下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
|
太阳表面的波 |
阳光明媚的日子里，当你站在游泳池边准备跳进去的时候，也许会注意到游泳池底部明暗变化的网格图案。如果你对此感到好奇，并寻找这种图案来自哪里，也许很快会认识到，泳池底部的图案是由于水面纵横交错的波纹与入射阳光相互作用并改变入射光而产生的。从本质上来说，当水波在表面形成和移动时，水的厚度会发生变化，形成一些聚焦和汇聚光线的小透镜，造成下方池底的明亮斑纹。至于这些水波和涟漪的源头，可以合理地推断是某种类型的扰动产生了它们，这种扰动可能来自强风，也可能来自水中移动的人们。池壁的反射使得水波来回反弹、互相作用，形成水面上看到的复杂的网格状涟漪。
除了可以看到的水波，还有看不到的在水中传播的声波。如果你是一个水肺潜水员，就会留意到声音在水中也能很好地传播。你也可以在你的浴缸中发现这点：如果你低下头让耳朵浸入水下（但是不要把整个脸都浸入，因为你还要呼吸！），然后用指甲抓挠浴缸底部，你会听到清晰的抓挠声。声波作为可压缩波，像穿过空气一样穿过水，它在水中的传播速度更快，事实上，要比在空气中快5倍。
当声波从水下到达水面，再被反射回水中时，会造成水面的轻微振动，理论上就可以从水面探测到声波（据报道，这一效应已经被间谍用于从远处探测房间窗玻璃的振动，从而窃听建筑物内的谈话）。这与我们关于太阳的故事的联系在于，20世纪60年代早期，在太阳表面发现了类似的振动，监听这些振动，我们可以推断出太阳内部发生了什么。
当声波从水下到达水面，再被反射回水中时，会造成水面的轻微振动，理论上就可以从水面探测到声波。太阳表面也有类似的振动，监听这些振动，可以推断出太阳内部发生了什么。
罗伯特·莱顿（Robert B. Leighton）于1919年生于底特律，后来和母亲搬去洛杉矶市中心，并在那里长大。1941年，莱顿在加州理工学院获得了电气工程专业学士学位，随后转为物理专业，并分别于1944年和1947年获得了理学硕士和博士学位。1949年，他加入加州理工学院成为一名教师。
莱顿一生共有58年的时间花在了加州理工学院，在固体物理、天体物理、粒子物理和射电天文学以及其他领域做出了很多创新实验。他最为人知的成就是从讲课录音整理出版了《费曼物理学讲义》（The Feynman Lectures on Physics），他还撰写了一本名为《现代物理原理》（Modern Physics）的物理学教材，后来被广泛使用。莱顿的诸多兴趣领域也包括太阳研究，他继承并发展了乔治·埃勒里·海尔的研究，革新了太阳物理学科。
1959年，莱顿发展了测量太阳磁场的现代方法。在海尔以及莱顿同事贺拉斯·巴布科克（Horace Babcock）工作的基础上，莱顿设计了一种快速测量太阳上大范围区域的方法，这种方法使用了我们现在称为较差图的手段。较差图通过将一对图像相减，留下一张显示两张图哪里不同、有多大不同的图像，这对于强调图像上偏离平均的区域是十分灵敏和有用的。在数字时代，较差图可以用计算机来完成，但是在20世纪最后十年之前，它必须通过漫长的、细致的、某种程度上说也是沉闷的照相方法来完成。比如说，一张图像可以通过接触印相法制成负像。接触印相是在一张空白胶片前放置一张有图像的胶片，再进行曝光。然后负像和第二张图被放在一起打印出来。如果做得非常仔细，那么结果图中灰色的部分是两张原始图中一样的地方，亮或者暗的部分是第二张图相对于第一张有变化的地方，亮表示增加，暗表示减少。
通过这一方法，不仅能够测量黑子内部的强磁场区域，也能测量黑子周围的活动区域，磁场的存在使得波长移动，改变磁场所在位置的图像亮度。除此之外，莱顿意识到通过被称为多普勒频移的小的波长移动，同样的技术可以被用于测量可见日面的运动。在此情况下，波长移动是因为向着或者远离观测者的运动，而不是磁场的存在，但是较差图技术对这两种情况都适用，除了对生成的较差图中差别的解释是不同的，一种显示了磁场的强度，另一种展示了朝向或者远离观测者的速度。
莱顿和他的学生罗伯特·诺伊斯（Robert Noyes）、乔治·西蒙（George Simon）使用这一技术发现，物质水平运动的大尺度元胞覆盖了太阳表面，物质从元胞中心向上运动，从中心向外水平地穿过元胞主体，在边界处下沉。这些大元胞覆盖了太阳表面，同时太阳表面磁场也形成了元胞一样的图案，磁场也更容易在元胞边界上被测量到。此外，他们发现太阳表面普遍存在小尺度的、平均周期约300秒的竖直振荡运动模式（波）。大尺度元胞被叫作超米粒组织（supergranulation），代表它们是我们在图2中黑子外面看到的、更为人知的小尺度太阳米粒组织的大号版本。小尺度模式因为具有300秒的周期，被称为五分钟振荡，这种振荡与米粒组织具有密切联系。
图13 这张图展示了来自全球日震观测网（Global Oscillation Network Group，GONG）的现代版多普勒图（速度图）。太阳表面的小块区域以五分钟的周期上下振荡，图上分别用蓝色和红色展现了这种朝向或者远离观测者的运动。
当时还无人知晓，这就是一门叫作日震学（helioseismology）的新领域的开端，日震学可以让我们透视太阳内部。太阳上的波可以成为我们的地震仪阵列，允许我们测量穿过太阳到达太阳表面的波。