为了解释电信号与宇宙物质的关系,跨越了四十四个数量级

自从1967年科学家用射电天文望远镜观察到脉冲星以来,为了解释脉冲星射电信号与宇宙物质的关系,意想不到两个极端世界的科学——亚原子科学和宇宙起源的科学--联系起来了。

人们一方面可以通过电子显微镜和借助于基本粒子的物理理论间接地了解到10-10厘米的微观世界的结构;另一方面可以通过射电望远镜获得来自100亿光年外的星体的信息。

100亿光年等于1028厘米。因此可以说,我们对物质世界探索的范围横跨了四十四个数量级。爱因斯坦创立的相对论指出,空间和时间不可分割,任何物体都在四维空间中不停地运动着。

无线电技术把这一原理变成了最直观的形式:远程导航,脉冲多普勒雷达和射电天文望远镜,巧妙地将时空概念揉合到应用技术中来。现在,我们热衷于研究地球和字宙的起源;然而,我们对地球的历史的了解远不及对遥远的星体的了解。

我们几乎还没有一项技术可以获得45亿年前地球形成时所留下的信息,而却能根据100亿光年以外发来的射电信息研究100亿光年外的星体在100亿年前的情况。

伽利略在1609年发明光学天文望远镜后,最先观察到木星的四颗卫星,即现在所说的伽利略卫星。这是人类将视觉伸向太空的一次革命性的创举。之后,随着天文望远镜口径的增加,人们的视野就扩展到整个银河系。

赫谢尔(Sir J。Herchel)绘制出第一张银河系结构图。可惜,在整个19世纪人类对银河系的认识没有根本性的进展,银河系被当作了整个宇宙。当时人们的视野充其量不过十万光年。

虽然在19世纪下半叶望远镜配上了慢速曝光设备和分光装置,有人已经发现仙女星云,却不敢肯定它是河外星系。

帮助人类根本改善对宇宙认识的是射电技术。射电天文学是第二次世界大战后发展起来的科学,它赖以建立的射电技术却可以追溯至第二次世界大战之前。

1932年,美国人詹斯基(K。G。Janskg)用工作在波长为14。6米的旋转方向天线研究无线电话的静电干扰时发现,尽管将所有噪声源排除后,在他的接收机中仍然存在“嘘呢”声。他推测这种噪声不是来自地球,而是来自银河系深处某一射电源。

1940年,美国伊利诺斯州惠顿城的无线电业余爱好者雷伯(G。Reber)在自己家园中建立起一个直径为31英尺的射电望远镜,他用高频率的锐天线波束测量了宇宙噪声源的分布。

他用的是人类第一台射电望远镜。现在西弗吉尼亚州国立射电天文台树立着雷伯射电望远镜的复制品,以纪念他的功绩。

小望远镜是人的视觉器官的延长,它们与眼睛都服从于相同的角分辨率关系,光学望远镜和人眼都工作在可见光范围,由于光学望远镜的孔径数百倍于人眼的瞳孔,它们的角分辨率就等于人眼的数百倍。

对于射电望远镜来说,要求达到这样高的分辨率有一定的困难,因为射电信号只能处于厘米波段,毫米波射电信号会被氧气吸收,分米波射电信号又被电离层反射回来。

厘米波波长是可见光波波长的几千倍,如果要求射电望远镜达到光学望远镜的角分辨率,它的天线直径就应当数千倍于光学望远镜的孔径。如果要求它们具有美国威尔100英寸天文望远镜和巴洛马山上200英寸望远镜的角分辨率,它们的抛物面天线的直径就得有数十英里之长。

这一要求当然难以实现,不过,牺牲一定的分辨率来求得对宇宙的广度和深度的探测,则是完全可以做得到的。射电天文学家鲍温(E。G。Bowen)曾经指出,抛物面天线的造价与天线尺寸的2.7次需成正比。

即是说,尺寸扩大一倍,造价就增加到八倍。我们从第二次世界大战后射电望远镜天线尺寸的不断增加,可以看出为射电天文学的发展付出了什么样的代价。

位于阿纳科斯蒂阿的美国航海研究实验室在战后建立的一个天文望远镜,天线直径为50英尺。

接着,哈佛大学就建立了天线直径为60英尺的射电望远镜。六十年代初,位于加州的“喷汽推进实验室”建立了一个用于监视卫星的射电天线,其直径为85英尺。与此同时,加州理工学院在“欧文斯谷射电天文台”将射电望远镜天线尺寸推进到90英尺。

英国和澳大利亚的进展更为惊人。英国在曼彻斯特约德里尔河岸建立的一座射电望远镜,可转动抛物面天线直径达到了250英尺。澳大利亚也安装了天线直径为210英尺的射电望远镜。

1967年,美国科学基金会投资在弗吉尼亚州的“绿岸”,建立了直径为328英尺射电望远镜。而波多黎各的射电望远镜的天线阵列,复盖了阿雷西博的一个山头,面积达18.5英亩。

它的角分辨率是约德里尔河岸望远镜的16倍。它的能力比曾经把射电信号投向火星的米尔斯顿山(Mllestone Hill)上的射电望远镜强1万倍。它最早接收到100亿光年以外的星体的射电信息。

大战后,天文学家最先用射电望远镜分析了太阳这颗最近的射电源。他们发现,太阳的射电信号不由光球产生,而由日晃产生。射电望远镜成为一种灵敏度更高的光学温度计,科学家们根据日晃的射电信号的波长,判断太阳表面温度高达一万度,愈往外面温度愈高,至日晃边缘,温度就达到了一百万度。

人们早已知道地球“磁暴”与太阳黑子和斑耀的关系,但只是在射电望远镜问世后,科学家们才算真正掌握了黑子和斑耀产生的实际过程。当斑耀产生时,一群高速粒子以三分之一到二分之一的光速突破日晃而抛向太空。

这群粒子本身不产生射电信号,只是当它们冲击太阳大气时才产生射电源。这是一种等离子振荡型的射电信号,其势宛如超声波弹头产生的冲击波那样。

在这群快速粒子之后是一群慢速粒子,它们以每秒500至1000公里的速度离开太阳引力场,大约24小时后到达地球上空,激起地球“磁暴”。跟在慢速粒子之后而来的是一阵巨大而又散乱的同步加速型射电信号。

在射电望远镜所能发现的射电源中,只有10%才能用光学望远镜看到。例如,波尔顿(J。Bolton)在1949年发现的巨蟹座星云射电源,就是我国古代天文学家在公元1054年发现一颗超新星爆炸后形成的星云。

随着时间的推移,它的亮度逐渐减弱,目前已经不能用肉眼观察到它,而它所遗留的残咳仍然发射出很强的射电信号。1967年,英国天文学家休伊斯和乔斯林·贝尔用射电望远镜发现一些特异的射电源,它们发出极精确的短促脉冲,最长的周期不过4秒,最短的周期是0.033秒,即每秒发射30个脉冲。

如果说这些射电信号是由于脉冲星自转而发射出来的话,那么即便是白矮星也不会达到每秒30周的自转速度,因为在这种情况下任何已知的恒星都会自行破裂。经过分析,这种脉冲星是致密的中子星,在恒星坍缩时它们的自由电子被挤压进了原子核,与质子结合而产生中子,所形成的中子星的密度高达1014克/(厘米)。

休伊斯和贝尔因这项发现获得了1974年诺贝尔物理学奖。X-射线是波长极短的电磁波,其波长几乎是可见光波长的千分之一。

如果在地球上能观察到太空的X-射电信号,那倒是十分经济的,因为射电望远镜工作在X射线的波长范围时,它们的天线直径可以做成光学望远镜孔径的千分之一而丝毫不会降低它们的角分辨率。

遗憾的是X-射电信号不能穿透大气。因此,卫星的出现帮了天文学家的大忙。1970年,美国从肯尼亚发射了第一颗X-射线探测台,发现了第一个X-射线射电源——天鹅座X-1。

经初步分析,这个X-射线射电源是由一个“黑洞”和一个蓝超巨星组成的双星。“黑洞”象一个贪得无厌的巨兽,吞噬了附近的一切,而将X-射线辐射出来。射电天文技术业已证明,凡是能发射X-射线的双星,其中大凡存在一个黑洞。发现星际分子,是射电技术的又一功劳。

早在1951年,伊文(H。I。Ewen)和普赛尔(E。M。Purcell)用射电望远镜发现银河系存在大量处于基态的氢分子,这种氢分子的背景温度极低,是光学望远镜和分光计无法发现的。

截至1978年,已经发现的星际分子就达55种,其中有氢、一氧化碳、水分子、甲醇、甲醛。最可观的是发现了带有9个原子的乙醇。据称,其数量超过了有史以来用发酵工艺所制成的全部酒精量。这些星际分子的发现,对于研究字宙是否还存在其他生命以及地球上生命的起源,无疑有着重要的意义。

射电天文望远镜是人类截获宇宙信息的重要工具,它推动着人类去揭开宇宙的奥秘、去揭示生命的根源,从而又产生出新的信息。人们对信息有不同的理解,如有人认为:这种观点撇开了信息的感受者的因素,把信息当作客观的、守恒的东西,正如物质和能量既是客观存在的又是守恒的那样。然而,大多数人越来越认识到信息不唯独是一种客体,它却有点像主体和客体的混合物。

信息当然最先由宇宙物质分布不均匀而产生,如果没有这个基本条件,别说信息不存在,就连人类也不会存在。但是,宇宙物质分布不均匀性不能作为信息量的量度,因为这种不均匀性要有接收者,这个接收者就是人类。

人类一且接受客观世界的信息,就会产生概念、认识;就会推动自身的活动来改造自身的环境,利用原始的信息来再生新的信息。这样一来,只要人类是信息的接收者、使用者和处理者,信息永远不会守恒。信息的这种可再生性质,在计算机技术、通信技术、射电技术以及其他先进的电子技术迅速发展的时代日益显示了出来。

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