冕洞透镜事件

最近,一则新闻《我国科研人员首次观测到电磁波动态传播》出现在各大科技媒体上,其核心内容是:“太阳日冕的特殊结构以及行星等大型天体可作为电磁信号放大器,或可实现星际间通讯或者能量传输。相关研究成果发表在《自然·通讯》上。”

猛一看,大家会惊呼:《三体》诚不我欺!弹拨太阳发送广播莫非马上要变成现实了?

实际上,这是对论文的错误解读。找来《自然·通讯》上的原始论文,说的内容其实是:“特定形状的太阳冕洞能够使磁流动力波聚焦,类似的效应应可在具有磁场的行星、其他恒星或星系找到。该透镜过程可用于冕震学的研究。”

这里的要点有四个:

  1. 被影响的是磁流体动力波(简称磁流波),不是电磁波。磁流波以等离子体作为介质,和不需要介质的电磁波不是一回事。在这项研究里,磁流波没有离开日冕。
  2. 是聚焦不是放大。这项研究里,磁流波从太阳耀斑开始扩散,途径一个冕洞后,部分磁流波发生聚焦,焦点处的波幅比扩散期的大,但远小于耀斑源头的波幅。
  3. 只有特定形状与密度的冕洞可以观察到这种透镜效应。在这项研究里,聚焦发生在冕洞的一个月牙形湾区。
  4. 该现象的潜在应用是对冕震学的研究,也就是对日冕内发生的震动的研究,而非用于星际通讯或者能量传输,因为磁流波未能离开日冕,并且没有放大原始信号。

要点总结完毕,接下来,我们详细梳理一下:

这项研究早在2022年就已提交,使用的是2011年的观测数据(感叹:要在科学前沿做出新发现,真的太难太难了)。具体的观测事件是这样的: 2011年2月24日,日地关系观测台B星(STEREO-B)观测到太阳表面一处耀斑爆发。这颗卫星当时运行在尾随地球约95°的环日轨道上,所以它看到的是当时太阳的背面。从地球方向看过去,则能够看到这个耀斑激荡出的磁流波(等离子体受磁场影响表现出的波),就像海底火山激发的海啸波浪一样,从太阳边缘出现,缓缓绕到正面来。对磁流波的后续观测,由运行在地球身边的太阳动力学观测台(SDO)所完成。

日地关系观测台B星观测到的太阳耀斑(红圈)和冕洞(白圈)
从太阳动力学观测台的数据得到的磁流波聚焦现象

磁流波以耀斑为中心向外扩散的途中,经过了一个形状不规则的冕洞(日冕上的较冷、较稀薄的磁场开放区域)。通过分析SDO的观测数据,中国研究人员发现,在这个冕洞的一个月牙形开口的湾区,磁流波的“波浪”前沿(波前)发生了过去从未观测过的现象:原本外凸的波前呈现出内凹,最后聚焦在一个点上,就像光/电磁波通过透镜聚焦一样。

——顺便说说,原始论文中常常以光/电磁波通过透镜打比方,或许是报道解读出现偏差的原因。

研究人员认为,冕洞里的磁场由单一极性主导,并且物质比冕洞周围更稀薄,这里的阿尔文速度(衡量磁流波的一个速度)较高,当磁流波离开冕洞后,就朝向阿尔文速度较低的区域偏折。通过数学模拟,研究人员重现了磁流波聚焦的现象。

对磁流波聚焦现象的数学模拟

总而言之,这项研究的内容是日冕内物质的运动现象,并未讨论它对电磁波(包括光)的影响,研究并未涉及通讯或能量传输的话题。

栖霞寺舍利塔释迦牟尼八相图

南京栖霞寺舍利塔须弥座束腰部分所雕释迦牟尼八相图。今天手边的事告一段落,解读一下。

一、入胎。右侧菩萨乘六牙白象翩然而下,左侧宫室里应是净饭王和摩耶夫人。

二、降生。右侧摩耶夫人手攀无忧树,悉达多从胁下出生,有宫人托盘承接。左侧画面悉达多坐于台上,上方九龙吐水沐浴,净饭王和摩耶夫人分立两侧。

三、出游。把生老病死和沙门合到一幅画面里,左侧房屋内,左间是死,右间是病,墙下有孕妇倚坐,树旁立老人,马前立沙门。

有人认为当街分娩不合理,“生”应与“病”对换。但室内画面中只能看到侍奉汤药和拭泪姿态,找不到分娩元素。而孕妇倚墙而坐足以表达临盆之意,无需明确刻画分娩场面。

四、逾城。马前是车匿,左下方分别是落发(右)和贸衣(左),左上方是苦行。

五、受糜。右侧避雷针遮挡处是沐浴,树神援手助悉达多上岸。左上方是“乳糜涌沸,出高七仞”的异象,左下方是牧女供养。

六、说法。二商主奉麨蜜,四天王奉石钵。

七、降魔。魔军的攻击,近身化为莲花。空中有风雨雷电。

按说这一幅应该在“说法”之前,但原作顺序如此。

八、涅槃。右侧是双林入灭,左侧是荼毗自燃。

秘鲁印加

“帐”和“账”

今天看到这么一条微博:

【“帐号”应为“账号”,#国家语委回应多家网络平台长期用错字##账与帐很多人分不清# 多个社交软件和平台的用户登录页面、用户协议、隐私政策等相关表述中多处使用的是“帐号”。7月4日,国家语言文字工作委员会工作人员在答复长江日报记者时表示,已拟函请中央网信办网络综合治理局指导平台纠正。(记者:张维纳 制作:熊丽  审看:周琛)

来源:微博

其实呢,“帐”是本字。《说文解字》和《康熙字典》均有“帐”无“账”,《康熙字典》“帐”下注:“又计簿也”。《镜花缘》第九十二回,李汝珍借丫鬟玉儿之口,对“账”字吐槽一番——清代有炫学式钻冷门咬文嚼字之风,李汝珍恐怕是从《康熙字典》找的灵感:

兰言道:“玉儿,你既这样聪明,我再考你一考:请教店铺之‘铺’,应做何写?”玉儿道:“应写金旁之‘铺’。”兰言道:“帐目之‘帐’呢?”玉儿道:“此字才女只好考那乡村未曾读书之人。我记得古人字书于帐字之下都注‘计簿’二字,谁知后人妄作聪明,忽然改作贝旁,其实并无出处。这是乡村俗子所写之字,今才女忽然考我,未免把我玉儿看的过于不知文了。”兰言道:“玉老先生莫动气,是我唐突,罚一杯!”

《镜花缘》第九十二回

下图是《红楼梦》八十回校本里的“帐”字。

红楼梦
人民文学出版社《红楼梦八十回校本》

虽然语委的规范是要承认的,但这个规范向多少“约定俗成”低过头让过步,大家也明白。“帐户”即使“不合规范”,也是“正确而不合规范”,不是“登陆系统”“请稍后”“飞跃木星”那样的硬伤。若说它是错别字,就有点“反认他乡是故乡”了。

兼听则明,再放一个图,是《故事新编·出关》里的“账”字。在白话文蓬勃发展的时期,迅哥儿用什么字都可以算是新文化,不算错,也不能当规范。他在《兔和猫》里用过“波菜”和“青酸钾”,我们都不会揪他。

人民文学出版社《故事新编》

五渔村的水母

2005年5月29日 摄于Cinque Terre(五渔村)

终于知道18年前在五渔村的海里看到的这个蛰人的生物是什么了!Forskalia,大陆译叶水母属,台湾译歪钟水母属。它不是单独的生物个体,而是同一受精卵孵出的“多胞胎”,虽然基因相同,它们却各自具有、并且各自只有特定的生理功能,如运动、消化、繁殖、捕食,如果离开群落就无法独立生存。

这两年写的科普文章汇总

为国家航天局撰写的,微信公众号“中国的航天”:

为中国科协撰写的,主要发在微信公众号“科学辟谣” :

关于翻译

早晨看到一个视频,说翻译李清照的词如何难。其实,相比之下,李清照还算容易一些的,她写词清新自然,很少用典。遇到掉书袋子的辛弃疾,汉语都难以领会,那才真叫难,译者的心情总是不停纠结:“这儿要不要加个从句解释一下呢?”

比如辛弃疾的词,动不动就听到鹧鸪叫,鹧鸪的叫声是“行不得也哥哥!”暗指他事业失意,心情不爽。如果直接翻成英文I hear the francolin calling吧,英语读者就不知道他在说什么了——当然啦,相信很多中文读者也不知道鹧鸪的寓意,所以不妨直译,感兴趣的英语读者自己会研究的。

写到这儿,忽然想起一个鹧鸪叫的兼顾音意的对译:Detour ahead – Bro!
这儿有个中华鹧鸪的叫声,不妨听一听:行不得也 – 哥哥!Detour ahead – Bro!


一篇科普文的打磨过程

作为写科普文章的人,最怕的评论就是“不明觉厉”——写这样评论的人可能以为自己在夸奖作者,但这句话实则是一句严厉的批评。如今有些科普文的取向,确实渐渐往“我并不想你懂,只要你知道我是干这行的很懂很牛不能瞎评论就行”靠拢了,这就是失了本心。

我有几个好友群,成员有文有理,大部分根本不做科普这一行。每写好一篇科普文章,我就请大家试读。理的方向,固然是要看看有没有基本事实层面的错误;但文的方面更加重要,要看有没有脱离群众的、让读者“不明觉厉”的艰深表达。有一位朋友笑言,这是拿她充当了白居易的“老妪”。

最近在B站看了个视频,讲核酸检测原理的,我认为讲得挺好,学过DNA双螺旋结构的应该能明白,就分享给一个好友群了。但还是有好友反映:看不懂!

为了帮大家看懂,也把这个当作一次锤炼文笔的机会,我写了一篇这样的简版检测原理:

一、让采集来的样本核酸按照指数关系增殖复制(只是核酸,不会形成病毒,不用担心),只要复制30个周期,1个就会变成10亿个,足够发出可以检测到的荧光了。

二、荧光怎么来的?

①在试剂里有一种核酸序列,是按照病毒的基因序列事先排好的,它们专门去找新冠病毒的一段局部核酸序列,和它“结婚”。这种核酸序列叫做“荧光探针”。

②荧光探针的一头装了个“开灯”分子团,另一头装了个“关灯”分子团,探针整体完整的时候,“关灯”分子团会抑制“开灯”分子团。不管是和病毒核酸结合了的探针(完整的已婚者)还是没结合的探针(完整的单身汉),都不会发光。

③聚合反应看到核酸单链,就想把它补全成DNA双螺旋,就像拉拉链一样。拉拉链的过程中,如果撞到已经和探针结婚的那一段,就会把“开灯”和“关灯”分子团都当作异物拆下来,【分别】丢掉,也就是说,已婚的探针会遭遇一次剃头修脚事件。未婚的探针因为没有附着在拉链上,所以不受影响。

④被拆下来的“开灯”分子团脱离了“关灯”分子团的制约,发光信号就会被检测到。如果荧光信号很强,就说明管里有大量的剃头修脚事件,也就是说样本里有许多核酸序列被探针拥抱,这管样品就是阳性的了。

这样讲解之后,听众反映:稍微明白了些,但③④这最后两段还是看不懂!

于是我又换了个行文方式,也换了个比喻,重写内容如下:

在试剂盒里,预先排好了许许多多核酸序列。

这种序列称为“探针”,它们是按照早已测定的病毒核酸特征序列设计的,能与病毒核酸序列结合,并且只能和病毒核酸序列结合。

或者这么说吧:就像灰姑娘的水晶鞋,长短凸凹,都是按照灰姑娘的脚来设计的,全城只有灰姑娘的脚穿得上。

水晶鞋上附着有一对分子团,一头可以发光,一头用来熄灯。

当它们完整地挂在鞋上时,就不会发光。

一旦被拆下来,离开熄灯分子团的约束,发光分子团就亮了。

咱们可以把它们想成是服装店里衣服上的那个防盗报警扣。

病毒核酸灰姑娘穿上水晶鞋时,因为报警扣整体完整,所以它还是不发光。

病毒核酸灰姑娘穿上鞋还不够,还要把全身衣服补齐。在这个过程中,它会把水晶鞋上的防盗报警扣随手扯下来。

这时防盗报警扣就激活了,警灯乱闪,鞭炮齐鸣。

假如周围的核酸环境是健康的,没有病毒灰姑娘来穿鞋,没有报警机会,“水晶鞋”就会一直安安静静地躺在货架上,一声不吭。

这样写之后,大家终于说,看明白了。但另一位则说,比喻虽然到位了,一篇完整的文章还是应该回到正理上去,要不,大家记住的就只是灰姑娘和水晶鞋,对应不到具体事件。

我觉得很在理,就补充了这样一段:

所以,核酸检测的过程,就是人类“钓鱼执法”诱骗病毒核酸穿上带报警器的水晶鞋的过程。在病毒核酸的每个复制周期里,都发生着这样的一系列事件:

(第一代由RNA逆转录而来的)双链DNA打开成两条单链→其中一条单链局部和探针配对(灰姑娘穿上水晶鞋)→两条单链各自聚合成双链,拆除荧光基团(补齐全身衣服,撕掉报警器)→荧光基团脱离探针,发光可被检测。

这样,第一代DNA一变二、二变四地复制30个周期之后,就可以增长到10亿倍,这么多灰姑娘坐在一起撕报警器,场面是很宏大的。这个一片荧光的场面就叫做“核酸阳性”。

而在健康的核酸样本里,就只发生黑体字标注的部分,检测现场会显得很冷清,这就是“核酸阴性”。

长寿

水仙,可谈不上“长寿”,然而,我们的须臾时光,又比它长久多少呢?在无量寿如来的目光凝视下,我们且把握当下的刹那欢欣好了。

天文美图都是P出来的

很多人对天文感兴趣,是被一幅幅壮观绚丽的美图带入坑的。可你是否知道,这些美图都是后期做出来的?

【震惊脸,什么什么,退坑】

别走啊,这样做是有道理的,且容我慢慢道来。这里我们不谈艺术家创作的概念图——比如第三视角看到的探测器接近行星,一边转一边拍的银河系全貌,或者群星纷飞的超光速旅行视频——而只说天文望远镜或探测器拍到的照片。

先说最简单直观的:拼图。

以“旅行者1号”探测器拍的“太阳系全家福”为例,当时是1990年2月,“旅行者1号”已飞到64亿公里以外,它回望太阳系,拍摄制作了这张著名的图片。

太阳系全家福,1990年2月14日,“旅行者1号”拍摄。图源NASA

图片的主体部分,实际上是由39张单独的照片拼接连缀而成。其中,每个标记字母的地方就是一颗(基本看不见的)行星,如J表示木星(Jupiter)、E表示地球(Earth)、V表示金星(Venus)等等。

为什么不直接来个广角镜头,大家一道喊“茄子”呢?因为每张小照片已经是“广角”镜头拍的了。天文观测的视野通常非常非常小,多亏探测器要拍摄行星全身照,出发时带了个视野稍宽的相机。周边的6张小彩图,才是探测器在同样的位置,用窄视野相机“拉近”拍摄的。

“旅行者1号”拍摄这一系列照片时,需要多次调整镜头指向、设置曝光参数。地面合成时,要忠实地复现这些变化,才能把图片拼接到正确的位置。

有的拍摄任务并不需要改变太空望远镜的朝向,但因为设计或当时的技术限制,还是要拼图完成。例如“哈勃”望远镜,在1993年到2009年间,它使用第二代广域和行星相机(WFPC2),有4块800×800的CCD感光片。我们看到的最终照片,都是由四幅图片拼接而成的。

这4个CCD中,有1个与众不同,它的视野比其他几块小,但像素一样多。这样,它可以用来拍摄天体的某个局部,供天文学家研究细节。比如,鹰状星云“创世之柱”的照片,本来应该是下图这样:

“创世之柱”,1995年4月1日,“哈勃”望远镜拍摄。图源NASA

不过,向大众展现时,就得把这个用来放大局部的角缩小,才能和其他三个角拼接成一幅衔接流畅的照片,像下图这样,右侧星云柱上下接合完美:

有得必有失,图片衔接是流畅了,却造成了一个没有内容的缺口。天文学家是有底线的,不会造个虚假背景放在这里。所以,“哈勃”望远镜的许多照片,都有这个标志性的阶梯状暗角,直到2009年,它更新换代,使用了第三代广域相机(WFC3),这个暗角才消失不见。

有时,图片拼接是因为被摄对象条件太极端,无法一下子看全。

比如下面这幅日冕物质抛射,羽状抛出的物质是由SOHO太阳探测器的LASCO光谱仪拍摄的,但LASCO从来只敢遮着太阳观察日冕——假如它看一眼太阳,那就是最后一眼。中间的太阳,则由探测器上的EIT望远镜在极紫外波段拍到,比正常尺寸放大了些,填到中间,以增强图片效果。这两台仪器,一个不敢看太阳,一个看不到外层日冕,各自拍一部分,拼到一起,就还挺美的。

日冕物质抛射,2002年1月8日,SOHO拍摄。图源NASA

拼接图片是X-Y方向的操作。有时,我们还需要Z方向的图片加工,也就是叠图。

叠图有三个主要用途:一是增强信号,二是抑制噪点,三则和色彩相关了,我们留到后面的章节细说,先聊聊头两个用途。

下图是我在2015年冬天拍摄的猎户座大星云,谈不上是个好片子,因为是户外随兴拍摄,手边只有一个白天拍鸟的长焦相机,也没有赤道仪用来消除地球自转造成的星光拉丝,只好把相机的感光度调得很高很高,以缩短曝光时间。但相机感光度一高,噪点就噌噌噌地上去了,让人无法分辨一些亮点究竟是真恒星呢,还是卫星或太空垃圾呢,还是相机自己的噪点呢。

请留意图中圈出的4个光点。

猎户座大星云,2015年12月拍摄

我拍了十几幅照片,选了几张质量不错的,仔细地在PS里把它们的亮星对齐,然后,我把上面几个图层设为“变暗”——也就是说,对于每个像素,只显示所有图层中最暗的那个。如果那里有一颗真恒星,它应该在所有图层的同一位置都是亮的,最终会显示出来。如果那只是一颗卫星、一架飞机、一个高感光度造成的噪点,那么它就会被其他图层投票判死。

叠加合成的照片如下,画面干净许多,真星星都留下来了,上图圈出的亮点不见了。我检查了一下,每幅照片里都有它们,在恒星的背景下缓缓移动,可能是卫星吧。

严肃的天文观测中,图像叠加技术要比我的“五分钟PS教程”复杂得多,这里只是简单意会一下。

再以前面提过的哈勃深空为例,这张照片是1995年底拍摄的大熊座内一个极暗的天区。除了前景的几颗银河系恒星之外,可看到的3000多个天体几乎全是遥远的星系,直抵百亿光年以外。如此遥远暗淡的星光,迫使“哈勃”望远镜用了10天时间,环绕地球150周,对着同一天区累计曝光141小时。最终,选取342张照片叠加,去除宇宙射线和地球散射光干扰,增强真正的信号,合成了我们今天看到的哈勃深空图像。

再说说上色。

各种探测器和太空望远镜拍到的照片,其实原图是黑白的,如果要看彩照,就要后期上色。

不不不,不是这种“上色”。在天文照片里,每个像素的颜色都要有根据,可不是影楼里处理老照片那样,抹个红脸蛋,涂个红嘴唇就完事了。

上色的时候,要推敲三个问题:真实吗?科学吗?漂亮吗?三个问题的答案,分别对应一种上色方法,并且有(jīng)时(cháng)会冲突。

先回到起始问题,为什么照片原图是黑白的呢?并非因为技术落后,能采到的信息贫乏,事实正好相反,是因为信息量太大了。电磁波谱十分宽广,而人眼和大脑能认知的色彩十分有限。超出可见光波段的,一概“伸手不见五指呀”。仪器在可见光以外的波段拍到的图像,该称之为什么颜色呢?

所以,探测器干脆只用明暗来表达它看到的东西,附上波长信息,打个包丢给人类:“喏,这张是微波波段的,这张是红外波段的,这是红光区的,绿光区的,蓝光区的,紫外,X射线,都是黑白片儿,你自己慢慢看吧,只要能分清楚就行。”

当然啦,如果照片本来就是在可见光波段拍摄的,上色就十分简单。太阳系各大行星和周边卫星的彩照大多如此,只要把蓝绿红三原色各自对应的黑白片挑出来,各自渲染成蓝绿红三色,再一叠加,一张“跟真的一样”的彩照就出来了,和冲洗彩色胶片以及人眼辨色原理一模一样。这种可见光波段的上色,叫做“自然色”。

土星,2013年7月19日,“卡西尼号”拍摄。图源NASA

可见光以外,就得用物理+哲学的思路。比如,下面这个太阳极紫外图像四联张,是在17.1nm、19.5nm、28.4nm、30.4nm等波段分别拍摄的太阳。紫外线原本谈不上颜色,但为了快速辨认这些波段,我们不妨按照可见光的波长顺序,从蓝到红为它们赋色。这个色彩顺序符合电磁物理,所以易懂易记,而且,相当美丽!

太阳极紫外图像,2021年12月31日,SOHO拍摄。图源NASA

真实吗?科学吗?漂亮吗?当后两个答案完胜时,就可以拿来挑战第一个问题:我们觉得不真实,纯粹是因为我们眼界太窄,带宽不够……

换句话说,人类不惜代价把那么多仪器送上天,是为了科学研究,而不是观光游览。可见光的狭隘色彩,在整个电磁波谱里,是没有意义的。只要能表达科学信息,就可以抛开天体的可见光色,赋予它完全不同的色彩。这时,我们给照片上的是“代表色”。

还拿“创世之柱”为例,它的原图,本来是3个波段的黑白照片。

其中,左图是氧的502nm蓝绿色辉光,中图是氢和氮的657nm红色辉光,右图是硫的673nm深红色辉光,分别用相应波长的滤镜获得。之所以检测这些波长,是因为这些元素是构成天体的重要成分。

那么问题来了,一个蓝绿色和两个红色叠加配色,结果会是怎样?

结果就是这个样子,它也许更接近天体的真实模样,但这样真实的一片血红,在科学层面上,却没有信息量。

天文学家们追求的,是一目了然。前面说过,为了传递科学信息,我们可以抛弃天体的“本色”。这样,我们把波长最短的氧定义为蓝,把氢+氮定义为绿,把波长最长的硫定义为红(硫:我本来就红……),再做一次图片,忽然就感动得想哭有没有?!

“创世之柱”,2014年10月29日,“哈勃”望远镜拍摄。图源NASA

不但图片的色彩更加缤纷绚烂,它也方便传递科学信息。我们知道蓝绿红三原色和各元素的对应关系之后,就能直接解读“创世之柱”各部位的元素分布状况,比“真实”的“血海肉山”要轻松多了。

还有一些上色法,既不真实,也不是为了科学。比如下图的NGC1850,它背后的星云本来发射着氢α线的红光。如果按红色来染,并不妨碍科学表达,但修图师很任性,就是乐意用蓝色来染。这种调进个人审美品味的,叫做“增强色”。

NGC1850,2001年7月10日,“哈勃”望远镜拍摄。图源NASA

回顾一下,上色三拷问:

真实吗?如果真实,我们把它叫做“自然色”。
科学吗?如果科学,我们把它叫做“代表色”。
漂亮吗?如果漂亮,我们把它叫做“增强色”。

看到这里,想必你对天文美图的制作心中有数了吧!是不是一点都没有退失对宇宙的兴趣,反而更愿意在浩瀚星海中徜徉了呢?