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                    《科學24小時》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    旨在向全國廣大群眾,特別是具有中等文化程度的廣大青年,普及科學技術知識,繁榮科普創作,啟迪思想,開拓視野。

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                    火車汽笛聲的啟示

                    2018-01-16 13:30:00

                      1842年的一天,奧地利物理學家多普勒帶著女兒在鐵道旁散步時,一列火車從遠方駛來。多普勒發現,隨著火車駛近,汽笛聲的音調越來越高;而火車開過后,汽笛聲的音調則越來越低。出于職業的敏感,這種似乎司空見慣的現象卻引起了多普勒的注意,并對其作了一番解讀:汽笛聲的頻率是固定的,并且聲波中的“疏”和“密”是按一定距離排列的。但是當火車迎面開來時,它把空氣中聲波的“疏”和“密”的間隔壓得更緊了,因此對于觀察者來說,等于是加快了聲音的振動頻率,音調也就高了。而當火車離開時,它把空氣中聲波的“疏”和“密”的間隔拉遠了,因此對觀察者而言,等于是減慢了聲音的振動頻率,音調也就低了。

                      1845年,荷蘭科學家白貝羅請人在火車上吹奏固定音調的小號,并組織了一群音樂家站在鐵軌旁聆聽火車駛過時的音值。這些具有絕對音感的觀察者,確認了“多普勒效應”的存在。白貝羅隨后又推導出了相應的計算公式。100多年來,多普勒效應在人類科技史上譜寫了一系列光輝的篇章。

                      多普勒雷達問世前后

                      1912年4月15日凌晨,英國建造的當時世界上最大的郵輪——“泰坦尼克號”,不幸撞上了北大西洋中的冰山后沉沒,遇難人數高達1517人。這個震驚世界的慘劇促使科學家們下定決心,要盡早發明一種能在黑夜、大霧等視線不佳的條件下,直接探測到前方障礙物的儀器。

                      一種日常生活中的現象使科學家們產生了聯想:一個人在山谷里大喊一聲,過一會就能聽到回聲,這是聲波碰到了山壁產生反射的結果。

                      那么,如果人們能找到一種比聲波傳得更快更遠,又能產生反射的物質,不就可以及時發現前方障礙物了嗎?

                      這種物質后來被科學家們找到了,這就是無線電波。1922年,“無線電之父”馬可尼就曾預言,利用無線電波的特性,完全可以設計出這樣的儀器。不久,人們利用這種儀器果然成功地探測到一艘木船。經科研人員進一步研究表明,利用脈沖電波(像人的脈搏跳動般的電波)要比連續發射的電波效果更好。

                      1934年,英國皇家無線電研究所所長沃特森,正領導著一批科學家進行地球大氣層無線電波考察。有一天,他發現在熒光屏上出現了一連串亮點,從亮點的亮度和距離推斷,不可能來自大氣層。后來他發現,這些亮點是被附近一座高樓反射回來的電波。這使沃特森興奮之余,更觸發了他的靈感。他將這種裝置安裝在載重汽車上,向一架15千米外迎面飛來的飛機發射無線電波。結果,當飛機飛到12千米處時就被裝置發現了。這種無線電探測裝置就是后來的“雷達”(英文radar的音譯)。

                      1939年,英國政府利用沃特森的發明,在沿海一帶迅速建造了許多雷達站,構成雷達網。1940年9月15日,希特勒命令500架飛機轟炸英國首都倫敦,結果飛機遠在160千米外的海面上,就在雷達熒光屏上“原形畢露”,導致185架飛機被擊落。希特勒到死也沒有解開其中之謎。

                      二戰結束后,美國科學家在這種雷達的基礎上,進一步研制出“脈沖多普勒雷達”。它的工作原理是:當雷達向空中發射一個固定的脈沖電波進行掃描時,只要遇到活動的目標,反射波的頻率和發射波的頻率將會與聲波一樣,產生多普勒效應——“頻率差”,從而測出該活動目標,例如飛機對于雷達的徑向相對運動速度。根據脈沖發射和接收的時間差,可以測出目標和雷達之間的距離。

                      多普勒氣象雷達則是通過測定降水粒子徑向運動的速度、垂直氣流速度等,對暴雨、冰雹、龍卷風等災害性天氣實施全程監控,甚至實現自動識別和跟蹤。這是普通氣象雷達無法做到的。

                      交警手執的多普勒測速雷達,可以把車輛運動產生的無線電波“頻率差”,迅速在液晶顯示器上轉化為車速數據。如果超過規定,儀器不但會立即發出警報聲,還會“同步照相”——清晰地顯示車的外形、車號、時間及瞬時速度,為交警部門處理違章超速駕駛提供科學依據。

                      神秘信號——“小綠人”or脈沖星?

                      1965年,年僅24歲的喬瑟琳·貝爾以博士研究生的身份,加入了英國劍橋大學的射電天文學小組,并參加安裝其導師休伊什教授設計的,被公認為“科學史上最大投資”的射電望遠鏡。

                      從1967年7月開始,貝爾為了撰寫博士論文,每隔4天(望遠鏡對整個天空掃視的時間)就詳細分析一遍長達20米的記錄紙帶。貝爾既要從紙帶上分離出各種人為的無線電信號,又要把真正來自天體的射電信號標記出來。

                      當年10月的一天,貝爾從紙帶上看到1個長約1.27厘米的特殊信號。她查看以前的記錄后發現,早在8月6日的記錄紙帶上就出現過這種奇怪信號,截至9月底已被記錄了6次之多。她將這一情況報告給了休伊什教授。經過討論后,他們決定啟用一種新型的分辨率很高的快速記錄儀繼續監測。到11月底,貝爾終于發現這是一種短暫的脈沖,周期很穩定,為1.33728秒。

                      起初休伊什教授認為,這種脈沖很可能是人為的,因為它的周期太短了。當時已知最快的變星自轉周期都要8小時呢!那么有什么自然物體,可以如此快速準確地保持其周期振動或運動呢?難道是“外星人”在以這種方式尋呼嗎?研究小組的成員認為,如果推測是真的,那么這種“外星人”能通過自己的皮膚直接進行光合作用,因而它們的皮膚可能是綠色的,他們稱之為“小綠人”(Lit-tle Green Man,簡稱LGM)。而貝爾對此持十分懷疑的態度。由于這個問題影響太大,休伊什教授在12月21日下午,與另一位射電天文學專家賴爾教授等核心成員進行了溝通。他們達成的共識是:如果確有“小綠人”存在的話,只能生活在某顆恒星的行星上。那個時代的技術,雖然不能直接觀測這種行星,但是可以利用多普勒效應,即當行星靠近地球和遠離地球時,信號頻率的改變——“頻移”加以確認。

                      第二天清晨,貝爾來到實驗室時獲得了第二顆會發射脈沖的天體的數據——脈沖間隔是1.2秒。她把記錄帶放在休伊什的辦公桌上后,便心情愉快地去過圣誕節了。很難相信,會有兩個不同行星上的“小綠人”,以相同的頻率在相同的時間向地球發射信號,這表明她的懷疑是有根據的。1968年1月,休伊什做的多普勒“頻移”測定也有了結果:信號源并沒有繞恒星運轉改變頻率。這更直接否定了“小綠人”的存在!同年2月,貝爾在英國權威刊物《自然》上發表論文,指出:這是“一種極為奇異的天體,可稱之為脈沖星。它在太陽系之外,發射短暫而極有規律的脈沖?!焙蠼浛茖W家進一步研究,確認脈沖星就是高速自轉的中子星。由于它的密度高達1018克/立方厘米,因而能高速運轉而不瓦解。脈沖星的自轉周期,也就是它發射脈沖信號的周期。

                      深受患者歡迎的無創檢查

                      近日,一位平時自認為體質很好的老先生旅游歸來后,忽感走路時右腿疼痛,坐著休息一會兒后,疼痛消失,但繼續行走時,又感疼痛……開始老先生認為是勞累所致。癥狀加重后,醫生讓他做了CT和核磁共振檢查,排除了腰椎管狹窄壓迫神經的可能。隨后,老先生又進行了彩色超聲多普勒檢查,終于確診他患了閉塞性脈管炎。為什么彩色超聲多普勒檢查在這里勝于別的檢查方式呢?

                      超聲是聲波的一種,由于每秒鐘的振動次數(頻率,用Hz表示)甚高,超出了人耳聽覺的上限(20000Hz)而得名。用于醫學上的超聲波的頻率以百萬次(M)為單位,約為 2MHz~50Hz。超聲與人耳聽得見的聲波一樣,也會產生多普勒效應。當聲源(發射超聲的探頭)、接收器(接受超聲的探頭)與被測人體中血流有相對運動時,血液中的紅血球可作為反射體,它的運動速度即代表血流速度。當血流朝著探頭運動時,反射波的波長被壓縮,因而其頻率比發射波的頻率高;而當血流背著發射探頭運動時,反射波波長被拉長,因而其頻率比反射波的頻率低。根據這種頻率的變化,就可測定血液的流速和方向。

                      在人體血管正常的情況下,紅血球以相當一致的方向和速度流動,其多普勒頻移的增減與大小相似,速度分布剖面圖呈中央在前,兩側靠后的拋物線狀,回聲密集。運用彩色編碼技術構成的多普勒血流圖上,呈單一色,中央鮮亮,兩側依次變暗。光帶較細,且與基線間有“窗口”——頻窗出現。這是正常的“層流”。

                      但是,在血流過程中如果遇到狹窄部位,就會形成紅血球運動方向和速度不一致的紊亂流動——“湍流”,其多普勒頻移大小不同,正負不一。

                      反映在頻譜圖上,光帶明顯變寬,與基線間的“窗口”消失,回聲稀疏,并呈多色混雜形狀。正向血流紅中帶黃,負向血流藍中帶紫。剛才提及的老先生的頻譜圖上,正向血流中這種黃色看起來特別暗,負向血流中的紫色則更深。這表明血管相應部分的狹窄程度已相當嚴重。幸好發現及時,老先生做了支架微創手術,使血流恢復正常,“跛行”的現象也迅速消失。如果任其發展,待到老先生的血管被完全堵塞,就難免要截肢了。

                      由于這種彩色多普勒檢查無創傷、無痛苦,除了用于外周血管檢查外,還廣泛應用于心血管系統,腹部及盆腔器官,眼、甲狀腺等淺表器官疾病的診斷,深受患者歡迎。

                      馬航MH370歸宿之謎

                      2014年3月8日,馬來西亞航空公司的MH370波音客機在飛往北京途中,于北京時間1時20分與地面失去聯系。3月24日晚,馬來西亞總理納吉布在吉隆坡宣布,這架飛機已“終結”于印度洋南部海域,機上239人全部遇難。納吉布是根據由英國空難處(AAIB)提供的,一種“國際海事衛星組織”采用的“在類似調查中從未用過的分析方法”作出的推斷。

                      這種方法運用的就是多普勒效應的原理。當馬航MH370失聯后,雖然飛機上實時發送航班位置的自動應答系統被人為關閉,但“國際海事衛星組織”的一顆衛星,每隔一個小時仍能收到飛機上自動發射的電子握手信號(ping)。由于飛機與衛星之間存在相對運動,該信號的頻率就會產生多普勒效應的“頻移”。分析多次握手信號,從“頻移”的變化上,可推斷飛機的航行軌跡。飛機最后一次與衛星“握手”,是在3月8日8時 11 分。技術人員參照與馬航MH370相近航線的其他航班的航行軌跡,并進行對比,確認MH370航班是向南飛行,排除了北向飛行的可能性,最后墜毀于澳大利亞城市珀斯以西的印度洋海域。

                      但是,這種結論仍有一些不確定因素,即飛機是否以固定速度飛行?是否改變了航向?何時燃料耗盡?是立即墜落還是又滑翔了一段距離?我們還無法了解,因而馬航MH370的精確“歸宿”,至今仍是一個謎……

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