果蠅到恒星，處處皆學(xué)問(wèn)

辛光

果蠅

果蠅，常常出現(xiàn)在生物學(xué)家的實(shí)驗(yàn)桌上，要看清楚它，需要?jiǎng)佑酶弑斗糯箸R。恒星，終年運(yùn)行在遙遠(yuǎn)廣闊的宇宙中，要看清楚它，需要?jiǎng)佑锰煳耐h(yuǎn)鏡。這兩者似乎扯不上關(guān)系，但美國(guó)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(gè)切開的蘋果或橙子，不到半天，你將收獲一群不請(qǐng)自來(lái)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(lái)。你也許會(huì)想，世界上怎么會(huì)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(shí)驗(yàn)室里，告訴了我們?cè)S多生命的奧秘，最近它們又教會(huì)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(dòng)物上岸以來(lái)，發(fā)展出了越來(lái)越復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)方式。運(yùn)動(dòng)對(duì)于動(dòng)物逃離捕食者、尋找配偶和尋找食物至關(guān)重要。因?yàn)樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)相對(duì)簡(jiǎn)單、易于繁殖和培養(yǎng)等特性，果蠅成為了研究動(dòng)物運(yùn)動(dòng)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兀恳慌_(tái)攝像機(jī)也許能解決這個(gè)問(wèn)題。

埃默里·巴托斯為果蠅量身定制了這樣一臺(tái)攝像機(jī)。這臺(tái)攝像機(jī)被命名為FlyWalker，由攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)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(dòng)”時(shí)，它的每一個(gè)舞步都會(huì)被高速攝像機(jī)記錄下來(lái)。為了搞清楚它跳的是“桑巴”還是“華爾茲”，計(jì)算機(jī)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(dòng)軌跡。拍攝一段時(shí)間后，科學(xué)家就得到了一段果蠅的“國(guó)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(dòng)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(dòng)”，一旦果蠅的“舞步”失常，無(wú)論是過(guò)快還是過(guò)慢，F(xiàn)lyWalker都能很快辨別出來(lái)。

正是依托這個(gè)系統(tǒng)，許多果蠅的實(shí)驗(yàn)才最終得以完成。美國(guó)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(duì)它運(yùn)動(dòng)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(lái)“東倒西歪”又“氣喘吁吁”，比不帶菌的果蠅走得慢得多，這才驗(yàn)證了他的猜想。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的成功，離不開巴托斯的FlyWalker系統(tǒng)，也是因?yàn)镕lyWalker，我們能在許多果蠅相關(guān)的生物論文中看到巴托斯這個(gè)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(jī)在動(dòng)物學(xué)家的實(shí)驗(yàn)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(lái)都是財(cái)富的象征，而且現(xiàn)在人們也越來(lái)越離不開它。即使你不佩戴黃金飾品，也能在你手上的手機(jī)、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(diǎn)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(jì)，2018年，電子行業(yè)使用了近270噸黃金。

但是，黃金從哪里來(lái)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(wàn)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(jìn)行了。那么之后的元素是怎么產(chǎn)生的呢？

原來(lái)，當(dāng)星球全被鐵元素占滿后，地表再也載不動(dòng)這么重的鐵元素，它們會(huì)在重力作用下向內(nèi)坍塌，最終全部堆積在一起，形成一個(gè)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(cè)，宇宙中的中子星在各自的軌道運(yùn)行，彼此之間相安無(wú)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(qiáng)烈的碰撞后，這些黃金散落到了宇宙各處，其中一些來(lái)到了地球。

那么我們?nèi)绾文茏C明46億年前的這場(chǎng)“車禍”是否真的發(fā)生過(guò)呢？巴托斯分析了一顆比地球壽命還長(zhǎng)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(jì)算機(jī)模擬的中子星相撞產(chǎn)生的同位素比值進(jìn)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(duì)“誰(shuí)是重元素之母”這個(gè)問(wèn)題有兩個(gè)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(cè)，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(bào)道說(shuō)，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(shí)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(gè)角度來(lái)說(shuō)，中子星“車禍”可算是“宇宙塑造者”了。

如果說(shuō)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(huì)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(guó)LIGO（激光干涉引力波天文臺(tái)）和意大利Virgo天文臺(tái)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(lái)，人類已知的黑洞相撞事件已經(jīng)達(dá)到了10次。黑洞相撞后是彈開還是合并成一個(gè)足以吞噬數(shù)百萬(wàn)星體的“超級(jí)黑洞”？如果“超級(jí)黑洞”吞噬了星體，星體的物質(zhì)是會(huì)湮滅還是重新“組裝”成新的物體？這些問(wèn)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(shuō)《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(tái)的工作原理。為了寫好這本書，她與巴托斯討論了很長(zhǎng)時(shí)間，她說(shuō)，“巴托斯很慷慨地給了她很多幫助”。

作為一個(gè)小說(shuō)家，弗羅伊登伯格的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)遠(yuǎn)沒有巴托斯那么扎實(shí)，她在請(qǐng)教巴托斯之前，很擔(dān)心自己會(huì)被長(zhǎng)篇大論的數(shù)學(xué)知識(shí)和基本原理淹沒，但巴托斯主動(dòng)告訴她，物理中只有簡(jiǎn)單的四則運(yùn)算，除非計(jì)算出錯(cuò)了，否則不需要討論數(shù)學(xué)知識(shí)。

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(lái)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)摵诙矗霉珗@里的樹木和松鼠來(lái)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(yuǎn)或近。黑洞能吞噬所有附近的物質(zhì)，但是被吞進(jìn)去的東西并不會(huì)消失，只是變了個(gè)樣子。比如春天，松鼠在樹洞里藏了許多堅(jiān)果，冬天來(lái)看時(shí)卻只剩下吃剩的堅(jiān)果殼。而且，就像我們能通過(guò)查看樹洞里的腳印判斷是誰(shuí)偷吃了堅(jiān)果一樣。我們?nèi)绻苷业奖缓诙赐淌傻奈镔|(zhì)在時(shí)空中留下的腳印——引力波，那就能判斷是誰(shuí)在什么時(shí)候進(jìn)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(shuō)，如果不再寫小說(shuō)，我會(huì)研究引力波。這是愛因斯坦曾預(yù)言存在卻不可探測(cè)到的東西，但現(xiàn)在，科學(xué)家們已經(jīng)探測(cè)到了，我們對(duì)黑洞知道得又多了一些。

其實(shí)，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。