宇宙物理学中的星际气体模拟 人工效应

人工效应

2004年5月10日

什么是人工效应？根据《拉鲁斯词典》的解释，人工效应是指在实验或观测过程中偶然或人为产生的结构。可以说，计算机上的数值模拟作为一种“计算实验”，必须持续警惕人工效应的出现。当我们试图“模拟”某个现象时，实际上是在用“另一种系统”来重现该现象，这种系统是模拟的、类比的。空气动力学家就面临类似的问题。稠密或高温的气体与稀薄或低温的气体行为并不相同。在流体力学中，这些现象虽未被完全研究透彻，但已根据相似性准则（如雷诺数）尽可能精确地进行了研究。然而，尽管经过数十年的实验，飞机制造商仍时常遭遇意外。例如，当建造大型军用运输机“洛克希德银河”时，人们发现该飞机对一种气动弹性现象极为敏感：它开始……颤动翅膀，而风洞试验和数值模拟均未能揭示这一现象。这种振荡可能带来灾难性后果。事实上，飞机结构的老化主要与材料的“疲劳”现象有关。与其修改机翼结构，工程师们最终选择安装一个反馈系统，通过副翼来抑制这种“颤振”运动。美国航天飞机也面临类似问题，且问题尤为严重。设计者必须确保航天飞机在穿越从极稀薄到极稠密的各层大气时都具备良好的飞行性能。在这种条件下，“推力中心”会发生移动。在首次飞行时，险些酿成灾难。航天飞机接收到被认为标准的载荷后，突然变得难以控制，飞行员不得不将操纵杆压到腹部。飞机几乎翻转过来，导致上部的隔热瓦严重受损——这些瓦片原本根本无法承受如此高温。航天飞机最终才勉强恢复了正常飞行姿态。美国宇航局（NASA）采取了什么措施？与其重新设计飞机，不如将所有载荷都移至后部。如果您观察卫星和载荷的固定位置，会发现它们总是放在后部。这一事实鲜为人知，NASA自然也不会为此炫耀。我是从一名试飞员那里得知的。

在天体物理学中，我们无法将屏幕上显示的系统演化与直接观测进行对比。从天文角度来看，我们始终处于“定格画面”状态。因此，这个问题本质上极为棘手。此外，我们无法测量所有内容。在气体动理论部分，我们曾讨论过“速度空间”中的介质结构。我们还指出，我们只能在太阳附近获取这类信息，且在可预见的未来，这种情况不会改变。

随着时间推移，测量精度将显著提高，误差范围将不断缩小。但以螺旋星系为例，我们所说的“速度曲线”究竟是什么意思？

我们通过多普勒效应测量速度的径向分量。然后，假设星系几乎是平面的，且气体质量的运动几乎是圆形的，我们推导出在由恒星（至少长期以来人们如此假设）主导的90%引力场中，气体轨道速度的曲线。为什么假设气体质量的轨迹几乎是圆形的？因为它们之间的速度差异（相当于热运动速度）很小，仅约1公里/秒，与旋转速度相比微不足道。天文学家总是将剩余速度称为“残余速度”，即在减去平均运动（相当于宏观运动）后剩下的速度。

稍作离题：星际气体由什么构成？这是一个极其复杂的介质，其中包含质量通常达十万倍太阳质量的“云团”，以及一系列质量更小的云团。因此，它是一种“多种组分的混合物”，正如气体动理论所定义的那样。但问题的复杂性在于，这些气体质量并不稳定。它们会形成年轻的恒星，这些恒星会释放出大量紫外线，加热周围的气体。更剧烈的是超新星爆发，其影响范围可达上百光年，相当于气体薄层的厚度。我们估计大质量恒星的爆发频率为每世纪一次。这个频率在星系自转周期（我们的星系约需一亿年完成一次自转）尺度上极为迅速。这意味着每自转一次，就会发生一百万次超新星爆发！这些超新星极大地改变了星际气体的局部结构。在我的博士论文（1972年）中，我曾将星际气体比作一个被塞满羽毛的被子，其中不断爆炸着小型烟花，以极快的频率持续制造混乱，并维持气体的高能状态。

如何建模和模拟这一切？不仅在瞬时视图中，星际气体看起来像一个由质量分布极广的云团组成的混合体，而且这些云团本身并不持久。它们会消散、蒸发，然后在稍远处重新形成，其形成速率我们尚无法精确评估，因为我们寿命太短。我们就像寿命仅几毫秒的昆虫，凝视着积云，试图理解气象机制。将星际云与天空中的云相比，其实并不算太差。

目前，我们最多只能处理数千个点。也许在不久的将来会更多。但我们能否处理足够多的质点，以模拟恒星形成和星际气体加热过程？这仍然极具挑战性。我们必须保持谦逊，这将迫使我们始终采用一定程度的简化，无论这种简化是否合理。人们常说“观其果而知其树”。我们只能做到这一点。机器本身毫无意义，除非我们拥有对机制的“洞察”，一种直觉。而这种直觉，正是新一代天体物理学家所缺乏的。在《天空与空间》杂志的一份报告中，模拟领域的领军人物坦言：“我们拥有仪器，但没有‘方程’。”通过这句话，他们承认自己对事物毫无洞察，没有指导性观念，也没有真正可检验的想法，只有强大的计算能力，却不知如何有效使用。

模拟工作的基础必须有可检验的想法。这实际上是人与机器之间一场真正有趣的对话。例如，看看弗雷德里克·鲍德蒙特当前工作的成果：

画面很美，很震撼，但具有意义吗？我们只能说，这令人鼓舞，非常鼓舞人心，就像我在1992年与另一位弗雷德里克所做的模拟一样。这些模拟是二维的，而非三维的。这是一个“平面气体”。我们或许可以期望，当给其组分增加第三个自由度（即z方向）时，“星系流体”会表现出类似的行为。我们只能寄希望于此，但无法在验证前确定。此外，当前模拟中螺旋结构仅由单一质量相同的粒子群构成。但真实星系应至少由两组子群体构成（分别代表气体和恒星）。鲍德蒙特可以用两组各五千个点来实现，我将向他解释具体方法。

我们看到了美丽的螺旋带。在真实星系中，螺旋结构主要影响气体质量，其表现形式极为非线性。这并非微小扰动，远非如此。旋臂与旋臂间空间的密度对比可达5倍。这里指的是气体物质的密度。恒星气体也受到这种螺旋扰动，但程度较弱。实际情况如何？是星系介质中的扰动引发气体中强烈的非线性放大，还是相反？我们尚不清楚。我们只能做出假设。我个人认为，如果人为地强制星系介质保持轴对称配置，那么气体将产生螺旋或环状扰动，甚至更复杂的结构。但必须通过实证加以确认。顺便提一句，照片中螺旋结构清晰可见，原因何在？因为它们是年轻恒星的诞生地，这些恒星发出紫外线，激发气体并产生荧光。为什么这些恒星只激发螺旋结构中的气体？答案很有趣：这些恒星以每秒几公里的速度迁移，因此逐渐脱离该结构。但在离开前，它们已经老化，不再属于年轻恒星，也不再发射紫外线。

我们意识到，这里蕴含着大量博士论文的潜力。遗憾的是，在我作为研究者的生涯中，未能指导更多研究。但事已至此，现在也已太晚。我已退休。学术界的动机往往与科学兴趣相去甚远。我仅指导过一名博士生。在他的研究中，我取得了前所未有的科学成果。我从不热衷于追随他人脚步。走别人走过的路令我厌烦。我们是从零开始创造科学，即通过拉普拉斯力场模拟冲击波的湮灭。我们发表在同行评审期刊上，参加学术会议，最终推动了一个极具吸引力的研究项目，旨在通过相对低廉的成本验证这些计算结果。但这些工作遭遇了猛烈的攻击。因为“无声飞行”让人联想到许多目击者看到的某些物体行为。人们不愿“揭开谜底”，正如英语中所说。我至今仍记得二十多年前，当时我认识的年轻学生伯纳德·方坦，后来成为法国国家科学研究中心（CNRS）“工程师物理”部门的主任，对我说：“既然他跟你一起工作，他根本不可能继续从事研究，也不可能获得任何实验室职位。”

五年的努力与训练，换来的竟是这样的惩罚。

请记住一点：这一“孪生宇宙”概念，真正意味着范式转变，其背后所隐藏的远不止是解释一系列宇宙现象那么简单。这或许正是天体物理学家为何对这一“蜂窝”如此抗拒的原因。

本专题的主题是人工效应。我将给出一个例子。当我们于20世纪90年代初进行模拟实验时，立即面临“边界条件”问题。在我们的“计算空间”中，无穷大并不存在。但我们希望研究二维星系与一个