思羽/編譯

太陽中的鐵——實驗物理學家詹姆斯·貝利訪談錄

思羽/編譯

詹姆斯·貝利，承蒙桑迪亞國家實驗室提供照片

雖然我們每天都能見到太陽，太陽仍舊是個神秘難解的地方。它的內部不透光線，遠方的儀器無法窺視內部，同時太陽太過炙熱，探測器無法幸存。對于太陽內部振蕩活動及其他性質的分析，給出了研究其內部構成的線索，但這些觀測結果一度與太陽模型并不一致。

為了查明真相，桑迪亞國家實驗室的一位實驗物理學家詹姆斯·貝利（James Bailey）與同事們一起找到了一種再現(xiàn)太陽內部深處情況的方法，盡管實驗為時很短，規(guī)模甚小，但意義重大。他們十年間所做的實驗表明，答案大概在鐵元素身上。鐵元素有著阻礙輻射從太陽內部傳播到外部的能力，它的不透光度比預計的更加高，在某種程度上糾正了理論與觀測結果。貝利與《美國科學家》副主編費內拉·桑德斯討論了他的團隊取得的成果及其意義。

這張?zhí)栐谝荒陜鹊臉O紫外輻射復合相片顯示出鐵離子在60萬開氏溫度下的放射情況。鐵是太陽的能量輻射中的關鍵元素（美國航空航天局供圖）

問：為何太陽理論與觀測結果在某個時間點不一致了？

答：在2000年前后，太陽物理學家都很欣喜，因為標準太陽模型做出的預測與基本上所有的觀測結果相互一致，準確程度還非常高。但是在那段時間里，有人用新的分析技術處理了太陽的光譜。他們最終判定，與先前揣想的情況相比，必須得要削減太陽內部某些元素的含量，而削減的量還非常大。

這個結論在天文學界引起了軒然大波，因為太陽一直被用作是許多天體物理學研究的天體的衡量準繩。因此當某人取得進展，說太陽內的氧元素比以前認為的要少上50%，這基本上意味著整個宇宙中許多其他天體的氧元素含量也要少上50%。

問：太陽的元素含量怎么就與它的能量有關了？

答：日核中通過核反應產(chǎn)生能量，接著那些能量必須傳播至外部。能量傳播所耗費的時間大約是一百萬年，這既是因為太陽龐大無朋，也是因為輻射必須先被吸收再放射，周而復始，如此既往，一直傳遞至太陽外部。這一過程影響了太陽的內部結構，也影響了溫度與密度的空間剖面。

問：元素的含量與不透光度之間有什么關系？

答：太陽內部控制輻射傳輸?shù)脑刈畛醪⑽赐耆x子化；它們仍然擁有一些束縛電子。鐵是不透光度的關鍵因素之一，氧元素是另一關鍵要素。當有研究人員說氧元素的含量必須降低，那么由氧元素貢獻的不透光度也會更低。鐵元素也是同樣的道理，但他們并未改變鐵元素的量。假如總的不透光度提高大約15%，以前觀測結果與理論預測的一致便能得以恢復。問題在于，不透光度都是建立在既有的理論模型上的，而那些理論模型從未在恒星內部存在的情況下測試過。那就是我們研究的突破口。

問：你是如何模擬太陽內部情況下的鐵元素的行為的？

答：我們的研究設施產(chǎn)生了只維持了數(shù)十億分子之一秒的龐大電能，數(shù)值上是整個地球發(fā)電量總值的許多倍。這是令人嘆為觀止的成就；我的研究樓在幾百碼之外，當機器啟動時，我能感覺到地面的晃動。我們能把材料加熱至太陽內部才存在的溫度與密度。關鍵的進展是我們能用一塊足夠大、能受到精確操控的樣本來做這一實驗，從而能非常準確地測量諸多材料性質，譬如不透光度。

問：這一“足夠大”的樣本是什么呢？

答：像是一粒沙礫。聽上去不是非常大，但在我們高能量密度物理學領域，我們和持續(xù)時間十分短、十分小的樣本打交道。我們的實驗只持續(xù)了大約三十億分之一秒，但對這個領域來說，那其實是相當久的實驗了。

問：你如何能判定鐵元素真正的、更高的不透光度？

答：基本上，我們測量的是X光通過一塊混有鎂的薄片鐵樣本時的傳輸情況。我們測量的鐵原子與太陽內部的鐵原子所處狀況相同。測量出的不透光度是波長的函數(shù)。我們發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)與模型之間有不小的矛盾。我們花費了過去的兩年時間核對結果，做了更多實驗，進行了更多分析，試圖找出任何有可能讓實驗結果產(chǎn)生偏差的問題。至今為止，我們仍未發(fā)現(xiàn)任何差錯。

問：這是不是你花費十年的工作來得出這一結論的原因？

答：合理地看待這件事的話，人們在過去的一百年里一直知道我們應該測量這些不透光度。只是，這是個極具挑戰(zhàn)性的難題。所以，我們花費了十年光陰在這上面，這點并沒讓我感覺十分糟糕。今時今日的許多物理學研究都是高風險的研究，要耗費十年乃至更久時間來找出科學探究將引領你獲知的真相。假如你打算做科學家，這就是人生必有的境遇；你必須得有恒心。

問：那么，你是否為自己獲得這么引人注目的結果而感到幸運？

答：假如實驗結果與模型一致，我一樣會開心。那樣仍然會是這些不透光度模型首次在太陽內部所存在的情況下得到確證。但另一方面，如今太陽物理學家將不得不繼續(xù)尋找我們對于太陽的理解中存在的其他錯漏。

問：因此，對于你獲得的結果，始終存在著某些爭議？

答：是的，肯定的。為什么鐵的不透光度應該與預測值不同？我們眼下對于這個問題尚未有理論上的詮釋。不透光度作為波長的函數(shù)，忽上忽下。我想，這會一直有所爭議，直到我們對此有了更透徹的理解為止。

[資料來源：American Scientist][責任編輯：彥隱]