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图93 可见光的光谱只是电磁波谱中的一小段。所有电磁辐射,包括可见光,是由电场和磁场的振动构成的。可见光波长的范围仅限于电磁波谱中的一个非常狭窄的波段。因此,为了尽可能全面地研究宇宙,天文学家试图在整个波长范围上——从十亿分之一米(X射线波段)到几米(射电波段)——来检测辐射。
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虽然我们无法用眼睛看到这些极端的波长,但它确实存在。这种情况就如同声音一样。动物发出的声音有一个波长范围,但是我们人类只能听到其中非常有限范围内的声音。我们既听不到大象发出的次声波(长波长),也听不到蝙蝠发出的超声波(短波长)。我们之所以知道超声波和次声波的存在,只是因为我们可以用特殊仪器检测到它们。
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央斯基走在了他所处时代的前头,因为他那个时代的天文学家还不熟悉无线电技术,不愿跟进他的突破。更糟糕的是,又赶上大萧条,贝尔实验室无法拨出资金支持射电天文学,于是央斯基只好被迫放弃他的研究。然而,央斯基的突破及时鼓励了天文学家去拓宽超出可见光谱的观测范围。
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今天的天文学家不仅运用射电望远镜,还包括红外望远镜、X射线望远镜等设备,这使他们能够获取整个电磁频谱的信息。通过探索这些不同波长的信息,天文学家能够从不同方面来研究宇宙。例如,X射线望远镜探测的是最短的波长,这个波段是观测宇宙中最活跃事件的理想场所。红外线望远镜在观测我们自己的银河系方面非常有效,因为红外线波长能够穿透星系尘埃和气体,使可见光看不清的对象变得清晰。
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利用天体发出的每一种可能波长的光来探测已成为现代天文学的中心原则。光,无论是可见的还是不可见的,是研究宇宙的唯一途径,因此天文学家们必须利用一切可以利用的波长去拾取每一个可能的线索。
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说点题外话。有趣的是,央斯基对星系射电辐射的探测纯属偶然,因为他遇到的这种美妙的东西并非他一开始就要寻找的东西。其实,这只是科学发现上鲜为人知但出奇地常见的特征——偶然的机遇——的美好例证之一。“偶然的机遇(serendipity)”这个词是由政治家兼作家罗伯特·沃波尔爵士于1754年创造的。他在一封信里讲述关于一个熟人的一件偶然而幸运的发现时用了它:
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这个发现确实几乎称得上我说的那种“偶然的机遇”,一个非常富有表现力的词,我没有更好的表达方式来传递这其中的微妙关系,我将努力向你解释:通过推演而不是定义你会更好地理解它。我曾经读过一个可笑的童话,叫作《塞伦迪普的三个王子》中讲道:在这三位殿下的旅行中,他们一直在通过偶然而睿智的方式来发现那些并非他们追求的东西。
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科学技术史上充满着偶然。例如,1948年,乔治·德梅斯特拉尔在瑞士乡间散步时,看到他裤子上粘了一些带刺的种子,他发现这些刺的弯钩牢牢地抓在织物的纹理上,于是受到启发,发明了尼龙搭扣。称得上偶然的另一个例子是,阿特·弗莱在开发强力胶时,意外地配制出一种粘性非常低的胶水。这种胶水的粘性低到被粘在一起的两件东西轻轻一拉就脱开了。弗莱,这位当地教堂唱诗班的成员,机敏地将这种配制失败的胶水涂抹在纸边上,然后在这种涂有胶水的纸上写上页码贴在赞美诗集上,就这样,报事贴便条便诞生了。医疗上偶然性的一个例子是伟哥,这种药最初是开发用来治疗心脏病的。后来发现参与临床试验的患者坚决拒绝交还那些尚未服用的药片,即使这些药物对他们的心脏问题没有显著的作用,于是研究人员开始怀疑这种药物可能有积极的副作用。
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我们不宜轻易地给那些抓住机遇的科学家贴上“幸运”的标签,这是不公平的。所有这些借助偶然而成功的科学家和发明家们之所以能够抓住仅有的一次机会取得成功,是因为他们已经积累了足够的知识,成功只是水到渠成的结果。正如路易斯·巴斯德——他也得益于偶然——所说的那样:“机遇垂青有准备的头脑。”沃波尔在上述的他的信里也强调了这一点,他将意外发现描述为“偶然和智慧”的结果。
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此外,那些受到机遇垂青的人在机遇来临时必须准备好拥抱机遇,而不是简单地将裤子上粘着的刺儿果刷掉,将配制失败的胶水倒入水槽,或放弃一个不成功的医疗试验了事。亚历山大·弗莱明之所以能发明青霉素,全赖于从窗户吹进来漂浮在培养皿上的一块青霉菌斑,它落在培养皿上,杀死了培养的细菌。许多微生物学家此前极有可能也遇到过青霉斑点污染了他们培养的细菌的情况,但他们都将受污染的菌体倒掉了,而不是看到有可能发现能挽救数百万人的生命的抗生素的机会。温斯顿·丘吉尔曾经说过:“男人偶尔会被真理绊倒,但他们大多数自己爬起来,匆匆赶路,好像什么事也没发生过一样。”
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返回到射电天文学,我们将看到,偶然性不仅仅孕育了这种新的观测技术,其实它要有用得多。在未来几年里,它将在这一领域的几项发现中发挥着核心作用。
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例如,在二战期间,中学教师斯坦利·海伊被借调到陆军作战研究小组从事英国雷达研究项目。传输和接收无线电波是雷达工作的基础,海伊被要求解决盟军雷达所面临的一个特殊问题。操作员在监视雷达系统时偶尔发现,屏幕会出现像圣诞树那样的闪光,这种干扰阻碍他们识别敌人的轰炸机信号。他们认为这是德国工程师们开发的一种新的雷达干扰技术,让英国的雷达站的雷达出现闪屏。海伊给自己定下的任务是搞清楚德国人是如何产生如此强大的无线电干扰信号的,搞清楚这一点,就能找到对付它们的办法。后来,到1942年春天,他搞明白了,英国雷达上出现的问题与德国人无关。
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海伊注意到,干扰似乎在早晨来自西边,中午时分来自南边,下午又转移到东边,日落后消失。显然,这不是纳粹的秘密武器,而只是太阳发出的射电辐射的结果。事有凑巧,太阳正处在其11年太阳黑子周期的峰值期,射电辐射的强度与强烈的太阳黑子活动联系在一起。通过研究雷达,海伊意外地发现,太阳——想必所有的恒星——会发射无线电波。
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海伊似乎特别受机遇的青睐,因为在1944年,他又做出了另一个幸运的发现。在使用特种雷达系统指向某个很窄的角度时,这是他开发出来用来对付入侵的V-2火箭的技术,海伊注意到,流星在穿过大气层时也发出嘶嘶的无线电信号。
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当战时雷达研究的热潮在1945年结束时,盟军方面留下了大量冗余的无线电设备和一大帮懂得如何使用它们的科学家。正是出于这些原因,射电天文学开始成为一个严肃的研究领域。第一批全职射电天文学家中有两人——斯坦利·海伊和他的战时同行,雷达研究员伯纳德·洛弗尔。洛弗尔设法弄到了一台前陆军机动雷达装置,开始实施射电天文观测的计划。但这只是洛弗尔在曼彻斯特建立射电天文学观测台的起点。电车经过带来的无线电干扰迫使他将观测站移到焦德雷尔班克——该城市以南大约30千米外的一个植物园里。在那里,他开始建造一个世界级的无线电观测站。与此同时,剑桥大学的马丁·赖尔则试图不落焦德雷尔班克之后。也正是赖尔将射电天文学变成了判断大爆炸与稳恒态争议的关键手段。
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图94 斯坦利·海伊战时的发现被赋予新的生命。1963年4月,《每日先驱报》在“科学前沿”栏目里曾以连环漫画的形式描绘了这一技术的特征。
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4幅连环画的文字:
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(左上)1942年2月,二战期间,英国出现了噩梦般的危机。全国所有的雷达都报告说,一种新的“嗡嗡”声完全破坏了英国的雷达防空系统。
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(右上)J.S.海伊领导的英军雷达运行调查组立即着手研究其原因。
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(左下)海伊惊异地发现,雷达干扰不是来自海峡对面的德军,而是来自太阳黑子的强电磁活动。当时正处太阳黑子和太阳风活动的爆发期。
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(右下)这是导致诞生全新的天文学——射电天文学——的重大事件之一。在这个领域,科学家就像用眼睛看到一样可以“听到”遥远恒星所发出的声音。
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赖尔于1939年毕业于物理专业,二战期间也从事雷达工作。他先是被编入研究机载雷达的工作机构,后转职到空军研究部,并在那里研究出如何瘫痪V-2火箭制导系统的方法。他战时的最大成就是成为绝密的“月光计划”的成员。这一项目可以通过在德国雷达上产生虚假信号来模拟海上或空中攻击。在D日登陆行动中,他通过模拟在法国远离实际登陆地点的两次大规模海军攻击来帮助盟军分散和误导德军的注意力。
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