太阳就是个普通的太阳,手机最清楚

乍一看,太阳不过是由一团热气在自身引力的作用下形成的大火球。离我们最近的傻白甜恒星一枚。年轻的时候,湍流的等离子体承载着他的生命力,翻腾、涌动,把能量发射出去。渐渐地,等老了,心跳不动了,再也抵抗不了自身引力的时候,坍缩、膨胀、辐射,把自身的粒子和能量重新抛射出去。

斯蒂芬·沃尔夫勒姆这个名字,在中文世界里可能远谈不上家喻户晓;但他的英文名Stephen Wolfram恐怕反而却要熟悉得多。大名鼎鼎的数学软件Mathematica每次启动的时候都会用大红字提醒你这是Wolfram出品;而“计算知识引擎” WolframAlpha更是每一个极客必备的网站。

(IvyP/译)在统计某个区域内居住的人口时,通过上门走访和邮寄问卷的方式可能要花上几年时间;不过,在最新的一项研究中,科学家们提出了一种新方法——他们开发了一种利用手机记录进行人口统计的方法,不但可以获得居住地的信息,还能了解人口的动态。研究论文于10月27日发表在《美国科学院院刊》(PNAS)上。

如果你一层、一层剥开太阳的心

图片 1太阳结构示意图(翻译:席子上的汗滴到嘴里 | 图片来源:NASA)

太阳核心剧烈的核聚变反应产生能量,以光子的形式从核心辐射出来。在太阳辐射层区域,光子在稠密物质内部经过电子的多次折射与散射,逐渐把聚变的能量从核心区域传到表面。(太阳君这个前戏过程通常持续上百万年,极少的光子才能经过8分钟的高潮驶向地球。)

在靠近太阳表面的区域,能量传递主要依靠等离子体间的对流。热的等离子体从对流层底部上升,冷的等离子体从对流层顶部下降,翻涌、摩擦、上下运动,一本正经地完成热量交换(这个时候身边如果有男票女票的话,准备一杯热咖啡,上面加一层冰淇淋。给他/她模拟出对流层区域,轻轻地在耳边说:“靠近凉冰淇淋表面的区域下降、底层热区域上升,再下降、上升、温度差异就可以通过和谐的往复运动解决呢~”)。

对于地球来说,空气的对流产生了大气环流和信风带;而在太阳内部,燥热的等离子体对流运动掀起的巨浪,叫做“米粒组织“。

图片 2太阳黑子旁边的米粒组织(图片来源:SST太阳望远镜)

如果你用望远镜观察太阳(不可以直接通过普通的望远镜看太阳!不想被刺瞎黄金眼请搞滤光器装置,或者直接将太阳通过望远镜的像投射到白屏上哦~),可以看到密密麻麻的不稳定斑点。这些正是光球层上由于等离子体对流而产生的“米粒组织”。

带电的等离子体运动会同时产生磁场。磁场本身虽然不可见,不过磁场之间的相互作用会在外面光球层上露出端倪——光球层温度大约5800K左右,而光球层上磁极N、S两端温度只有4240K。相比于高温区域,这些低温区域看起来会暗一些。这正是太阳黑子现象。虽然看起来比周围暗了些,不过,太阳黑子区域的亮度仍比满月时的月亮更亮。

图片 3太阳黑子 摄影:Steed

何谓“计算知识引擎”?WolframAlpha的主界面看起来就像是一个搜索引擎,可是它的任务不是搜索网上的东西原样给你看,而是用这些东西计算出知识、回答你的问题。从直接了当的数学问题(对 x^2 sin^3x dx积分),到简单的逻辑问题(哪些书的名字里有“蓝”这个词),到物理和化学问题(ATP的电子式是什么,描述三维盒子中的自由粒子需要哪些变量和方程),甚至更一般性的知识问题(卡西尼探测器上携带了多少核燃料,林白单人飞越大西洋的起点和终点,1969年8月发生了哪些大事件),它都可以回答。更重要的是,这些问题都可以用自然语言提出,无需懂计算机语言——当然像Siri一样接受调戏的能力也是有的(其实它比Siri早得多)。数学家格里高利·蔡廷(Gregory Chaitin)说,这是“第一个真正实用的人工智能”。

比利时那慕尔大学的应用数学家雷诺·朗比奥特(Renaud Lambiotte)本人没有参加这项研究,他对此评价道:“这是人们第一次用数据证明,用手机记录得到的人口数据质量很高。”

千古谜题——每11年就反转一次的太阳磁极

人类对太阳的研究很早,《汉书》中就有记载:西汉河平元年(公元前28年),“三月己末 日出黄 有黑气大如钱 居日中央”。研究了几千年,还是有很多未解的难题,其中最重要的一个,就是与太阳黑子相关的磁场起源与反转问题。

太阳磁场每11年反转一次。经观测,太阳类恒星都有类似的磁场反转现象。太阳磁场反转时,对整个太阳系都会产生影响。由于两极磁场会在反转过程中[3] 削弱,更多色球层和日冕层的物质会被喷射出来,地球上受到的太阳辐射也就比正常状态下多一些。这些喷射出来的东西,就叫太阳风。

对,就这个太阳风,搞长了彗星的尾巴,还和地球大气层摩擦摩擦产生了极光。如果太阳风来的更猛烈些,连卫星通信(如卫星手机、卫星视讯信号、GPS等)也会受到干扰,打电话时或许会怀疑是不是用了假手机。因此,摸清太阳磁场除了对其他恒星磁场起源有启示作用,也能让我们在“风暴”来临前,早做些准备。

然而,直到200年前,人们都还认为,“我们永远没有知道星体的化学成分和矿物结构的任何办法”。

而斯蒂芬·沃尔夫勒姆的野心,可远远不止于此。

世界上96%的人都在使用手机。在发达国家,手机服务订阅人数甚至超过了总人口,因为有些人拥有一部以上的手机。而在发展中国家,手机的使用人数也在不断攀升,可达国家总人口的90%。这对人口普查学家来说是非常有利的,因为他们可以利用手机信号塔来定位手机通话人所在的地点,并用信号塔周围的通话密度来估计当地的人口密度。

被天体磁场探测方法打脸的一位哲学家

we will never know how to study by any means the chemical composition(of stars),or their mineralogical structure.
(我们永远没有知道星体的化学成分和矿物结构的办法)
—Auguste Comte

19世纪初,天文学家刚能用视差法测测星距,登陆某颗星采样当然是希望渺茫,于是,法国的这位哲学家简洁的总结了上面这段话。

然而,夫琅和费(Joseph von Fraunhofer)1814年就已经发现了太阳光谱中的吸收线。20世纪初,随着光谱学的发展,星际空间中的分子种类、物理环境、辐射机制,都可以从光谱信息中推测出来。哲学家所断言的“无法获知的信息”可以通过间接的方法获知。通过谱线红移能够确定宇宙正在加速膨胀、光谱信号峰值可以推算星际物质温度、利用谱线分裂程度间接判断恒星磁场强度。

下图就是太阳黑子附近的光谱,由于太阳黑子附近的强磁场环境,一条谱线分裂成了三条。天文学家利用这种手段发现太阳黑子附近有很强的磁场。

图片 4来自太阳黑子的谱线经过分光镜发生谱线分裂(图片来源:T. Hey and P. Walters | “The Quantum Universe”, Cambridge University Press, 1988)

在太阳模拟过程中,需要引入了质量、光度、自转速度、恒星年龄等重要利用各种手段探测出参数,不同恒星因这些基础参数不同,磁场反转周期不同。磁场反转机制比早期发电机理论更加复杂。[4] 

图片 5图片 6磁场周期性变化与恒星纬度关系图(赤道两端磁场分布具有对称性,时间分布具有周期性,但在240-320年间周期性紊乱)(图片来源:A.Strugarek | 参考文献[1])

沃尔夫勒姆1959年出生在英国伦敦,父母是当年从德国来英避难的犹太人。10岁的时候他立志要当科学家,然后几乎立刻发现自己和所有“科学家的摇篮”都合不来。12岁的时候他拿到了大名鼎鼎的伊顿公学的奖学金,却根本不屑于听老师指挥,还靠帮别的学生写作业来赚零花钱。17岁时,他还没从伊顿真正毕业就被牛津录取了,但是却没有真正“上”过牛津——开学第一天他听了一堂大一新生课,觉得“糟透了”。第二天和第三天他分别听了大二和大三的课,结论是“全都糟透了,我再也不去听课了”。自此他几乎就没有去上过课,并在短短两年之后就前往加州理工大学攻读理论物理博士生——牛津的一些老教授至今对此耿耿于怀。他拿到博士学位后立刻被加州理工聘用,当时他年仅20岁;仅仅一年之后他就获得了奖励年轻创新者的著名奖项“麦克阿瑟天才奖”,至今仍然是该奖最年轻的得主。

作为绘制世界各国详细人口信息的开源项目WorldPop的一部分,比利时布鲁塞尔自由大学的地理学家凯瑟琳·林纳德(Catherine Linard)和鲁汶大学的数据科学家皮耶尔·德维尔(Pierre Deville)领导的研究团队,利用手机数据估计了法国和葡萄牙的人口密度。他们从每个国家的主要手机运营商处获得了汇总并且匿名的通话记录,总计超过10亿。在葡萄牙,这些通话来自200万名用户,占总人口的约20%。每个通话都由网络运营商记录了发送和接受信号的手机基站、通话时长以及用户标识符,用于话费统计。在法国,这些记录来自1700万名用户,占总人口的约30%。由于两国运营商的政策不同,法国的数据仅包括当天的通话记录。

为了解开这个千年谜题

来自法国原子能委员会天文部(CEA)、法国国家科学院(CNRS)、巴黎第七大学的科学家尝试通过模型数值模拟,解释太阳磁场反转周期的规律。

地球上大气的对流产生了南北信风。如果对流的“大气”是带电的,那“风”就会产生磁场。磁场流露着“大气”躁动的内心,把磁场线发射出去。这就是恒星磁场的起源——恒星内部带电等离子体的对流。

正如地球自转产生的科里奥利力会让信风发生偏转一样,恒星上由等离子体对流产生的磁场同样与恒星自身自转速度有些内幕交易!当科里奥利力对太阳这个球下手,太阳内部的等离子体环流运动同样受到一定影响,进而影响等离子体运动产生的磁场。

图片 7地球大气环流示意图(图片来源:李建平 | 全球大气环流气候图集, 气象出版社, 2001)

科里奥利力对恒星内部等离子体环流运动的影响越大,恒星磁场的反转周期就越短。[8] 这是法国原子能委员会的斯特鲁加里克(A.Strugarek)团队对恒星磁场湍流建立模型得出的模拟结果。模型结果表明,恒星自转影响着内部等离子体的对流运动,恒星磁场反转周期与恒星的自转速率和光度都有关系。(恒星blingbling的向外辐射出可见光和不可见光波段的光,“光度”就用来表征单位时间内恒星辐射能力的量[9] )。

天文学上专门有个叫做“罗斯贝数(Rossby number)”的参数,用来表征系统中科里奥利力起不起作用。罗斯贝数数值较小时系统主要是受科里奥利力影响,而罗斯贝数数值较大时表示系统主要受惯性力及向心力影响。换句话说,恒星磁场反转周期与罗斯贝数成反比关系。

但是,这样一位少年天才此后的发展路线却出乎所有人的意料。在加州理工时,他发明了一种计算机语言,却因为学校规定他不能独享专利而和校方闹翻,转而前往普林斯顿高等研究院。在这里他放弃了理论物理,开始研究一个奇怪的新领域:“细胞自动机”。

利用通话记录,研究者们开发了一个模型,用通话密度来估计每个手机信号塔周围的人口密度,并将手机信号塔覆盖范围较高和较低区域内,手机使用情况的差异考虑在内。结果可以看到,不同时间和不同季节里,人口动态的明显趋势,这种信息是以调查为主的传统人口普查所无法反映的。在节假日里,城市里的人口锐减,而沿海和巴黎迪士尼公园等旅游景点的人数则激增。在一周里,工作日的时候人们到城市里上班,周末时则会回到郊区。

太阳类恒星磁场反转周期有什么规律?

斯特鲁加里克团队的研究结果同样可以解释太阳类恒星的磁场反转现象。如下图所示,左图反映了磁场反转周期与恒星自转的比率与罗斯比常数线性相关。右图说明这个比率同恒星自身光度线性相关。这个图的数据来自太阳与太阳类型的恒星。将来也将继续利用这个模型观测分析更多恒星,进一步完善这种磁场起源理论。

图片 8图片 9磁场反转周期与恒星自转的比率随Rossby number和光度变化趋势(图片来源:A.Strugarek | 参考文献[1])

 事实上湍流是力学上最困难的难题之一。要想精确的知道湍流产生运动的规律,就需要分析清楚流体中压强的分布、流体所受的力、流体中热量和物质怎样传播等一系列问题。正如屈原在《天问》中问道:“遂古之初,谁传道之?上下未形,何由考之?”宇宙天体的形成与演化依旧宛若轻撩面纱的曼妙少女,未知且迷人。(编辑:明天)

想象一下,一望无际的大平面被分成了许许多多方格子。每个格子里正好能放下一个“细胞”。这个细胞不能运动,它可以是死的,也可以是活的;但它的状态,是由它周围8个细胞的死活决定。

图片 10模型分析发现,人们在工作日集中在城区(红色),而在假日则奔赴海滩(蓝色)。图片来源:sciencemag.org

参考资料:

  1. A.Strugarek;P.Beaudoin Reconciling solar and stellar magnetic cycles with nonlinear dynamo simulations
  2. cea the secrets of magnetic circles in sstars
  3. 武际可.音乐中的科学-湍流和声音
  4. Babcock, Horace W.; Babcock, Harold D. The Sun's Magnetic Field, 1952-1954, 1955, ApJ,121, 349

至于决定的规则,在这个例子里只有这么几条:

研究者们还将他们的结果与利用遥感技术所获得的人口密度数据进行了对比,后者是被广泛使用的一种方法,用卫星图像来收集人口居住模式的具体信息,并估计人口数量。结果表明,这两种方法与基于调查的人口普查数据相比,在准确度上相当,但是利用手机数据能够获得更及时的信息,可以具体到每个小时。

1 “人口过少”:任何活细胞如果活邻居少于2个,则死掉。
2 “正常”:任何活细胞如果活邻居为2个或3个,则继续活。
3 “人口过多”:任何活细胞如果活邻居大于3个,则死掉。
4 “繁殖”:任何死细胞如果活邻居正好是3个,则活过来。

然而,林纳德表示,这种方法也有不足之处,如果要在其它国家使用该方法,研究小组就必须根据不同的手机使用模式来对他们的模型做出调整。比如,有些国家的人可能更喜欢发短信而不是打电话,又或者某个区域的居民都太穷,用不起手机。她说,这种方法如果与例如遥感等技术结合使用,效果会很好,而不应代替人口调查。

而下面这几张图,全是遵循这几条简单规则的产物。

美国人口统计局的首席科学家汤姆·路易斯(Tom Louis)认为,这项研究展示了大数据的优势和局限性:虽然可以获得及时信息,但这个方法的准确度还没达到正式使用的标准。他表示:“大数据非常有价值,但目前来说,还需要用传统的方法来对其进行验证。”

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