即將進(jìn)入高峰擁堵路段
撰文 | 犀牛
最近各地陸續(xù)復(fù)工，馬路上也恢復(fù)了往日的繁忙，而今天上午的北京已重現(xiàn)早高峰擁堵：
@新京報(bào)
親切又無(wú)奈的堵車(chē)，又回來(lái)了。不過(guò)最氣人的是，有時(shí)路上并沒(méi)有發(fā)生事故，也會(huì)莫名其妙的堵車(chē)，這就是傳說(shuō)中的“幽靈堵車(chē)”。堵車(chē)的源頭就像看不見(jiàn)的幽靈一樣讓人們捉摸不透。
正如魔鬼藏在細(xì)節(jié)中，堵車(chē)的幽靈也藏在細(xì)節(jié)之中。當(dāng)路上的車(chē)輛趨近飽和時(shí)，司機(jī)一個(gè)小小的動(dòng)作可能就埋下了隱患，比如剎車(chē)稍微有點(diǎn)急，或者與前車(chē)車(chē)距有點(diǎn)近，等等；即使這些都沒(méi)有，幽靈堵車(chē)還是有可能發(fā)生。
因?yàn)樗緳C(jī)都是人，前后車(chē)的速度總會(huì)有微小的差別，這些差別在車(chē)流的傳遞中不斷積累放大，導(dǎo)致某一處的車(chē)輛密度越來(lái)越大，最終形成擁堵。而擁堵的位置像波一樣在車(chē)流中傳遞，正如下圖模擬的情形。
幽靈堵車(chē)模擬動(dòng)畫(huà) | Benjamin Seibold
像這樣“堵車(chē)波”的速度一般比車(chē)速要慢，所以車(chē)輛總會(huì)擺脫擁擠的區(qū)域。
而我們的太陽(yáng)也身陷銀河系的“堵車(chē)波”中，卻沒(méi)能擺脫那片星海的擁堵路段。這片擁堵區(qū)域，有另外一個(gè)大家相對(duì)熟悉的名字——銀河系旋臂。
太陽(yáng)系在銀河系中的位置
銀河系中那一條條耀眼的光弧，就是它的旋臂。銀河系共有4條主要旋臂，太陽(yáng)系在靠近銀河系邊緣的一條小旋臂內(nèi)。
我們?cè)疽詾樾窍敌鄣臉幼?| Wiki
這些盤(pán)狀星系為何大多都有旋臂這樣的結(jié)構(gòu)？1960年以前，科學(xué)家一直沒(méi)搞清楚這個(gè)問(wèn)題的答案。根據(jù)當(dāng)時(shí)的天文觀測(cè)，靠近銀河系中心的恒星繞銀心一周所用的時(shí)間，比靠近邊緣的恒星更短，那就意味著，隨著恒星的移動(dòng)，旋臂的形態(tài)不能穩(wěn)定存在。
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依照觀測(cè)結(jié)果，旋臂不能穩(wěn)定存在 | Wiki
在當(dāng)時(shí)著名天體物理學(xué)家本特?斯特龍根（Bengt Stromgren）組織的會(huì)議中，科學(xué)家再次討論了這個(gè)疑問(wèn)。而在場(chǎng)的一位著名應(yīng)用數(shù)學(xué)家被這個(gè)問(wèn)題吸引，并在會(huì)后決定，將研究重心轉(zhuǎn)向這一問(wèn)題。這位就是著名的華人科學(xué)家林家翹。
林家翹從小學(xué)習(xí)優(yōu)異，一路走來(lái)身邊都是大師，清華時(shí)物理老師是周培源，在加州理工攻讀博士時(shí)師從空氣動(dòng)力學(xué)家馮?卡門(mén)，此外林家翹還和馮?諾依曼合作過(guò)……當(dāng)然，當(dāng)他決定轉(zhuǎn)向研究天體物理方向時(shí)，他也已經(jīng)是應(yīng)用數(shù)學(xué)的大師了。
徐遐生與林家兩家 | Notices of the ICCM
他受前人的啟發(fā)，認(rèn)為旋臂并不是固定恒星組成的結(jié)構(gòu)，而是一組波。他很快組建了團(tuán)隊(duì)著手研究工作，在1962年又吸納了一位19歲的麻省理工學(xué)院本科生從事研究工作，因?yàn)樗膬?yōu)異表現(xiàn)，林家翹開(kāi)始指導(dǎo)這位本科生進(jìn)行旋臂形成的研究。這位本科生就是后來(lái)著名天體物理學(xué)家徐遐生。
在1964年，他們就發(fā)表了密度波理論的論文，用以解釋漩渦星系旋臂的形成。圍繞銀河系轉(zhuǎn)動(dòng)的恒星的軌道大多都是橢圓形的，而各個(gè)軌道的方向并不是相同的，當(dāng)軌道方向發(fā)生一定變化，如下圖中所示，就形成了螺旋臂的效果。
Wiki
正如前面所述，組成旋臂的恒星并不是固定的，是有出有進(jìn)的。當(dāng)恒星走進(jìn)旋臂區(qū)域時(shí)，因?yàn)檫@里恒星密集、引力加強(qiáng)，進(jìn)來(lái)的恒星速度會(huì)減慢，就像在路上開(kāi)車(chē)被別車(chē)，司機(jī)不得不減速一樣；當(dāng)恒星走出旋臂區(qū)域時(shí)，速度就會(huì)加快。雖然恒星在旋臂區(qū)域進(jìn)進(jìn)出出，但星系整體一直維持著旋臂的圖案。
密度波理論解釋的旋臂狀態(tài) | Wiki
是不是和幽靈堵車(chē)的波如出一轍？而且是串聯(lián)加強(qiáng)版的幽靈堵車(chē)。
盡管密度波理論在細(xì)節(jié)上仍然存在一定的不確定性，但已經(jīng)得到了很多觀測(cè)和模擬的支持。在形態(tài)類似的土星環(huán)中，卡西尼號(hào)探測(cè)器就拍到了密度波。
土星環(huán)中的密度波 | NASA
既然恒星會(huì)穿過(guò)旋臂，為什么唯獨(dú)太陽(yáng)走不出旋臂這個(gè)“擁堵帶”？
因?yàn)?strong>太陽(yáng)公轉(zhuǎn)軌道接近圓形，而且公轉(zhuǎn)速度和旋臂的速度一致，所以太陽(yáng)才沒(méi)有穿越旋臂、在旋臂間忽快忽慢得飛馳。要知道旋臂如此耀眼是因?yàn)槠鋬?nèi)部極其兇險(xiǎn)，聚集著大量的超新星以及能擾亂太陽(yáng)系的輻射等等。而且太陽(yáng)所在位置，和銀河系其他位置相比，也不算太擁擠，和周?chē)祗w的“車(chē)距”也較遠(yuǎn)。因而地球才能獲得相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境，從而誕生生命。
巧的是，麻省理工學(xué)院在2019年的一項(xiàng)研究表明，控制好前后車(chē)距，讓車(chē)盡可能保持在前后車(chē)的中間位置，能夠緩解幽靈堵車(chē)。所以，
距離，產(chǎn)生美。
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