。穆勒在书中提出,想要制定重大国策、读懂新闻背后的真相,人人都该懂一点物理。“我们生活在一个复杂而危险的时代。奥巴马和他的继任者们将必须知道,伊朗新近掌握的核能是否会发展成为西方世界的真正威胁、恐怖主义分子是否会研发生化武器、有没有应当得到政府培养和支持的化石能源替代品、是否应该大力发展核能,还有,全球变暖的真相究竟为何。这些是21世纪的所有总统和公民‘必备’的信息。”

但这种图案十分难以观测,因为与温度涨落相比,涡旋涨落只有不到百分之一,需要极端灵敏的辐射计。如果说温度涨落只有20微K,那么涡旋涨落只有100纳K左右(1纳K

10-9K)。美国在南极的这项实验不过是很多类似实验中的一个,集中了12家大学的力量。他们是第二次做这样的实验了,上一次没有成功,第二次实验将灵敏度提高了大约10倍,他们的仪器灵敏度达到了87纳K,他们甚至用上了最先进的“乌贼”——量子扰动超导探测器。终于,他们在宇宙暴涨论预言的夹角,也就大约1角秒的地方,看到了如此微小的涡旋涨落。

图片 4南极实验中发现的微小的涡旋涨落,这是原初引力波在微波背景辐射中留下的印迹。图片来源:哈佛-史密松天体物理中心

实验积累了从2010年到2012年的数据,换句话后,科学家用了一年的时间从大量的数据中分析出了宇宙原始引力波在微波背景辐射上留下的涡旋。全世界造价最高、灵敏度最高的辐射计是欧洲发射到距离地球150万千米的Planck卫星,他们在2011年年底就收集齐了数据,大约一年前公布了第一个结果。可惜,他们虽然比美国人早了一年收集好了数据,却没有完成对涡旋涨落的分析。在最近10年最重要的宇宙发现竞赛中,欧洲人赢在了起点,输在了终点。宇宙暴涨以及引力波的第一个证据是美国人发现的。

眼下,美国人的欧洲同行耳边一定回响着迪克的名言:“我们被抢先了。”

 

上述的文件后来被翻译成英文,并引起了一些疑问。斯通表示,首要的问题就是,为什么在公元前四世纪就发明了轮式车辆的中国,却没有用这一技术来运输巨石呢?此外,他还问道,使用结冰道路上的雪橇拖运是最佳的方法吗?

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