文/ 布萊恩·加拉赫

加州大學伯克利分校的機械工程系教授、計算機物理學家菲利普· 馬庫斯在校園附近的一家咖啡館里對我說：“讀書是一種錯誤，了解了太多東西并不是一件好事。我就是這樣對研究流體動力學著了迷?！?/p>

那是1 9 7 8年，馬庫斯在康奈爾大學做博士后的第一年，他的研究方向是運用波譜方法對太陽產(chǎn)生的對流和實驗室里的氣流進行數(shù)字模擬。就在此前，他想研究的是宇宙演變和廣義相對論。馬庫斯告訴我，原因是當時存在的一種說法，即沒有人能在他的有生之年親眼看見廣義相對論產(chǎn)生的結(jié)果，“這個領(lǐng)域自身就有些站不住腳，所以當時每一個研究過廣義相對論的人都打算轉(zhuǎn)而研究其他領(lǐng)域”。

也是在這一年，“旅行者1”號開始將木星的高空近距離圖像發(fā)回地球。馬庫斯說，每當自己需要放松心情、好好休息的時候，就會去天體物理學大樓旁邊的一個專門圖書館，面對“旅行者1”號發(fā)回的那張巨大紅斑的圖像感慨不已。至少是從1 6 6 5年，也就是羅伯特·胡克第一次觀測到這個紅斑風暴的時候開始，它就已經(jīng)在距離我們幾億千米遠的地方存在了。馬庫斯對我說：“我意識到，在天文學領(lǐng)域幾乎沒有一個流體動力學方面的專家，而我卻擅長這方面。于是我想，我完全有能力著手研究這個巨大的紅斑。”

從那以后，他就再也沒有停止過對這個巨大紅斑的研究?，F(xiàn)在，他可以稱得上是研究太陽系中這個最著名的風暴的專家了。馬庫斯有著山地車手一樣魁梧的身材，回答我的問題時常常揮著雙手，他認為自己的這種熱情可以舒展笨拙的身體。他說：“大家遠遠地躲著我，好像只要我進入實驗室，就會立刻破壞一切。不過幸好，我還有一些出色的實驗員朋友。”

木星的巨大紅斑在哪些方面讓你覺得非常有吸引力？

馬庫斯：有好幾個方面。人們一直很好奇，為什么這個巨大的紅斑會存在這么長時間？其實這個巨大的紅斑就是一個風暴。我們已經(jīng)對地球上的風暴司空見慣了，一般的颶風最多會持續(xù)幾周，而且具有確定的破壞性機制：要么吹進冰冷的水中，冷水會切斷它的動力供應;要么掃過陸地，陸地將其動力切斷。龍卷風異常壯觀，卻轉(zhuǎn)瞬即逝——只能持續(xù)幾小時。那么，為什么木星上會有一個持續(xù)這么長時間的風暴呢？以前人們認為這是“飄浮在山頂?shù)脑茍F”或是“液態(tài)氫海洋中的一座冰山”。到1 9 7 9年左右，也就是“旅行者1”號和“旅行者2”號對木星進行近距離探測時，這樣的說法就不再有了。實際上，沒有人真正知道它是一個旋渦，是一個轉(zhuǎn)一圈大約需要6天的強大颶風，幾百個美國加起來才可以和它媲美。我的意思是，它真的很大。“旅行者”號的一項偉大成就就是拍攝了幾百張組成這個紅斑的云團圖片，所以我們才可以看見整個紅斑在旋轉(zhuǎn)，從而確定它就是一個旋渦。

這個巨大的紅斑是怎樣產(chǎn)生的？

馬庫斯：這個巨大紅斑產(chǎn)生的方式可能有兩種。它可能曾經(jīng)是一大團向上飄升的羽狀流，到了平流層后就卷成筒狀，形成了旋渦。如果上升的羽狀流能夠接觸到一片真正穩(wěn)定的氣流層，它就會向外水平擴散。如果是在一個像木星一樣旋轉(zhuǎn)速度非?？斓南到y(tǒng)里，它就會向外擴散形成一個旋渦。另一種可能是一股噴射氣流變得不穩(wěn)定，開始像波浪一樣振蕩。當振幅足夠大時就會沖破阻力，形成一個個旋渦，最后合并到一起。在我看來，噴射氣流就是形成旋渦的家園。

為什么它會在木星上產(chǎn)生，而不是其他地方？

馬庫斯：在地球上，如果從海洋上空飛過，幾乎可以很確定地說出什么時候下方會出現(xiàn)一座島嶼，因為島嶼的地形特征常常伴有白云，上空常有云朵飄浮。但是，木星表面不是固態(tài)結(jié)構(gòu)，它基本上就是一個氣態(tài)的球狀物，這里沒有大陸和海洋的熱力差，風也不會受到山脈的阻擋。因為沒有一切亂七八糟的東西，所以上面的噴射氣流井然有序。一旦遇到噴射氣流，旋渦就會自然形成。相對方向吹來的風會相互廝殺（試想一顆滾珠在兩堵反向移動的墻面中間，墻面會使這顆

滾珠快速旋轉(zhuǎn);同樣，木星上的兩股方向相反的噴射氣流使氣流中間的空氣快速旋轉(zhuǎn)）。噴射氣流之間的旋渦排斥任何卷入的東西。如果我在浴缸里制造一個旋渦，然后擊打它，它通常就消失了;但如果我模擬木星上一個位于緯向風帶之間的大紅斑，然后猛拍它，它會恢復原狀。因此，我認為噴射氣流就是產(chǎn)生旋渦的家園。

是什么讓這個紅斑凝聚到一起？

馬庫斯：我猜想這個紅斑從頂部至底部有5 0千米至7 0千米， 寬度大約有2 6 0 0 0千米，這就好像一張薄餅。如果我在這個“薄餅”的中央施加高壓，就像裝在管子里的牙膏一樣，有些東西會從“薄餅”的兩側(cè)、頂部和底部噴射出來。大家知道，這個巨大紅斑的中央有一個高壓，但是它的氣體并不會從兩側(cè)水平噴出，因為在這些方向上存在科里奧利力。相反，這些氣體會從頂部和底部垂直噴出。那么，是什么阻止這些氣體垂直噴射呢？我知道的唯一能夠阻止它們垂直噴射的可能就是，這個巨大紅斑的上方覆蓋著一層密集的低溫大氣，其產(chǎn)生的額外密度將大紅斑里的氣體向下壓。同時，在大紅斑的下方必定鋪著一層浮動的高溫氣流，就是這層大氣阻止中心高壓將大紅斑里面的氣體向下壓到底部。這就是平衡。

所以我們既可以進行數(shù)值計算，也可以進行解析計算。可以設(shè)問：頂部需要多大的密度，底層需要多大的浮力，才能達到這種平衡？這些旋渦狀的風和動能有關(guān)，這個額外的潛在能量也關(guān)系到頂部密集的低溫氣流和底部浮動的高溫氣流。研究這個巨大紅斑的大部分同事都擔心這種動能，而我卻說“不會的，這種動能只占1 6 %”。這個巨大紅斑的大部分能量，包含在頂部高度密集的低溫大氣和底部浮動的高溫大氣擁有的潛在能量中。如果你徹夜無眠，擔心可能有什么會破壞這個巨大紅斑的話，就想想還有什么能夠破壞它的潛在能量。

為什么摩擦力至今沒有驅(qū)散紅斑？

馬庫斯： 直覺告訴我們，旋渦是不會永遠存在的，總會有些帶有摩擦力的東西將其驅(qū)散。摩擦的形式很多，因此人們認為消滅紅斑的一種非常有效的方法就是利用羅斯貝波產(chǎn)生的摩擦。羅斯貝波是大氣層中的一種波，它之所以存在是因為大氣層是一個快速旋轉(zhuǎn)的球狀外殼，而不是一個快速旋轉(zhuǎn)的水平面。這種波在氣流層中很常見，并且運動緩慢。人們認為這個大紅斑會發(fā)射羅斯貝波，而這些羅斯貝波是帶有能量的。當氣流層中出現(xiàn)糟糕的事情，比如兩個旋渦相撞之類的情況時，羅斯貝波就會發(fā)射出來。但是，一般來說，一個旋渦一旦形成就不再發(fā)射羅斯貝波。因此，沒有證據(jù)證明羅斯貝波的輻射會消滅這個大紅斑。實際上，這可以說是一種準平衡狀態(tài)。

還有什么可以阻止它？

馬庫斯：如果想弄清楚什么可能破壞這個大紅斑，使它最終消失，那么不僅要考慮是什么東西正在破壞這種動能，比如摩擦力，還要考慮是什么東西正在破壞這股潛在的能量。大家都知道，這股潛在能量受到破壞的一個原因被稱為“輻射平衡”。如果我讓地球大氣層的某個區(qū)域降溫，然后拿出秒表，說：“要使這塊低溫區(qū)域升溫，并且與周圍大氣的輻射達到平衡，需要多長時間呢？”或者，如果我讓某個地方出現(xiàn)一個高溫點，然后拿出秒表，說：“通過轉(zhuǎn)移光子和其他東西，使這個地方重新達到平衡，不再有任何表示這個高溫點的熱力信號，需要多長時間呢？”從其他科學家的計算結(jié)果中，我們知道在這個巨大紅斑所在的氣流層的位置上，高溫點或低溫點大約需要4. 5年才會消失。我們做過很多數(shù)值模擬，可以很確定地說，如果將這種升溫和降溫的影響作用到我們用計算機模擬出來的紅斑上，這個巨大紅斑會在4.5年后消失。

是什么使它繼續(xù)存在？

馬庫斯：大紅斑旋轉(zhuǎn)的平均速度是每小時幾百千米，噴射氣流也是以每小時幾百千米的速度運動。但據(jù)估計，垂直方向上的速度是非常非常微小的，每小時只有1 0厘米左右，正因為這樣，它們在很大程度上被認為是無關(guān)緊要的。但是，垂直方向上的風會經(jīng)過大片區(qū)域，并且不斷產(chǎn)生，因此，我認為這些風的作用可能非常重要。在我看來，能夠破壞這個巨大紅斑的，是從底部高溫氣流中涌出轉(zhuǎn)而進入頂部低溫氣流的熱力。這股熱力在嘗試著恢復輻射平衡。但是，盡管有這種輻射上的熱力轉(zhuǎn)移，使大紅斑繼續(xù)存在的卻是垂直方向上的微小的速度。

據(jù)粗略估計，當風往下吹的時候，大氣會升溫，而風往上吹的時候，大氣就會降溫。內(nèi)部含有光子的大紅斑的熱力輻射，會試著將頂部和底部的溫度與周圍的溫度調(diào)至平衡，這往往會使頂部低溫密集的氣流升溫，熱力輻射最終會消失。如果這種情況得不到抑制，大紅斑也會隨之消亡。

但是，隨著頂部密集氣流開始消散，壓力平衡就會被破壞。沒有了壓力平衡，大紅斑中心的高壓就會推動氣體垂直向外運動，繼續(xù)向頂部提供低溫氣體，使頂部重新變成密集的低溫大氣。類似的情況也會發(fā)生在大紅斑的底部，使其底部同樣重新形成高溫氣流。

當向上運動的氣體穿過正在消散的頂部氣流、離開這個大紅斑時就不再上升，而是在水平方向上被往外推到一個和這個大紅斑差不多大的地方，然后就不再向外運動，而是下降。這股下降的氣體將大紅斑周圍氣流中的原子和分子向下推移，大大地減少了它們的潛在能量。這股氣體最終返回大紅斑中心，完成了循環(huán)。在返程途中，它吸收了大量由大紅斑周圍氣流釋放出來的潛在能量。

正是這些大量吸收的能量，填補了這個巨大紅斑在熱力輻射中失去的能量，使其達到平衡。在計算機模擬中，可以測量這個大紅斑吸收和釋放的所有能量的方向和大小，整體能量達到了完美的平衡。

有了氣體的這種循環(huán)，大紅斑周圍的氣流層具有的潛在能量就能被很好地釋放。但是沒關(guān)系，因為太陽會在木星周圍重新建立輻射平衡，再次為它提供能量。所以，最終阻止這個巨大紅斑消失的就是太陽?！费芯恳粋€遙遠星球的氣流層有什么意義？馬庫斯：如果我們不清楚木星是怎樣運行的，又怎能明白其他恒星周圍的“木星” 是如何運動的呢？在類太陽系里探索類木行星是當前的一個熱門話題，因為我們想知道太陽系之外是否還有其他星球上存在生命?？茖W研究就是這樣。

現(xiàn)在，我要發(fā)句牢騷：美國航空航天局是一個非常偉大的機構(gòu)，我很感激他們給我和我的同事提供資金。但是，他們在硬件上——將設(shè)備發(fā)送到太空——投入的資金，與他們在分析從這些設(shè)備上獲得的數(shù)據(jù)時投入的資金相比，是非常不平衡的?！奥眯姓摺碧? 1年前搜集到的數(shù)據(jù)至今仍有很多沒來得及分析，而且要籌到足夠的資金來檢驗這些數(shù)據(jù)是非常非常困難的。人們會說：“不用了，你們一定要根據(jù)新的數(shù)據(jù)，做一些新鮮刺激的事情，不用想著回頭去看那些太久以前的數(shù)據(jù)?！钡?，這些舊的數(shù)據(jù)中確實有一些有價值的信息，美國航空航天局真正需要的——也是我不愿意說的——是另一個卡爾·薩根?？栍斜臼伦屓?/p>

們?nèi)バ蕾p我們發(fā)現(xiàn)的東西，去欣賞那些讓發(fā)現(xiàn)成為可能的機器。