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《科学24小时》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

旨在向全国广大群众,特别是具有中等文化程度的广大青年,普及科学技术知识,繁荣科普创作,启迪思想,...

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火车汽笛声的启示

2018-01-16 13:30:00

  1842年的一天,奥地利物理学家多普勒带着女儿在铁道旁散步时,一列火车从远方驶来。多普勒发现,随着火车驶近,汽笛声的音调越来越高;而火车开过后,汽笛声的音调则越来越低。出于职业的敏感,这种似乎司空见惯的现象却引起了多普勒的注意,并对其作了一番解读:汽笛声的频率是固定的,并且声波中的“疏”和“密”是按一定距离排列的。但是当火车迎面开来时,它把空气中声波的“疏”和“密”的间隔压得更紧了,因此对于观察者来说,等于是加快了声音的振动频率,音调也就高了。而当火车离开时,它把空气中声波的“疏”和“密”的间隔拉远了,因此对观察者而言,等于是减慢了声音的振动频率,音调也就低了。

  1845年,荷兰科学家白贝罗请人在火车上吹奏固定音调的小号,并组织了一群音乐家站在铁轨旁聆听火车驶过时的音值。这些具有绝对音感的观察者,确认了“多普勒效应”的存在。白贝罗随后又推导出了相应的计算公式。100多年来,多普勒效应在人类科技史上谱写了一系列光辉的篇章。

  多普勒雷达问世前后

  1912年4月15日凌晨,英国建造的当时世界上最大的邮轮——“泰坦尼克号”,不幸撞上了北大西洋中的冰山后沉没,遇难人数高达1517人。这个震惊世界的惨剧促使科学家们下定决心,要尽早发明一种能在黑夜、大雾等视线不佳的条件下,直接探测到前方障碍物的仪器。

  一种日常生活中的现象使科学家们产生了联想:一个人在山谷里大喊一声,过一会就能听到回声,这是声波碰到了山壁产生反射的结果。

  那么,如果人们能找到一种比声波传得更快更远,又能产生反射的物质,不就可以及时发现前方障碍物了吗?

  这种物质后来被科学家们找到了,这就是无线电波。1922年,“无线电之父”马可尼就曾预言,利用无线电波的特性,完全可以设计出这样的仪器。不久,人们利用这种仪器果然成功地探测到一艘木船。经科研人员进一步研究表明,利用脉冲电波(像人的脉搏跳动般的电波)要比连续发射的电波效果更好。

  1934年,英国皇家无线电研究所所长沃特森,正领导着一批科学家进行地球大气层无线电波考察。有一天,他发现在荧光屏上出现了一连串亮点,从亮点的亮度和距离推断,不可能来自大气层。后来他发现,这些亮点是被附近一座高楼反射回来的电波。这使沃特森兴奋之余,更触发了他的灵感。他将这种装置安装在载重汽车上,向一架15千米外迎面飞来的飞机发射无线电波。结果,当飞机飞到12千米处时就被装置发现了。这种无线电探测装置就是后来的“雷达”(英文radar的音译)。

  1939年,英国政府利用沃特森的发明,在沿海一带迅速建造了许多雷达站,构成雷达网。1940年9月15日,希特勒命令500架飞机轰炸英国首都伦敦,结果飞机远在160千米外的海面上,就在雷达荧光屏上“原形毕露”,导致185架飞机被击落。希特勒到死也没有解开其中之谜。

  二战结束后,美国科学家在这种雷达的基础上,进一步研制出“脉冲多普勒雷达”。它的工作原理是:当雷达向空中发射一个固定的脉冲电波进行扫描时,只要遇到活动的目标,反射波的频率和发射波的频率将会与声波一样,产生多普勒效应——“频率差”,从而测出该活动目标,例如飞机对于雷达的径向相对运动速度。根据脉冲发射和接收的时间差,可以测出目标和雷达之间的距离。

  多普勒气象雷达则是通过测定降水粒子径向运动的速度、垂直气流速度等,对暴雨、冰雹、龙卷风等灾害性天气实施全程监控,甚至实现自动识别和跟踪。这是普通气象雷达无法做到的。

  交警手执的多普勒测速雷达,可以把车辆运动产生的无线电波“频率差”,迅速在液晶显示器上转化为车速数据。如果超过规定,仪器不但会立即发出警报声,还会“同步照相”——清晰地显示车的外形、车号、时间及瞬时速度,为交警部门处理违章超速驾驶提供科学依据。

  神秘信号——“小绿人”or脉冲星?

  1965年,年仅24岁的乔瑟琳·贝尔以博士研究生的身份,加入了英国剑桥大学的射电天文学小组,并参加安装其导师休伊什教授设计的,被公认为“科学史上最大投资”的射电望远镜。

  从1967年7月开始,贝尔为了撰写博士论文,每隔4天(望远镜对整个天空扫视的时间)就详细分析一遍长达20米的记录纸带。贝尔既要从纸带上分离出各种人为的无线电信号,又要把真正来自天体的射电信号标记出来。

  当年10月的一天,贝尔从纸带上看到1个长约1.27厘米的特殊信号。她查看以前的记录后发现,早在8月6日的记录纸带上就出现过这种奇怪信号,截至9月底已被记录了6次之多。她将这一情况报告给了休伊什教授。经过讨论后,他们决定启用一种新型的分辨率很高的快速记录仪继续监测。到11月底,贝尔终于发现这是一种短暂的脉冲,周期很稳定,为1.33728秒。

  起初休伊什教授认为,这种脉冲很可能是人为的,因为它的周期太短了。当时已知最快的变星自转周期都要8小时呢!那么有什么自然物体,可以如此快速准确地保持其周期振动或运动呢?难道是“外星人”在以这种方式寻呼吗?研究小组的成员认为,如果推测是真的,那么这种“外星人”能通过自己的皮肤直接进行光合作用,因而它们的皮肤可能是绿色的,他们称之为“小绿人”(Lit-tle Green Man,简称LGM)。而贝尔对此持十分怀疑的态度。由于这个问题影响太大,休伊什教授在12月21日下午,与另一位射电天文学专家赖尔教授等核心成员进行了沟通。他们达成的共识是:如果确有“小绿人”存在的话,只能生活在某颗恒星的行星上。那个时代的技术,虽然不能直接观测这种行星,但是可以利用多普勒效应,即当行星靠近地球和远离地球时,信号频率的改变——“频移”加以确认。

  第二天清晨,贝尔来到实验室时获得了第二颗会发射脉冲的天体的数据——脉冲间隔是1.2秒。她把记录带放在休伊什的办公桌上后,便心情愉快地去过圣诞节了。很难相信,会有两个不同行星上的“小绿人”,以相同的频率在相同的时间向地球发射信号,这表明她的怀疑是有根据的。1968年1月,休伊什做的多普勒“频移”测定也有了结果:信号源并没有绕恒星运转改变频率。这更直接否定了“小绿人”的存在!同年2月,贝尔在英国权威刊物《自然》上发表论文,指出:这是“一种极为奇异的天体,可称之为脉冲星。它在太阳系之外,发射短暂而极有规律的脉冲。”后经科学家进一步研究,确认脉冲星就是高速自转的中子星。由于它的密度高达1018克/立方厘米,因而能高速运转而不瓦解。脉冲星的自转周期,也就是它发射脉冲信号的周期。

  深受患者欢迎的无创检查

  近日,一位平时自认为体质很好的老先生旅游归来后,忽感走路时右腿疼痛,坐着休息一会儿后,疼痛消失,但继续行走时,又感疼痛……开始老先生认为是劳累所致。症状加重后,医生让他做了CT和核磁共振检查,排除了腰椎管狭窄压迫神经的可能。随后,老先生又进行了彩色超声多普勒检查,终于确诊他患了闭塞性脉管炎。为什么彩色超声多普勒检查在这里胜于别的检查方式呢?

  超声是声波的一种,由于每秒钟的振动次数(频率,用Hz表示)甚高,超出了人耳听觉的上限(20000Hz)而得名。用于医学上的超声波的频率以百万次(M)为单位,约为 2MHz~50Hz。超声与人耳听得见的声波一样,也会产生多普勒效应。当声源(发射超声的探头)、接收器(接受超声的探头)与被测人体中血流有相对运动时,血液中的红血球可作为反射体,它的运动速度即代表血流速度。当血流朝着探头运动时,反射波的波长被压缩,因而其频率比发射波的频率高;而当血流背着发射探头运动时,反射波波长被拉长,因而其频率比反射波的频率低。根据这种频率的变化,就可测定血液的流速和方向。

  在人体血管正常的情况下,红血球以相当一致的方向和速度流动,其多普勒频移的增减与大小相似,速度分布剖面图呈中央在前,两侧靠后的抛物线状,回声密集。运用彩色编码技术构成的多普勒血流图上,呈单一色,中央鲜亮,两侧依次变暗。光带较细,且与基线间有“窗口”——频窗出现。这是正常的“层流”。

  但是,在血流过程中如果遇到狭窄部位,就会形成红血球运动方向和速度不一致的紊乱流动——“湍流”,其多普勒频移大小不同,正负不一。

  反映在频谱图上,光带明显变宽,与基线间的“窗口”消失,回声稀疏,并呈多色混杂形状。正向血流红中带黄,负向血流蓝中带紫。刚才提及的老先生的频谱图上,正向血流中这种黄色看起来特别暗,负向血流中的紫色则更深。这表明血管相应部分的狭窄程度已相当严重。幸好发现及时,老先生做了支架微创手术,使血流恢复正常,“跛行”的现象也迅速消失。如果任其发展,待到老先生的血管被完全堵塞,就难免要截肢了。

  由于这种彩色多普勒检查无创伤、无痛苦,除了用于外周血管检查外,还广泛应用于心血管系统,腹部及盆腔器官,眼、甲状腺等浅表器官疾病的诊断,深受患者欢迎。

  马航MH370归宿之谜

  2014年3月8日,马来西亚航空公司的MH370波音客机在飞往北京途中,于北京时间1时20分与地面失去联系。3月24日晚,马来西亚总理纳吉布在吉隆坡宣布,这架飞机已“终结”于印度洋南部海域,机上239人全部遇难。纳吉布是根据由英国空难处(AAIB)提供的,一种“国际海事卫星组织”采用的“在类似调查中从未用过的分析方法”作出的推断。

  这种方法运用的就是多普勒效应的原理。当马航MH370失联后,虽然飞机上实时发送航班位置的自动应答系统被人为关闭,但“国际海事卫星组织”的一颗卫星,每隔一个小时仍能收到飞机上自动发射的电子握手信号(ping)。由于飞机与卫星之间存在相对运动,该信号的频率就会产生多普勒效应的“频移”。分析多次握手信号,从“频移”的变化上,可推断飞机的航行轨迹。飞机最后一次与卫星“握手”,是在3月8日8时 11 分。技术人员参照与马航MH370相近航线的其他航班的航行轨迹,并进行对比,确认MH370航班是向南飞行,排除了北向飞行的可能性,最后坠毁于澳大利亚城市珀斯以西的印度洋海域。

  但是,这种结论仍有一些不确定因素,即飞机是否以固定速度飞行?是否改变了航向?何时燃料耗尽?是立即坠落还是又滑翔了一段距离?我们还无法了解,因而马航MH370的精确“归宿”,至今仍是一个谜……

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