火車汽笛聲的啟示

王震元

1842年的一天，奧地利物理學(xué)家多普勒帶著女兒在鐵道旁散步時，一列火車從遠(yuǎn)方駛來。多普勒發(fā)現(xiàn)，隨著火車駛近，汽笛聲的音調(diào)越來越高；而火車開過后，汽笛聲的音調(diào)則越來越低。出于職業(yè)的敏感，這種似乎司空見慣的現(xiàn)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(dāng)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(diào)也就高了。而當(dāng)火車離開時，它把空氣中聲波的“疏”和“密”的間隔拉遠(yuǎn)了，因此對觀察者而言，等于是減慢了聲音的振動頻率，音調(diào)也就低了。

1845年，荷蘭科學(xué)家白貝羅請人在火車上吹奏固定音調(diào)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(rèn)了“多普勒效應(yīng)”的存在。白貝羅隨后又推導(dǎo)出了相應(yīng)的計算公式。100多年來，多普勒效應(yīng)在人類科技史上譜寫了一系列光輝的篇章。

多普勒雷達(dá)問世前后

1912年4月15日凌晨，英國建造的當(dāng)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(shù)高達(dá)1517人。這個震驚世界的慘劇促使科學(xué)家們下定決心，要盡早發(fā)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(xiàn)象使科學(xué)家們產(chǎn)生了聯(lián)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(chǎn)生反射的結(jié)果。那么，如果人們能找到一種比聲波傳得更快更遠(yuǎn)，又能產(chǎn)生反射的物質(zhì)，不就可以及時發(fā)現(xiàn)前方障礙物了嗎？

這種物質(zhì)后來被科學(xué)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(yù)言，利用無線電波的特性，完全可以設(shè)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(jīng)科研人員進(jìn)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(xù)發(fā)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(lǐng)導(dǎo)著一批科學(xué)家進(jìn)行地球大氣層無線電波考察。有一天，他發(fā)現(xiàn)在熒光屏上出現(xiàn)了一連串亮點(diǎn)，從亮點(diǎn)的亮度和距離推斷，不可能來自大氣層。后來他發(fā)現(xiàn)，這些亮點(diǎn)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(fā)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(jī)發(fā)射無線電波。結(jié)果，當(dāng)飛機(jī)飛到12千米處時就被裝置發(fā)現(xiàn)了。這種無線電探測裝置就是后來的“雷達(dá)”（英文radar的音譯）。

1939年，英國政府利用沃特森的發(fā)明，在沿海一帶迅速建造了許多雷達(dá)站，構(gòu)成雷達(dá)網(wǎng)。1940年9月15日，希特勒命令500架飛機(jī)轟炸英國首都倫敦，結(jié)果飛機(jī)遠(yuǎn)在160千米外的海面上，就在雷達(dá)熒光屏上“原形畢露”，導(dǎo)致185架飛機(jī)被擊落。希特勒到死也沒有解開其中之謎。

二戰(zhàn)結(jié)束后，美國科學(xué)家在這種雷達(dá)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研制出“脈沖多普勒雷達(dá)”。它的工作原理是：當(dāng)雷達(dá)向空中發(fā)射一個固定的脈沖電波進(jìn)行掃描時，只要遇到活動的目標(biāo)，反射波的頻率和發(fā)射波的頻率將會與聲波一樣，產(chǎn)生多普勒效應(yīng)——“頻率差”，從而測出該活動目標(biāo)，例如飛機(jī)對于雷達(dá)的徑向相對運(yùn)動速度。根據(jù)脈沖發(fā)射和接收的時間差，可以測出目標(biāo)和雷達(dá)之間的距離。

多普勒氣象雷達(dá)則是通過測定降水粒子徑向運(yùn)動的速度、垂直氣流速度等，對暴雨、冰雹、龍卷風(fēng)等災(zāi)害性天氣實(shí)施全程監(jiān)控，甚至實(shí)現(xiàn)自動識別和跟蹤。這是普通氣象雷達(dá)無法做到的。

交警手執(zhí)的多普勒測速雷達(dá)，可以把車輛運(yùn)動產(chǎn)生的無線電波“頻率差”，迅速在液晶顯示器上轉(zhuǎn)化為車速數(shù)據(jù)。如果超過規(guī)定，儀器不但會立即發(fā)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(xué)依據(jù)。

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(xué)的射電天文學(xué)小組，并參加安裝其導(dǎo)師休伊什教授設(shè)計的，被公認(rèn)為“科學(xué)史上最大投資”的射電望遠(yuǎn)鏡。

從1967年7月開始，貝爾為了撰寫博士論文，每隔4天（望遠(yuǎn)鏡對整個天空掃視的時間）就詳細(xì)分析一遍長達(dá)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(biāo)記出來。

當(dāng)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(fā)現(xiàn)，早在8月6日的記錄紙帶上就出現(xiàn)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(jīng)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(xù)監(jiān)測。到11月底，貝爾終于發(fā)現(xiàn)這是一種短暫的脈沖，周期很穩(wěn)定，為1.33728秒。

起初休伊什教授認(rèn)為，這種脈沖很可能是人為的，因?yàn)樗闹芷谔塘?。?dāng)時已知最快的變星自轉(zhuǎn)周期都要8小時呢！那么有什么自然物體，可以如此快速準(zhǔn)確地保持其周期振動或運(yùn)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(rèn)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(jìn)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”（Little Green Man，簡稱LGM）。而貝爾對此持十分懷疑的態(tài)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(xué)專家賴爾教授等核心成員進(jìn)行了溝通。他們達(dá)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(shù)，雖然不能直接觀測這種行星，但是可以利用多普勒效應(yīng)，即當(dāng)行星靠近地球和遠(yuǎn)離地球時，信號頻率的改變——“頻移”加以確認(rèn)。

第二天清晨，貝爾來到實(shí)驗(yàn)室時獲得了第二顆會發(fā)射脈沖的天體的數(shù)據(jù)——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(jié)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(fā)射信號，這表明她的懷疑是有根據(jù)的。1968年1月，休伊什做的多普勒“頻移”測定也有了結(jié)果：信號源并沒有繞恒星運(yùn)轉(zhuǎn)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(quán)威刊物《自然》上發(fā)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(fā)射短暫而極有規(guī)律的脈沖?！焙蠼?jīng)科學(xué)家進(jìn)一步研究，確認(rèn)脈沖星就是高速自轉(zhuǎn)的中子星。由于它的密度高達(dá)1018克/立方厘米，因而能高速運(yùn)轉(zhuǎn)而不瓦解。脈沖星的自轉(zhuǎn)周期，也就是它發(fā)射脈沖信號的周期。

深受患者歡迎的

無創(chuàng)檢查

近日，一位平時自認(rèn)為體質(zhì)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(xù)行走時，又感疼痛……開始老先生認(rèn)為是勞累所致。癥狀加重后，醫(yī)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(jīng)的可能。隨后，老先生又進(jìn)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(shù)（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(yī)學(xué)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(chǎn)生多普勒效應(yīng)。當(dāng)聲源（發(fā)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(yùn)動時，血液中的紅血球可作為反射體，它的運(yùn)動速度即代表血流速度。當(dāng)血流朝著探頭運(yùn)動時，反射波的波長被壓縮，因而其頻率比發(fā)射波的頻率高；而當(dāng)血流背著發(fā)射探頭運(yùn)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(jù)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(dāng)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(cè)靠后的拋物線狀，回聲密集。運(yùn)用彩色編碼技術(shù)構(gòu)成的多普勒血流圖上，呈單一色，中央鮮亮，兩側(cè)依次變暗。光帶較細(xì)，且與基線間有“窗口”——頻窗出現(xiàn)。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(yùn)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(fù)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(fù)向血流藍(lán)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(fù)向血流中的紫色則更深。這表明血管相應(yīng)部分的狹窄程度已相當(dāng)嚴(yán)重。幸好發(fā)現(xiàn)及時，老先生做了支架微創(chuàng)手術(shù)，使血流恢復(fù)正常，“跛行”的現(xiàn)象也迅速消失。如果任其發(fā)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(chuàng)傷、無痛苦，除了用于外周血管檢查外，還廣泛應(yīng)用于心血管系統(tǒng)，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(jī)在飛往北京途中，于北京時間1時20分與地面失去聯(lián)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(jī)已“終結(jié)”于印度洋南部海域，機(jī)上239人全部遇難。納吉布是根據(jù)由英國空難處（AAIB）提供的，一種“國際海事衛(wèi)星組織”采用的“在類似調(diào)查中從未用過的分析方法”作出的推斷。

這種方法運(yùn)用的就是多普勒效應(yīng)的原理。當(dāng)馬航MH370失聯(lián)后，雖然飛機(jī)上實(shí)時發(fā)送航班位置的自動應(yīng)答系統(tǒng)被人為關(guān)閉，但“國際海事衛(wèi)星組織”的一顆衛(wèi)星，每隔一個小時仍能收到飛機(jī)上自動發(fā)射的電子握手信號（ping）。由于飛機(jī)與衛(wèi)星之間存在相對運(yùn)動，該信號的頻率就會產(chǎn)生多普勒效應(yīng)的“頻移”。分析多次握手信號，從“頻移”的變化上，可推斷飛機(jī)的航行軌跡。飛機(jī)最后一次與衛(wèi)星“握手”，是在3月8日8時11分。技術(shù)人員參照與馬航MH370相近航線的其他航班的航行軌跡，并進(jìn)行對比，確認(rèn)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(jié)論仍有一些不確定因素，即飛機(jī)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……