思羽/編譯

太陽中的鐵——實驗物理學(xué)家詹姆斯·貝利訪談錄

思羽/編譯

詹姆斯·貝利，承蒙桑迪亞國家實驗室提供照片

雖然我們每天都能見到太陽，太陽仍舊是個神秘難解的地方。它的內(nèi)部不透光線，遠方的儀器無法窺視內(nèi)部，同時太陽太過炙熱，探測器無法幸存。對于太陽內(nèi)部振蕩活動及其他性質(zhì)的分析，給出了研究其內(nèi)部構(gòu)成的線索，但這些觀測結(jié)果一度與太陽模型并不一致。

為了查明真相，桑迪亞國家實驗室的一位實驗物理學(xué)家詹姆斯·貝利（James Bailey）與同事們一起找到了一種再現(xiàn)太陽內(nèi)部深處情況的方法，盡管實驗為時很短，規(guī)模甚小，但意義重大。他們十年間所做的實驗表明，答案大概在鐵元素身上。鐵元素有著阻礙輻射從太陽內(nèi)部傳播到外部的能力，它的不透光度比預(yù)計的更加高，在某種程度上糾正了理論與觀測結(jié)果。貝利與《美國科學(xué)家》副主編費內(nèi)拉·桑德斯討論了他的團隊取得的成果及其意義。

這張?zhí)栐谝荒陜?nèi)的極紫外輻射復(fù)合相片顯示出鐵離子在60萬開氏溫度下的放射情況。鐵是太陽的能量輻射中的關(guān)鍵元素（美國航空航天局供圖）

問：為何太陽理論與觀測結(jié)果在某個時間點不一致了？

答：在2000年前后，太陽物理學(xué)家都很欣喜，因為標(biāo)準(zhǔn)太陽模型做出的預(yù)測與基本上所有的觀測結(jié)果相互一致，準(zhǔn)確程度還非常高。但是在那段時間里，有人用新的分析技術(shù)處理了太陽的光譜。他們最終判定，與先前揣想的情況相比，必須得要削減太陽內(nèi)部某些元素的含量，而削減的量還非常大。

這個結(jié)論在天文學(xué)界引起了軒然大波，因為太陽一直被用作是許多天體物理學(xué)研究的天體的衡量準(zhǔn)繩。因此當(dāng)某人取得進展，說太陽內(nèi)的氧元素比以前認為的要少上50%，這基本上意味著整個宇宙中許多其他天體的氧元素含量也要少上50%。

問：太陽的元素含量怎么就與它的能量有關(guān)了？

答：日核中通過核反應(yīng)產(chǎn)生能量，接著那些能量必須傳播至外部。能量傳播所耗費的時間大約是一百萬年，這既是因為太陽龐大無朋，也是因為輻射必須先被吸收再放射，周而復(fù)始，如此既往，一直傳遞至太陽外部。這一過程影響了太陽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也影響了溫度與密度的空間剖面。

問：元素的含量與不透光度之間有什么關(guān)系？

答：太陽內(nèi)部控制輻射傳輸?shù)脑刈畛醪⑽赐耆x子化；它們?nèi)匀粨碛幸恍┦`電子。鐵是不透光度的關(guān)鍵因素之一，氧元素是另一關(guān)鍵要素。當(dāng)有研究人員說氧元素的含量必須降低，那么由氧元素貢獻的不透光度也會更低。鐵元素也是同樣的道理，但他們并未改變鐵元素的量。假如總的不透光度提高大約15%，以前觀測結(jié)果與理論預(yù)測的一致便能得以恢復(fù)。問題在于，不透光度都是建立在既有的理論模型上的，而那些理論模型從未在恒星內(nèi)部存在的情況下測試過。那就是我們研究的突破口。

問：你是如何模擬太陽內(nèi)部情況下的鐵元素的行為的？

答：我們的研究設(shè)施產(chǎn)生了只維持了數(shù)十億分子之一秒的龐大電能，數(shù)值上是整個地球發(fā)電量總值的許多倍。這是令人嘆為觀止的成就；我的研究樓在幾百碼之外，當(dāng)機器啟動時，我能感覺到地面的晃動。我們能把材料加熱至太陽內(nèi)部才存在的溫度與密度。關(guān)鍵的進展是我們能用一塊足夠大、能受到精確操控的樣本來做這一實驗，從而能非常準(zhǔn)確地測量諸多材料性質(zhì)，譬如不透光度。

問：這一“足夠大”的樣本是什么呢？

答：像是一粒沙礫。聽上去不是非常大，但在我們高能量密度物理學(xué)領(lǐng)域，我們和持續(xù)時間十分短、十分小的樣本打交道。我們的實驗只持續(xù)了大約三十億分之一秒，但對這個領(lǐng)域來說，那其實是相當(dāng)久的實驗了。

問：你如何能判定鐵元素真正的、更高的不透光度？

答：基本上，我們測量的是X光通過一塊混有鎂的薄片鐵樣本時的傳輸情況。我們測量的鐵原子與太陽內(nèi)部的鐵原子所處狀況相同。測量出的不透光度是波長的函數(shù)。我們發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)與模型之間有不小的矛盾。我們花費了過去的兩年時間核對結(jié)果，做了更多實驗，進行了更多分析，試圖找出任何有可能讓實驗結(jié)果產(chǎn)生偏差的問題。至今為止，我們?nèi)晕窗l(fā)現(xiàn)任何差錯。

問：這是不是你花費十年的工作來得出這一結(jié)論的原因？

答：合理地看待這件事的話，人們在過去的一百年里一直知道我們應(yīng)該測量這些不透光度。只是，這是個極具挑戰(zhàn)性的難題。所以，我們花費了十年光陰在這上面，這點并沒讓我感覺十分糟糕。今時今日的許多物理學(xué)研究都是高風(fēng)險的研究，要耗費十年乃至更久時間來找出科學(xué)探究將引領(lǐng)你獲知的真相。假如你打算做科學(xué)家，這就是人生必有的境遇；你必須得有恒心。

問：那么，你是否為自己獲得這么引人注目的結(jié)果而感到幸運？

答：假如實驗結(jié)果與模型一致，我一樣會開心。那樣仍然會是這些不透光度模型首次在太陽內(nèi)部所存在的情況下得到確證。但另一方面，如今太陽物理學(xué)家將不得不繼續(xù)尋找我們對于太陽的理解中存在的其他錯漏。

問：因此，對于你獲得的結(jié)果，始終存在著某些爭議？

答：是的，肯定的。為什么鐵的不透光度應(yīng)該與預(yù)測值不同？我們眼下對于這個問題尚未有理論上的詮釋。不透光度作為波長的函數(shù)，忽上忽下。我想，這會一直有所爭議，直到我們對此有了更透徹的理解為止。

[資料來源：American Scientist][責(zé)任編輯：彥隱]