火車汽笛聲的啟示

王震元

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(fā)現(xiàn)，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(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(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)象使科學家們產生了聯(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(fā)現(xiàn)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(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(fā)現(xiàn)在熒光屏上出現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，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(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發(fā)射無線電波。結果，當飛機飛到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”（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(zhàn)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(fā)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(fā)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(fā)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(jiān)控，甚至實現(xiàn)自動識別和跟蹤。這是普通氣象雷達無法做到的。

交警手執(zhí)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(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(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”（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(fā)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(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(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。”后經科學家進一步研究，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(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(xù)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(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(yī)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(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(fā)射波的頻率高；而當血流背著發(fā)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(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(fā)現(xiàn)及時，老先生做了支架微創(chuàng)手術，使血流恢復正常，“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(wèi)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(lián)后，雖然飛機上實時發(fā)送航班位置的自動應答系統(tǒng)被人為關閉，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上自動發(fā)射的電子握手信號（ping）。由于飛機與衛(wèi)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(wèi)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……