“天外来客”讲述太阳系“童年”故事

  研究人员提出,原行星盘气体的外流像一双“看不见的手”,参与了早期太阳系的塑造,影响了小天体和行星的形成。他们从陨石同位素含量两极化的现象入手,推演太阳系形成之初的500万年间发生的故事,并据此构建出早期太阳系天体形成的新模型。

  5月31日,我们即将迎来武仙座流星雨。一颗颗流星划过夜空,带给我们一场视觉盛宴。但其实流星的背后,还可能包含着解开太阳系身世之谜的种种线索。在天文学家眼中,流星是来自太空的信使,帮助好奇的人类了解宇宙的奥秘。他们试图从陨石中捕捉各种蛛丝马迹,揭开藏在太阳系漫长演化历程中的种种谜团。

  近日,《科学·进展》杂志刊登了浙江大学物理学院研究员刘倍贝与丹麦哥本哈根大学、瑞典隆德大学学者的联合研究成果——从陨石同位素含量两极化的现象入手,推演太阳系形成之初500万年间发生的故事。

  他们提出,原行星盘气体的外流像一双“看不见的手”,参与了早期太阳系的塑造,影响了小天体和行星的形成。据此,他们构建出早期太阳系天体形成的新模型。

  陨石成分不均是关键线索

  让我们将时间线推回到太阳系诞生后的500万年间,彼时的太阳系正处“童年期”,太阳周围环绕着一个扁平的气体圆盘。这个气体圆盘被称为原行星盘,它就像是行星们的共同“摇篮”,其中漂浮的固体颗粒可被成长中的行星所吸积。

  太阳系里的小行星、彗星或行星撞击后产生的碎片即陨石,它们的母体也形成于同一时期、同一“摇篮”——原行星盘。科学家可以通过对陨石进行研究,探索早期太阳系形成和演化的过程。

  按照物质成分,陨石可分为碳质陨石和非碳质陨石。碳质陨石含有更多的挥发性物质,包括含碳有机物和水等;而非碳质陨石则含有更多的难熔性金属元素。

  学界认为,这种差异源于陨石的母体形成时的位置。“原行星盘越靠近太阳的位置,温度就越高,挥发性物质含量就越低,主要物质是非碳质固体物质;越远离太阳的位置,温度越低,主要物质是碳质物质。”刘倍贝指出,这两类陨石的同位素含量也大相径庭。

  刘倍贝介绍,根据同位素测年法,陨石的形成时间横跨整个原行星盘存在的阶段(约为太阳系诞生之初的500万年间),它们吸积的固体物质通常而言是流通的,因此它们在组分上应该呈现出一定的连续性。然而真实的观测结果则是这两类陨石的同位素呈现出两极化,这一现象令天文学界尤为惊讶。

  刘倍贝解释道,这种两极化的现象意味着在原行星盘中,可能存在大尺度、长时间的物质隔离。

  “时间隔绝”让陨石同位素两极化

  会不会有一种力量,让原行星盘形成了彼此相互隔离的区域?有学者提出,这种力量或来自于太阳系中的“大兄长”——气态巨行星木星,即“木星开沟”理论,这一理论或许可以解释陨石成分两极化的现象。

  “木星开沟”理论提出,木星的固体核在太阳系诞生之初的100万年内形成,它凭借其巨大的质量和强大的引力,在气体盘中开了一个“深沟”,完全阻断了后续固体颗粒的内流,内外盘的固体物质自此隔绝。

  刘倍贝对这一观点存在疑问,如果木星真在气体盘中开一个“深沟”,完全阻断了后续固体颗粒的内流,那么内盘非碳质固体颗粒物会因快速迁移而消耗殆尽。这样一来,普通球粒陨石和顽火辉石球粒陨石的母体就没有可以吸积的非碳质固体颗粒物,也就无法长大。

  研究表明,这两种球粒陨石形成于太阳系诞生后的两到三百万年间,说明非碳质固体颗粒物还是能长时间流通且存在于内盘区域。

  相反地,如果木星开的“沟”不够深,就不能有效地阻挡固体颗粒的迁移,内外盘的物质还是可以流通的,就不会出现两类陨石同位素两极化的现象。“‘木星开沟’很难同时解释我们得到的太阳系陨石形成年龄和同位素含量这两大观测数据。”刘倍贝说。

  还有什么物理机制能解释陨石同位素的两极化?有别于“木星开沟”导致的“空间尺度的隔绝”,研究人员尝试从时间演化上的隔绝来解释这一现象。

  在太阳系的“童年时期”,原行星盘中的固体颗粒会源源不断从外盘区域迁移流向内盘。研究人员提出,对这一过程的研究,应该充分考虑原行星盘中气体的运动,这点在过去的工作中被忽视了。

  原行星盘中的流体遵循着动量守恒原则,盘内侧区域的气体向内流,最后被太阳吸积。与此同时,外盘的气体向外流,不断地扩充着原行星盘的外部疆域。“就像涨潮的海水,不断地向外吞噬岸边的沙滩一样。”刘倍贝说。

  考虑原行星盘气体外流效应之后,他们重新对盘内固体颗粒物的迁移状况进行了模拟,结果显示:在外盘气体外流的推动下,固体颗粒物的迁移速率和方向发生了改变,它们最终进入内盘的时间被大大延长。

  “我们发现,诞生之初位于25个日地距离以外的碳质固体颗粒,需要经过300万年才会最终迁移进入内盘类地行星形成区。”刘倍贝说。

  勾勒太阳系“童年期”的画像

  根据此次研究中指出的原行星盘气体外流效应,3位研究人员重新“复盘”了太阳系“童年期”原行星盘内固体物质的演化:在太阳系诞生之际,原行星盘内的固体颗粒物分布呈现较为明显的两极化,靠近太阳位置的内盘以非碳质固体颗粒为主;远离太阳的外盘以碳质固体颗粒为主。在外盘的固体颗粒流入内盘之前,内盘非碳陨石(包括无球粒陨石、普通球粒陨石和顽火辉石球粒陨石)的母体们靠吸积耐火物质(熔点较高的难熔性物质)而形成。

  与此同时,外盘的碳质球粒陨石母体靠吸积碳质固体颗粒逐渐长大。在约两至三百万年之后,碳质颗粒物最终迁移进入内盘。

  “行星形成早期,位于内盘的火星和地球吸积的是非碳质固体颗粒。在约两至三百万年之后,碳质固体颗粒最终迁移进入内盘。此后地球和火星吸积碳质固体颗粒成长,因而它们的同位素含量是两大类固体物质的混合。”刘倍贝说,这也解释了观测上的火星和地球同位素含量介于这两类陨石之间的现象。

  刘倍贝说,从现有的观测出发,我们并不能对木星的形成时间给出更严格的限制。现今的木星位于距太阳5.2个日地距离处,木星形成的位置学界有两种假说:一种认为木星为原位形成,成长过程中没有大尺度的轨道迁移;另一种认为木星形成于外盘较远处,距太阳大于10个日地距离。

  “我们的模型更支持后者。”刘倍贝说,因为木星大气中发现的诸多易挥发性元素如碳、磷、氮和氩,其含量均比太阳高出数倍之多,这一现象很难用原位形成理论解释。相反,如果木星内核形成于行星盘外部较冷的区域,以上易挥发性元素均以固态的形式存在,它们被木星内核吸积后可外溢进入木星的大气层,产生我们所观测到的元素增丰。

  此外,木星质量增长之余也与原行星盘相互作用,产生向内的轨道迁移。木星内移的过程中,不断地通过引力散射作用将沿途的碳质陨石母体送入内盘,产生了现今太阳系小行星带特有的群体分布和轨道构型。

  来源:科技日报

在二十一世纪初,大安达曼族群已经只剩下约五十人左右了,他们被安置在一个名为 “海峡一号(英语:Strait I.)” 的小岛上;他们中大约一半人说的语言是一种已被一定程度地改变,甚至已经被克里奥尔语化的 Aka-Jeru(英语:Aka-Jeru language) 语。[1]这种经变化的语言被一些学者称作现代大安达曼语[5][6],或简称为 “Jero” 或“大安达曼语”。印地语则逐渐称为他们的主要语言,甚至一半人只会说印地语了。[7]

由于使用者们仍与外界保持着孤立状态,Ongan 诸语得以幸存而未如其他安达曼语言一般消亡或融合。南安达曼的各部落(尤其是 “Sentinel” 和 “Jarawa”部落)对外界抱持着的敌意及对向外交流意愿的缺乏又进而加剧了这种孤立状态。其中,Sentinel 人对于与外界交流一事的极度抗拒甚至使得外界至今仍对他们的语言一无所知。

语法
安达曼语言是黏着语,拥有丰富的前后缀,还拥有与众不同的名词分类系统[8][9]。单个名词或形容词会根据与之相关的身体部位加上前缀。这种相关主要指形状或是功能相关[10]。举个例子,在大安达曼语中 “aka” 这个前缀加在与舌头 “相关” 的名词前[11]。另一点,身体部位的词语,不能单独使用,必须要添加一个所有格形容词前缀,这个身体部位词才能成立。所以一个人不能单单说 “头”,必须说 “我的头、你的头” 云云[12]。

在所有的大安达曼语中,基础的代词几乎都是相同的。以 Aka-Bea 为例(以原型前缀形式给出。)

我/我的 I, my d- 我们/我们的 we, our m-
你/你的 thou, thy ŋ- 你们/你们的 you, your ŋ-
他/她/它/他的/她的/它的 he, his, she, her, it, its a- 他们/他们的 they, their l-
但 Ongan 语言的代词有些不同,下面是 Önge 语的例子

我/我的 I, my 我们/我们的 m- we, our et-, m-
你/你的 thou, thy 你们/你们的 ŋ- you, your n-
他/她/它/他的/她的/它的 he, his, she, her, it, its 他们/他们的 g- they, their ekw-, n-
根据现有资料,安达曼语言只有两个主要的数字:1 和 2。他们所有的数词分别是(翻译为汉语):一、二、多一个、一些、全部。[13]

词汇
Abbi(2009)[14]给出了下列词汇表:

中文 Onge Jarawa Great Andamanese
船 ɖaŋɛ cɨ (cagiya paɖa)-taŋ/daŋ rowa
弓 ɪya aːw ko
孩子 ɨcɨʐɨ ɨcɨʐə ʈʰire
鳄鱼 ʈɔyəgɨ torogiyəi sare-ka-teo
乌鸦 wawa-le waːraw pʰaʈka
狗 wəːme, uame wɔm caːw
山羊 ʈikʷabuli tʰikʰwa-gopejayo –
笑 ɨɲya əniaː kʰole
水 ɨɲe iːɲ ino
第一人称(我) mi mi ʈʰu
第二人称(你) ɲi ɲi ɲ
前额 -ejale -ejea -beŋ
眼睛 -ejebo -ejebo -ulu
耳朵 -ekʷagɨ -ikʰəwə -boa
手肘 -ito-ge -itʰo-ha -bala-tara ɖole
手腕 -moɲa-ge -eɲia -ʈʰo
手掌 -obanaŋ-ge -obaŋna -koro
拇指 -oboʈa-ge -obotʰa -kənap
大腿 -ibo -ibə -buco
膝盖 -ola-ge -olak ~ -ola -curok
唯一 -ubtəga-me -ugɖaga -moʈora-ɖole
颈部 -aŋgiʈo -agiʈʰo -loŋɔ
分类

安达曼语系各语言的历史分布和当前分布。
安达曼语系可大略归类为两个语族以及一个分类未定的语言,具体如下[15]:

安达曼语系
大安达曼语族:使用者为大安达曼人,都是印地语双语者。
中部
Aka-Bea (abj) †
Akar-Bale (acl) †
Aka-Kede (akx) †
Aka-Kol (aky) †
A-Pucikwar (apq) 24名使用者 (2000 Verma)
Oko-Juwoi (okj) †
北部
Aka-Cari (aci) †
Aka-Kora (ack) †
Aka-Jeru (akj) † 1997年有36名使用者,最后一人于2009年去世。[16]
Aka-Bo (akm) †
南安达曼语族
Jarawa (anq) 300名使用者 (2001 CIIL)
Önge (oon) 96名使用者 (1997 CIIL)
分类未定
桑提内尔语 Sentinel (std) 101名使用者 (2000 WCD)
这些语言通常被认为是亲属语言。但是,就目前的研究,大安达曼语族和 Ongan 语族语言的主要相似之处在类型学上的形态,他们之间相似的词汇很少。即使是 Joseph Greenberg 这样长期从事安达曼研究的人员也疑惑,到底能不能将安达曼群岛上的语言划为一个大的 “安达曼语族”。[17][18]

Blevins(2007),有以下总结

Jawara-Onge 语言与大安达曼语族之间有亲属关系的观点并没有被广泛接受。Radciffe Brown(1914:40)在 Onge 和 Bea/Jeru 之间只发现了七个有可能的同源词。同时他指出:Onge 语言和大安达曼语言之间有着巨大的差别,如果从词汇上来说,他们是不可能同属一个语言系统的。

Abbi(2006:93)认为不能判断他们的关系,他说:“目前的证据,并不能确切地证明大安达曼语和其他两种语言之间有任何亲属关系。” 仅仅有 Manoharan(1989:166-67)提供的十七对同源词可以作为证据。Manoharan 的提供的证据有一些问题,如语言不匹配,又如无法辨认出借词。有证据表明这些语言之间有相互接触,加之目前大安达曼语的资料有限,基于这些,目前没有令人信服的证据表明他们之间有亲属关系。

Greenberg(1970:810)怀疑大安达曼语言与 Onge-Jawara 之间的亲属关系,并且他同意 Radcliffe Brown(1914)的观点:“这些语言之间只有屈指可数的相似词汇。真正的唯一相似之处是它们在类型学上的相似。Onge 语的词汇有时被引用作为印度 - 太平洋语门的词汇研究,但无论是它与印度 - 太平洋语系的特殊联系,还是它与大安达曼语言的联系,在开展研究时,都必须被认为是都是高度假定的。

正如在这段引文中提到的,Greenberg 在提出大安达曼语与西巴布亚语言有关,他将二者都划入印度 - 太平洋语门。[19]但是这个观点并没有被语言学界普遍接受。

Stephen Wurm 说,根据许多资料,大安达曼语言和西巴布亚语言,以及东帝汶的某些语言在词汇上的相似之处 “相当惊人,甚至可以正式建立他们之间的联系”。但他同时认为,这些应当更多的语言底层上的而不是直接的亲属关系。[20]

Blevins(2007)提出了 Ongan 语言与南岛语有关的观点,认为可以建立 Ongan - 南岛的亲属关系。她尝试过在二者之间建立有规律的语音对应关系。

#博主之声# 【量子英雄传:玻色因错误发现量子统计,费米被誉为理论实验通才】
在介绍玻爱争论之前,我们曾经介绍过波尔兹曼,他是统计力学大师,最后因抑郁症而自杀。波尔兹曼研究的是经典粒子的统计行为,那么,量子力学中粒子的统计行为是怎么样的?为何与经典粒子统计规律不同呢?这段历史将再次让我们的目光返回到旧量子论的年代。

从现代物理学的观点,量子统计的规律有两种:波色-爱因斯坦统计,和费米-狄拉克统计。这四位物理学家中的爱因斯坦是人人皆知的大神,费米和狄拉克也都在诺贝尔奖的榜上有名,可这个玻色是谁呢,很多人都没听过,此外,本系列文中尚未介绍费米,因此,本节我们就介绍一下玻色和费米。

▲ 一个概率问题

玻色的确不是那么有名,印度人,属于第三世界的物理学家,固然受很多条件所限。不过,由他而命名的玻色子在物理学界还是挺有名的。对玻色子统计规律的研究是玻色一生中唯一一项重要的成果。

有趣的是,玻色是因为一个“錯誤”而发现玻色子统计规律的。1921年左右,在一次有关光电效应的讲课中,玻色犯了一个类似“掷两枚硬币,得到“正正”概率为三分之一”的那种错误。没想到这个错误却得出了与实验相符合的结论,也就是不可区分的全同粒子所遵循的一种统计规律。

什么叫“掷两枚硬币,‘正正’概率为三分之一”的那种错误?另外,什么叫“不可区分的全同粒子”?两个粒子可区分或不可区分,会影响概率的计算吗?

我们看看在现实生活中如何计算概率。如果我们掷两枚硬币,因为每个硬币都有正反两面,所有可能的实验结果就有四种情况:正正、正反、反正、反反。如果我们假设每种情形发生的几率都一样,那么,得到每种情况的可能性,各是四分之一。

现在,想象我们的两枚硬币变成了某种“不可区分”的两个粒子,姑且称它们为“量子硬币”吧。这种不可区分的东西完全一模一样,而且不可区分。既然不可区分,‘正反’和‘反正’就是完全一样的,所以,当观察两个这类粒子的状态时,所有可能发生的情形就只有“正正”“反反”“正反”三种情形。

这时,如果我们仍然假设三种可能性中每种情形发生的几率是一样的(尽管这好像不太符合我们对于实际“硬币”的日常经验,但不要忘记,我们考虑的是某种抽象的“量子硬币”!),我们便会得出“每种情况的可能性,都是三分之一”的结论。这个例子就说明了,多个“一模一样、无法区分”的物体,与多个“可以区分”的物体,所遵循的统计规律是不一样的。

▲ 玻色的错误

纳特·玻色(Nath Bose,1894年-1974年)出生于印度加尔各答,他的父亲是一名铁路工程师,他是七名孩子中的长子。玻色在大学时得到几位优秀教师的赞赏和指点,但他只得了一个数学硕士,并未继续攻读博士学位,就直接在加尔各答物理系担任讲师职务,后来又到达卡大学物理系任讲师,并自学物理。

大约1922年左右,玻色讲课时讲到光电效应和黑体辐射时的紫外灾难,他打算向学生展示理论预测的结果与实验之不合之处。那时候,新量子论(量子力学)尚未诞生,已经使用了二十多年的旧量子论,不过是在经典物理的框架下,做点量子化的修补工作。至于粒子的统计行为,需要应用统计规律时,仍然是波尔兹曼的经典统计理论。物理学家们的脑袋中,绝对没有所谓粒子“可区分不可区分”的概念。每一个经典的粒子都是有轨道可以精确跟踪的,这就意味着,所有经典粒子都可以互相区分!

玻色也是一样,他想对学生讲清楚黑体辐射理论与实验不一致的问题。于是,他运用经典统计来推导理论公式,但是,他在推导过程中,犯了我们在上面所述的那种“错误”,简单而言,就是将丢两枚硬币时出现“正正”的概率,误认为是三分之一。但是。万万没想到这个偶然的错误却得出了与实验相符合的结论。

为什么数学错误反而得到正确物理结论,此事蹊跷。聪明的玻色立刻意识到,这也许是一个“没错的错误”!他继续深入钻研下去,研究概率1/3区别于概率1/4之本质,悟出一点道理,他写出了一篇《普朗克定律与光量子假说》的论文。文中,玻色首次提出经典的麦克斯韦-波尔兹曼统计规律不适合于微观粒子的观点。他认为是因为海森堡不确定性原理导致变动构成的影响,使得需要一种全新的统计方法!

然而,没有杂志愿意发表这篇论文,因为他们都认为玻色犯了当时统计学家看来十分低级的错误。

后来,1924年,玻色突发奇想,直接将文章寄给大名鼎鼎的爱因斯坦,不料立刻得到了爱因斯坦的支持。玻色的“错误”之所以能得出正确结果,因为光子就正是一种不可区分的、后来被统称为‘玻色子’的东西。对此,爱因斯坦心中早有一些模糊的想法,如今玻色的计算正好与这些想法不谋而合。爱因斯坦将这篇论文翻译成德文,并安排将它发表在《德国物理学期刊》上面。

玻色的发现是如此重要,以至于爱因斯坦开始写一系列论文,研究他称之为“玻色统计”的东西。因为爱因斯坦的贡献,如今,它被称为“玻色-爱因斯坦统计”。之后又有了超低温下得到“玻色-爱因斯坦凝聚”的理论。

这可以说是一个诺奖级别的工作,遗憾的是玻色本人像一颗划过天空闪亮一时,又转瞬即逝的彗星一样,之后在科学上没有大作为,最终与诺奖无缘,1974年于80岁高龄死于加尔各答。
全文:https://t.cn/A6ZebJje


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