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有哪些让人觉得不可思议的科学现象?

在这个话题下没看到天文相关的答案有些失望啊。

毕竟“不可思议”这个佛教词汇本来就是一个数字单位。按吉田光由《塵劫記》,1不可思议 == 10^{47} 。这个量级的造化神通,也就是在天体物理现象里面敢做笑谈了吧?旷劫年光之外,万亿太阳质量的巨大椭圆星系中心盘踞着十亿太阳质量的硕大黑洞。在距离黑洞事件视界外不远的地方,难以想象的复杂磁流体力学过程催生出宇宙中数一数二的粒子加速器:尺度可轻松达到数十万光年的相对论性喷流中,无数被加速到接近光速的粒子通过各种辐射机制,咆哮出 10^{47} /mathrm{erg/s} 的射电光度,让地球上的天文学家“震耳欲聋”。还有比这更接近“不可思议”本意的解释吗?即便按照目前Google认为的更离谱的兑换:1不可思议= 10^{64} , 宇宙学家依然可以作弊般地搬出超大质量星系团的质量能量 ( E=mc^2 )来接招。

不过,作为接受过天体物理专业训练的人,只拿数量级来说话未免欺负人了。“不可思议”往往做“难以理解”用,公然向科学家挑衅。然而,“不可思议”也可以在惊讶得瞠目结舌的时候拿来救场。在天文现象里,有很多是物理学家已经非常轻松地理解了的,然而放置于天体物理的尺度和极端条件上,依然可以产生“不可意思”的观感来。鲲鹏扶摇直上,雨燕檐下低飞,空气动力学原理应该都是一样的。但谁看见“翼若垂天之云”的大鸟扑啦啦飞过不大喊“不可思议”!那不是吓晕了就是在装逼。

这里就简单举两个天体物理中类似的例子:物理原理简单到让你想笑,实际天体物理场景让你感动到想哭。权当抛砖引玉。

热盐混合 (Thermohaline Mixing)

这个有趣的实验在厨房里就可以做:准备一个放入冷淡水的杯子;另一个放入染色的温盐水的杯子用硬纸板挡好,把两个杯子口对口竖直放好,保证热盐水在上,撤走纸板,很快你就会在冷淡水和温盐水的交接处看到无数纤细的“盐手指” (Salty Finger) 生成 (见下图)

这个物理现象叫做双扩散对流 (Double Diffusion Convection),或者叫做热盐混合过程,是一种流体中常见且重要的非线性现象,当两种溶质不同的液体同时存在温度和密度差异的时候就会出现。这个现象有很多有意思的生活观察,比如热咖啡导入冷牛奶制作拿铁咖啡时自然产生的分层现象,也是可以用双扩散对流来解释的。拿铁的分层 (stratification) 和上面看到的盐指都是双扩散对流的一种表现形式,其区别在于不同液体由于温度和盐度引起的扩散速率的不同。在图上的例子中,热盐水中由于温度引起的耗散比盐度引起的要快得多的多,换句话说,热盐水在能变“淡”之前先变冷了,导致密度变高,产生了不稳定性引起的局部对流,导致了盐指的出现。这个过程对于海洋中的垂直对流非常重要,甚至对全球尺度的海洋环流都有作用,在地球上研究得不少。然而我说这个现象在恒星内部也存在,甚至可能还很重要,你可以想象吗?

实际上,只要把上面的液体置换成温度要高几个量级的等离子体“浓汤”,把盐度想象成包含了不同重元素组分的恒星内部成分 (恒星内部不同深度上的等离子体的平均分子数不一样) 就可以了。中小质量恒星 (0.8-2.0太阳质量) 在演化到红巨星的阶段,中心会出现一个氦核,一开始的时候由于温度压力不够,是无法进行核聚变的;当恒星核心外面的核聚变不断进行,让中心氦核的质量高到一定程度的时候,可以发生短暂且剧烈的核聚变,叫氦闪 (Helium flash),在很短的时间内把大量的氦聚变成为碳。这个过程发生在恒星中央简并氦核的外侧,最终的结果是:在温度稍低一些 (由于中微子能量损失),平均分子数较低的几乎全部是氦组成的核心外侧有一层温度更高,平均分子数更“重”的碳元素。到这里有没有觉得稍微熟悉一点呢?

其实,早在1972年,著名天文学家Roger Ulrich就在一篇短文中认真讨论了恒星内部的热盐混合过程。不过很长一段时间里,天文学家都认为这个现象不会很重要,会被其他物理过程迅速抹除。然而,天文学家理解恒星一直是从一个很简化的角度出发的:没有自转,没有磁场的一维模型。而我们对于对流这样无比重要的物理过程的理解也是很粗浅的,在恒星建模中往往会使用一些简单的梯度判据。按照这些判据,热盐混合过程其实都未必会发生的。不过,随着研究深入,模型日益逼真,天文学家终于重新认识到了热盐混合过程很可能在中小质量恒星的红巨星阶段自然出现,并对我们理解包括我们太阳在内的恒星的归宿有重要作用。一系列关于红巨星大气中不同元素丰度的模型预测和观测的不匹配都可以通过内部更有效的混合机制来解释,而海盐混合扮演的角色可能比我们想象的重要的多。

甚至宇宙学现象都可能求助于热盐混合过程:3He疑难。作为He的同位素,3He在宇宙中观测到的比例非常低,然而我们都知道中小质量恒星在演化中会在包层中大量产生3He。为什么这些3He不能随着恒星的死亡和包层的逃逸释放到星际介质里被我们观测到呢?天文学家们通过昂贵的三维数值模拟发现,这很可能也是红巨星演化内部核心附近的热盐混合效应导致的:这种之前被忽视的物理过程可以异常有效的方式提供混合机制,导致3He被“摧毁”。

从你在厨房里做的小实验,到红巨星简并氦核外猛烈的氦闪,双扩散对流产生的物理现象可以让你把手中的一杯拿铁,视线尽头的大海,以及海上孤悬的落日都联系起来,也算是“不可思议”了吧。

冲压剥离 (Ram Pressure Stripping)

这个现象你一样可以轻松体验:找一个无风的室内环境,骑上自行车,在车头放几张A4纸,你会发现纸会很快飞走。为什么呢?我猜很多中学生都可以回答出来:自行车和室内空气的相对运动产生了对纸片的压力,由于纸张很轻,这个压力就如风般将纸从车上“剥离”掉了。这个过程,就叫做冲压剥离。并不难证明,冲压的压力可以用简单公式 P_{/rm ram} = /rho v^2 来表示:冲压等于介质密度乘以相对速度的平方,很好理解。然而,在星系演化的尺度上,冲压展现出来的可怕是你想象不到的。

我们的银河系,温柔而平静,恒星在银盘上规则运动,盘上的气体缓缓地转换成恒星,又不断地从银河系富有重子物质的银晕内吸积气体,维持着一种生机盎然的平衡,所谓可持续发展,不过如此。然而绝非所有星系都如此幸运。天文学家很早就发现,星系的“颜色”和他们所处的“环境”有关。同样都是银河系质量的规则盘星系,像我们银河这样的,处于基本与世无争的小星系群内,就能维持着气体和恒星之间的生生不息,不断产生的年轻恒星骄傲的热连续辐射赋予了星系祥和的蓝色,宛若从太阳系边缘欣赏地球上海洋的感觉;然而,若是这样的星系不幸位于一个超大质量的星系团内,环绕在大质量的椭圆星系周围,绝大多数情况,我们看到的只会是一抹沙漠般的暗红:失去了气体的星系无力继续产生新的恒星,只有低温的红巨星还在努力证明着这里曾有过的生机和辉煌。这是为什么呢?

同样还是在1972年,James Gunn和Richard Gott III就提出了预测,认为冲压剥离是杀死星系的幕后黑手。简单来说,大质量星系团的内部,星系之间不是真空一片,而是充满了各种高温的星系际和星系团际的高温热气体。而当这些质量恐怖的结构的引力对周围的小星系是一种无法抗拒的致命吸引。在强大引力的加速下,当无辜地小星系落入星系团的陷阱的时候会达到非常高的速度。这个时候,星系团内高温热气体对星系产生非常可怕的冲压剥离现象。小星系内的恒星结构 (自行车) 还算能幸存下来,但是星系内部稀薄的冷气体 (车头的A4纸) 可就没这么幸运了。

尽管提出了这么久,但也是到了最近,天文学家才通过对大量星系团内星系的恒星和气体成分的观测证实了冲压剥离的重要和高效。在星系团内天文学家们观测到了一种叫做“水母星系”的特殊天体,然而和这个充满生机的名字暗示得截然不同,通过气体运动学的观测,天文学家们现在知道这是星系团冲压剥离刚刚落入的盘星系上气体的“犯罪现场” (如下图)

上图展示的这个典型的水母星系叫ESO 137-001,是大质量星系团Abell 3627中最为知名的一个冲压剥离的实例。从这个还在努力形成恒星的盘星系上被拉扯出的气体绵延出上万光年,气体在仅存的少量年轻恒星的电离下发出幽幽的蓝光:我们仿佛看到了一个星系的“魂魄”正在脱壳而出。这样的死亡过程是快速而残酷的,仅仅几亿年后,这个星系就会变成再也无法形成恒星的“僵尸”,除了听话地绕着星系团中心的星系绕转,并在适当的时候被吞噬掉,成为中心椭圆星系的一部分外,再也没有别的命运可选择。

随着观测的深入,天文学家愈加的确信,这样的一个看似简单的物理过程正在以可怕的效率,在可畏的尺度上把大质量暗物质晕内的星系推向死亡的边缘。不知道你怎么想,我觉得这是有一点“不可思议”的。

《维摩诘经》云:“诸佛菩萨有解脱名不可思议”。似乎佛教原意中,不思,不议,方可得解脱。然而天文学家活得真的没有这么洒脱。天地元黄,宇宙洪荒,每一寸光阴,每一方星空都有天文学家的惦记,对于小小人类来说,这本身就算是够“不可思议”了吧。

来源:知乎 www.zhihu.com
作者:黄崧

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