果蠅到恒星，處處皆學(xué)問

辛光

果蠅

果蠅，常常出現(xiàn)在生物學(xué)家的實驗桌上，要看清楚它，需要動用高倍放大鏡。恒星，終年運行在遙遠廣闊的宇宙中，要看清楚它，需要動用天文望遠鏡。這兩者似乎扯不上關(guān)系，但美國哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)博士埃默里·巴托斯卻熱衷于探索它們。

欣賞果蠅舞姿

在餐桌上擺上一個切開的蘋果或橙子，不到半天，你將收獲一群不請自來的客人——果蠅。它們圍繞著水果翩翩起舞，大快朵頤。你不耐煩地?fù)]揮手，它們四散開去，但很快又聚攏而來。你也許會想，世界上怎么會有這么煩人的東西！但是你知道嗎，小小的果蠅出現(xiàn)在許多生物學(xué)家的實驗室里，告訴了我們許多生命的奧秘，最近它們又教會了我們一些新東西。

物理學(xué)家埃默里·巴托斯

自3.6億年前，動物上岸以來，發(fā)展出了越來越復(fù)雜的運動方式。運動對于動物逃離捕食者、尋找配偶和尋找食物至關(guān)重要。因為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相對簡單、易于繁殖和培養(yǎng)等特性，果蠅成為了研究動物運動的好模型。但是，果蠅那么小，我們?nèi)绾尾拍芸辞逅鼈兊男凶吣?？一臺攝像機也許能解決這個問題。

埃默里·巴托斯為果蠅量身定制了這樣一臺攝像機。這臺攝像機被命名為FlyWalker，由攝像機和計算機分析軟件構(gòu)成。在FlyWalker系統(tǒng)中，當(dāng)果蠅在透明玻璃上“舞動”時，它的每一個舞步都會被高速攝像機記錄下來。為了搞清楚它跳的是“桑巴”還是“華爾茲”，計算機將把果蠅的六條腿分別標(biāo)記為右后側(cè)、右中側(cè)、右前側(cè)、左后側(cè)、左中側(cè)和左前側(cè)，并分析它每一條腿的移動軌跡。拍攝一段時間后，科學(xué)家就得到了一段果蠅的“國標(biāo)舞”視頻，果蠅的常見“舞姿”有兩種，“三腳架”舞或“四足鼎立”舞，分別用三條腿支撐，另外三條腿前后擺動行走，或者四條腿支撐，其余兩條腿行走。正常的果蠅基本都按固定的頻率“舞動”，一旦果蠅的“舞步”失常，無論是過快還是過慢，F(xiàn)lyWalker都能很快辨別出來。

正是依托這個系統(tǒng)，許多果蠅的實驗才最終得以完成。美國加州理工學(xué)院微生物學(xué)教授薩理斯·馬茲曼致力于研究果蠅的腸道菌群對它運動的影響，但是此前沒有找到明確的數(shù)據(jù)支撐。直到有了FlyWalker，他才發(fā)現(xiàn)腸道內(nèi)有短乳桿菌的果蠅走起路來“東倒西歪”又“氣喘吁吁”，比不帶菌的果蠅走得慢得多，這才驗證了他的猜想。這個實驗的成功，離不開巴托斯的FlyWalker系統(tǒng)，也是因為FlyWalker，我們能在許多果蠅相關(guān)的生物論文中看到巴托斯這個物理學(xué)家的名字。

FlyWalker記錄下果蠅“舞姿”

追蹤宇宙車禍

雖然果蠅攝像機在動物學(xué)家的實驗室里大放異彩，也讓巴托斯在生物界有了一些名氣，但是他還是更喜歡仰望星空，研究天文物理。

黃金自古以來都是財富的象征，而且現(xiàn)在人們也越來越離不開它。即使你不佩戴黃金飾品，也能在你手上的手機、桌上的電腦找到它的身影。每部電子產(chǎn)品里都有不足零點一克的黃金，它的耐腐蝕性和導(dǎo)電性能深受廠家青睞。據(jù)統(tǒng)計，2018年，電子行業(yè)使用了近270噸黃金。

但是，黃金從哪里來呢？你也許認(rèn)為，它是地球原有的，本身就埋在地殼里，真的如此嗎？

巴托斯追蹤著黑洞的“車禍”

我們知道，氫是元素之母，后面的許多元素是由氫核聚變產(chǎn)生的，但是在宇宙形成后的數(shù)千萬年里，并不存在比鐵更重的元素，聚變出了鐵元素后，再也沒有足夠的能量支撐核聚變反應(yīng)繼續(xù)進行了。那么之后的元素是怎么產(chǎn)生的呢？

原來，當(dāng)星球全被鐵元素占滿后，地表再也載不動這么重的鐵元素，它們會在重力作用下向內(nèi)坍塌，最終全部堆積在一起，形成一個擠擠挨挨的密度極大的星球。鐵元素的重力甚至能擠壓原子變形，讓電子與質(zhì)子中和，形成中子，因此我們把這種密度極大的星球稱為“中子星”。

科學(xué)家推測，宇宙中的中子星在各自的軌道運行，彼此之間相安無事，直到46億年前，兩顆中子星相撞了！中子星相撞產(chǎn)生的巨大能量終于使核聚變反應(yīng)突破了“鐵”的魔咒，最終產(chǎn)生了包括金元素在內(nèi)的更重的元素。這次“車禍”產(chǎn)生的黃金質(zhì)量約是地球質(zhì)量的3到13倍。在強烈的碰撞后，這些黃金散落到了宇宙各處，其中一些來到了地球。

那么我們?nèi)绾文茏C明46億年前的這場“車禍”是否真的發(fā)生過呢？巴托斯分析了一顆比地球壽命還長一億年的古老隕石中殘留的放射性同位素，然后將這些數(shù)值與計算機模擬的中子星相撞產(chǎn)生的同位素比值進行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者數(shù)值幾乎完全相等。

但在此之前，天文學(xué)家們對“誰是重元素之母”這個問題有兩個猜想，除了中子星“車禍”外，超新星迸發(fā)也被認(rèn)為可能是黃金等更重的元素產(chǎn)生的原因。超新星迸發(fā)是指恒星生命走到盡頭爆發(fā)出最后的光和熱的現(xiàn)象。

根據(jù)現(xiàn)在的天文物理學(xué)理論推測，超新星迸發(fā)產(chǎn)生的能量也能讓鐵元素繼續(xù)聚變成金元素。但是超新星迸發(fā)的頻率很高，歐洲航天局曾報道說，銀河系內(nèi)超新星迸發(fā)的頻率大約是每50年左右一次，如果重元素是超新星迸發(fā)產(chǎn)生的能量聚變而成，宇宙中的金元素的含量應(yīng)該很高。但實際上宇宙中的金元素的含量很低。因此，巴托斯相信，不是超新星迸發(fā)，而是“中子星車禍”孕育了金元素。

而除了金元素，人類等多種生物必需的碘、鋅等元素也是“車禍”后才出現(xiàn)的。正是有這些元素，才產(chǎn)生了今天地球上這樣豐富多彩的生命。從這個角度來說，中子星“車禍”可算是“宇宙塑造者”了。

如果說中子星的“車禍”算是當(dāng)今宇宙的塑造者，那么黑洞的“車禍”也許會成為宇宙的終結(jié)者，巴托斯也在追蹤著黑洞的“車禍”。

巴托斯分析了美國LIGO（激光干涉引力波天文臺）和意大利Virgo天文臺收集到的數(shù)據(jù)。他發(fā)現(xiàn)，僅在2017年夏季，宇宙中就發(fā)生了四起黑洞相撞事件。這樣一來，人類已知的黑洞相撞事件已經(jīng)達到了10次。黑洞相撞后是彈開還是合并成一個足以吞噬數(shù)百萬星體的“超級黑洞”？如果“超級黑洞”吞噬了星體，星體的物質(zhì)是會湮滅還是重新“組裝”成新的物體？這些問題都吸引著巴托斯。

生活中的物理學(xué)家

雖然著眼于天文、宇宙這樣龐大的命題，并且在29歲的年紀(jì)已經(jīng)有了一些重大的發(fā)現(xiàn)，但巴托斯并不以此為傲，他很愿意將自己知道的東西分享給更多人。

內(nèi)爾·弗羅伊登伯格是科幻小說《迷失與渴望》的作者，在這本書中她描述了引力波的發(fā)現(xiàn)和LIGO天文臺的工作原理。為了寫好這本書，她與巴托斯討論了很長時間，她說，“巴托斯很慷慨地給了她很多幫助”。

作為一個小說家，弗羅伊登伯格的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)遠沒有巴托斯那么扎實，她在請教巴托斯之前，很擔(dān)心自己會被長篇大論的數(shù)學(xué)知識和基本原理淹沒，但巴托斯主動告訴她，物理中只有簡單的四則運算，除非計算出錯了，否則不需要討論數(shù)學(xué)知識。

不僅如此，比起枯燥的基本原理，巴托斯更喜歡以生活中的現(xiàn)象來解釋他熱愛的一切，比如黑洞。有一天，弗羅伊登伯格在公園里與巴托斯談?wù)摵诙?，他用公園里的樹木和松鼠來比喻了黑洞，就像樹木的樹洞如此多而常見，黑洞在宇宙中也有很多，或大或小，或遠或近。黑洞能吞噬所有附近的物質(zhì)，但是被吞進去的東西并不會消失，只是變了個樣子。比如春天，松鼠在樹洞里藏了許多堅果，冬天來看時卻只剩下吃剩的堅果殼。而且，就像我們能通過查看樹洞里的腳印判斷是誰偷吃了堅果一樣。我們?nèi)绻苷业奖缓诙赐淌傻奈镔|(zhì)在時空中留下的腳印——引力波，那就能判斷是誰在什么時候進入了黑洞。其中起作用的力量雖然不同，但是黑洞卻與樹洞有這么多相似之處，黑洞似乎并沒有想象中那么神秘。

巴托斯成功引起了弗羅伊登伯格的興趣，她說，如果不再寫小說，我會研究引力波。這是愛因斯坦曾預(yù)言存在卻不可探測到的東西，但現(xiàn)在，科學(xué)家們已經(jīng)探測到了，我們對黑洞知道得又多了一些。

其實，物理學(xué)家也是普通人，他們的成功也許只是比別人更善于觀察生活，比別人更專注，比別人想得更多一些。