中國有句古話：耳聽為虛，眼見為實。意思是：聽到的不足信，親眼看到的才真實可靠。這句話用于日常生活中人對外界信息的感知，沒有問題，但是用在科學(xué)領(lǐng)域，則不能成立。本文即便屬科普性質(zhì)，也有一些量子物理、相對論、電磁學(xué)、天體物理、電子技術(shù)、通訊技術(shù)、測試技術(shù)的專業(yè)術(shù)語，因此重點和通俗解釋部分已經(jīng)涂黑，以方便大家理解。
我們是通過雙眼看世界的，其范圍很廣，涵蓋了生活中的一切事物，包括人、日常生活品、建筑、高山、大?！〉揭活w針、頭發(fā)絲，大到太陽、銀河，都是我們?nèi)庋劭梢姷摹?/p>
提一個問題，我們?yōu)槭裁茨芸匆娡獠课矬w？很多人都會說，那是因為光線在物體上的反射和折射，光線中的光子進入了我們的眼睛，刺激了視覺神經(jīng)并經(jīng)過大腦處理后，在我們的腦中成像。人眼類似于5.76億像素的超級照相機，其水平大于視角120°，垂直視角大于60°。
光學(xué)顯微鏡能將物像放大1000倍
其實人眼可以看見物體的范圍是非常有限的，比如原子的直徑大小約為10^?10米，人眼所能看到的最小尺寸大約是頭發(fā)絲粗細，一般在0.1毫米左右?？墒亲詈玫墓鈱W(xué)顯微鏡放大倍數(shù)也只有1000倍，怎么才能看到原子在材料中的分布和排列的呢？科學(xué)家就發(fā)明了用于觀察和定位原子的掃描隧道顯微鏡（STM），其工作原理是基于量子隧穿原理，放大倍數(shù)約3億倍。通過掃描隧道顯微鏡，人類可以觀察到原子。
掃描隧道顯微鏡原理，黃色的為探針，紫色的為被檢測的原子
而原子以下的質(zhì)子、中子、電子、質(zhì)子中子內(nèi)部的夸克，我們目前還不能通過顯微鏡直接觀察到，其檢測原理如下：
1- 質(zhì)子和中子是原子核的組成部分，它們本身是微觀粒子，無法直接被肉眼觀察到。然而，科學(xué)家通過使用高能粒子加速器和探測器等設(shè)備，可以間接地觀察到它們的存在。通過粒子加速器，可以將高能粒子轟擊物質(zhì)，然后通過探測器來測量產(chǎn)生的粒子軌跡和能量沉積，從而推斷出質(zhì)子和中子的存在。此外，還可以使用中子和質(zhì)子散射實驗來研究它們的性質(zhì)。總之，質(zhì)子和中子是通過間接的實驗手段來觀察和研究的。這種檢測方法可以打個比方：我們眼睛看不見遠方海中某處的很小區(qū)域的海水，但是可以通過該區(qū)域的海水激起的浪花來判定它的存在。
大型粒子加速器和對撞機，可用于檢測亞原子結(jié)構(gòu)下的微觀粒子
2-夸克的觀測是通過高能物理實驗設(shè)備進行的。科學(xué)家使用加速器將粒子加速到非常高的能量，然后讓它們相互碰撞，以觀察碰撞產(chǎn)生的粒子。通過分析碰撞產(chǎn)生的粒子軌跡、能量、動量等信息，科學(xué)家可以推斷出參與碰撞的粒子的性質(zhì)和特征，包括夸克的存在。由于夸克帶有強子相互作用的特性，它們不能被直接觀測到，因為它們會很快與其他粒子結(jié)合在一起形成穩(wěn)定的粒子，例如質(zhì)子或中子。因此，科學(xué)家通過間接的方式來推斷夸克的存在，通過觀察粒子碰撞產(chǎn)生的各種特征來解析夸克的性質(zhì)。
威爾遜云室，可檢測電子運動的軌跡
3-電子的發(fā)現(xiàn)比較早，1897年湯姆遜在實驗中使用了一種新的技術(shù)，稱為“威爾遜云室”。這種設(shè)備可以讓陰極射線通過一個充滿氣體的空間，從而觀察到它們的軌跡。他設(shè)計了一套設(shè)備，使水蒸氣冷凝來形成云霧，用X射線照射云室時，云霧立即出現(xiàn)，這證明凝聚現(xiàn)象是以離子為中心出現(xiàn)的。1912年，威爾遜為云室增設(shè)了拍攝帶電粒子徑跡的照相設(shè)備，使它成為研究射線的重要儀器，用這個云室拍攝了α粒子（即電子流）的圖像。這種方法可以打個比方：因為太小太遙遠的原因，我們看不見天上的飛鳥，但是通過高速攝像機長時間曝光，可以看見鳥飛過的軌跡，來確認鳥的存在；換句話說，就是我們看不見點，但是把點連成線我們就能觀察到了。
光電倍增管原理圖，用于間接檢測光子
4-至于光子的檢測可以使用靈敏的光電倍增管，可檢測到單個光子。根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)，一個光子可以打出一個電子，這個電子在加速電場的加速下碰撞沿途碰到的氣體原子，可以打出更多的電子，這些電子形成電流，再經(jīng)放大電路放大就可以探測到代表光子的足夠大的電流了。這種方法可以打個不太恰當?shù)谋确剑耗愕袅艘活w針在地上找不到了，你可以用磁鐵和針的電磁力作用原理，將地上的針吸上來。
以上只舉了幾種例子來描述檢測不可見的微觀粒子，其實多數(shù)粒子的檢測原理都是類似的，都是通過以上間接的方法得到粒子的特性。
傳統(tǒng)的光學(xué)望遠鏡，能將圖像放大200倍
不僅人眼可見物體的范圍十分有限，而且人眼的感光有一定范圍。在銀河系有恒星2000-4000億顆，人的肉眼只能看到6000多顆。人類肉眼看到的星空絕大多數(shù)都是恒星，可觀測到的最遠恒星是海山二，距離我們7500光年。即使依靠傳統(tǒng)的光學(xué)天文望遠鏡，放大倍數(shù)也只能達到200倍，而且放大倍數(shù)越大，觀察視野越小。
哈勃望遠鏡是光學(xué)望遠鏡，在大氣層上方工作
著名的哈勃望遠鏡口徑為2.4米，長度約16米，哈勃望遠鏡放大倍數(shù)1300倍，能看到93億光年之外的恒星。它帶有多種觀測暗弱天體的儀器，在地面之上約640公里的軌道上環(huán)繞地球，由于它位于大氣層之上，不像地面望遠鏡飽受大氣湍流擾動的影響。但是，更遠的天體和物質(zhì)我們怎么觀測？后面我們將介紹射電望遠鏡。
我們的眼睛因為受到生理結(jié)構(gòu)的限制，還有很多看不見的事物，即使借助光學(xué)望遠鏡和顯微鏡，我們依然不能觀察到。例如，我們常常說的“光”就是可見光，其實是一種電磁波，電磁波包括無線電波、兆赫輻射、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和γ射線，頻率從3k~3E18Hz。而人類的眼睛可以感知的電磁波的頻率僅僅在395~750THz之間，波長在760～400nm之間。
可見光是電磁波的一種，但是多數(shù)電磁波我們看不見
由此可見，我們的眼睛可以感知的光線只占全部光線（或稱電磁波）的很小一部分。根據(jù)量子力學(xué)普朗克公式E=hv，E為波動能量，h為普朗克常數(shù)，v為波動頻率，電磁波的頻率越高則能量越大。比如我們熟悉的無線電波就是以kHz為單位，頻率低而波長長，傳播距離很長，能量小穿透力弱；X和γ射線就是以E18Hz為單位，頻率高而波長短，傳播距離短，能量高而穿透力強，X射線可以穿透人體用作醫(yī)學(xué)檢查人體器官，γ射線可用于醫(yī)學(xué)手術(shù)切割病變部位。
那么人眼不能看見的電磁波和其它射線波怎么檢測到呢？大致分以下三種方法：
1-信號較強的電磁波檢測，我們用的電磁輻射檢測儀、頻譜分析儀等儀器。簡單的說就是場效應(yīng)管與電感線圈連接的電路感應(yīng)電磁波后，生成模擬量電壓或電流信號，經(jīng)電路濾波放大后再通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再通過處理器處理信號，在示波器上變化成波形從而被我們觀察。
簡易的電磁波檢測原理圖
舉個例子，我們倆手機通話，首先我的手機將語音轉(zhuǎn)化為電磁波發(fā)射出去，基站接收到手機發(fā)出的電磁波后會將電磁波轉(zhuǎn)換為高頻光脈沖，而這些光脈沖會傳輸?shù)叫盘査撞康幕臼瞻l(fā)臺。在經(jīng)過基站收發(fā)臺處理后，便會將這些信號發(fā)送到你所在區(qū)域的基站中進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)碼處理。處理完后便會再次以電磁波的形式輸?shù)侥闩笥训氖謾C里。
上述專業(yè)術(shù)語較多可能難于理解，簡單的說就是我們的手機就是電磁波發(fā)射和接收裝置，經(jīng)過中間的基站處理就能通訊。
2-信號較弱的電磁波我們怎樣才能檢測到呢？比如來自宇宙中大約89%的宇宙射線是單純的質(zhì)子，10%是氦原子核（即α粒子），還有1%是重元素。這些原子核構(gòu)成宇宙射線的99%。孤獨的電子（像是β粒子，雖然來源仍不清楚），構(gòu)成其余1%的絕大部分；γ射線和超高能中微子只占極小的一部分。這些射到達地球時信號已經(jīng)十分微弱，因此我們必須使用射電望遠鏡來收集信號。
射電望遠鏡，中間焦點上突出的就是信號接收器
經(jīng)典射電望遠鏡的基本原理是和光學(xué)反射望遠鏡相似，投射來的電磁波被一精確鏡面反射后，同相到達公共焦點。用旋轉(zhuǎn)拋物面作鏡面易于實現(xiàn)同相聚焦，因此，射電望遠鏡天線大多是拋物面。射電望遠鏡表面和一理想拋物面的均方誤差率不大于λ/16～λ/10，該望遠鏡一般就能在波長大于λ的射電波段上有效地工作。對米波或長分米波觀測，可以用金屬網(wǎng)作鏡面；而對厘米波和毫米波觀測，則需用光滑精確的金屬板（或鍍膜）作鏡面。從天體投射來并匯集到望遠鏡焦點的射電波，必須達到一定的功率電平，才能被接收機檢測到。檢測技術(shù)水平要求最弱的電平應(yīng)達10 -20瓦。射頻信號的功率首先在焦點處放大10～1000倍﹐并變換成較低頻率（中頻），然后用電纜將其傳送至控制室，在那里再進一步放大﹑檢波，最后以適于特定研究的方式進行記錄、處理和顯示。
中國天眼，世界上最大的射電望遠鏡
筆者旅游時有幸親眼見識過“中國天眼”，也稱為FAST，500米口徑球面射電望遠鏡，位于貴州省黔南自治州境內(nèi)。反射面相當于30個足球場的射電望遠鏡，靈敏度達到阿雷西博望遠鏡（世界第二大射電望遠鏡）的2.5倍以上，通過促動器和索網(wǎng)的主動控制在觀測方向形成300米口徑瞬時拋物面以匯聚電磁波，反射面總面積為25萬平方米。FAST的反射面由4450面平均邊長11米的三角形（邊緣部分為矩形）鋁合金面板組成，每個面板又由100個小三角形面板拼接而成，通過2250根下拉索和2250個促動器實現(xiàn)面板的指向和主動變形，可以在觀測方向上形成瞬時的拋物面匯聚電磁波，通過面板改正球差，實現(xiàn)望遠鏡的寬頻帶和全偏振功能。截至2023年，“中國天眼”FAST已發(fā)現(xiàn)800余顆新脈沖星。
上述相對專業(yè)的描述可能讓大家不太好理解，翻譯成最通俗的語言，F(xiàn)AST的球面反射單元就像凹面鏡反射光線一樣，將收集到的宇宙電磁波聚焦到中間一點，信號變強，并由接收器處理信號傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，進而分析電磁波信號。
3-引力波的頻率范圍非常寬廣，可以從極低頻帶延伸到高頻區(qū)域。根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)，如LIGO探測器，我們可以探測到的引力波頻率通常在10~10000赫茲之間，這被歸類為高頻引力波。然而，引力波的頻率還可以更低，理論上可以達到0.01~1.0赫茲的低頻區(qū)域。此外，還有研究指出引力波的頻率可能高達10^23赫茲，這是對引力本身作為能量波的一種理論推斷。
LIGO引力波探測器原理圖
比如著名的LIGO引力波探測器，有一臺雙臂長度為4千米的探測器，使用的干涉儀是邁克耳遜干涉儀，其應(yīng)用激光光束來測量兩條相互垂直的干涉臂的長度差變化。在通常情況下，不同長度的干涉臂會對同樣的引力波產(chǎn)生不同的響應(yīng)，因此干涉儀很適于探測引力波。在每一種干涉儀里，通過激光光束來量度引力波所導(dǎo)致的變化，可以用數(shù)學(xué)公式來描述；換句話說，假設(shè)從激光器發(fā)射出的光束，在傳播距離L之后，被反射鏡反射回原點，其來回過程中若受到引力波影響，則行程所用時間將發(fā)生改變，這種時間變化可以用數(shù)學(xué)公式來坐定量描述。2016年，LIGO科學(xué)團隊與VIRGO團隊共同宣布，在2015年9月14日測量到在距離地球13億光年處的兩個黑洞合并所發(fā)射出的引力波信號。之后，又陸續(xù)探測到多次引力波事件。
美國LIGO引力波探測器實拍全景圖
LIGO引力波探測器的原理簡單說就是，探測器（比如射電望遠鏡）獲得了極其微弱的引力波信號，將該信號沿著兩條相互垂直的干涉臂傳播，而激光信號在干涉臂的反射鏡中折返跑，從被引力波信號衰減了的激光信號就可以反推出引力波信號。
以上只是列舉了三種電磁波和射線的檢測方式，其實具體的方法還有很多，但是原理大同小異。比如2019年天文學(xué)家首次拍攝到了超大質(zhì)量黑洞的影像，這個黑洞被稱為M87。它的質(zhì)量是太陽的640億倍，離我們地球5300萬光年。為了拍攝到M87的影像，天文學(xué)家們運用了視界望遠鏡EHT和全球8個望遠鏡進行聯(lián)合觀測。上圖這個成像技術(shù)是基于射電干涉法，通過同時觀測多個望遠鏡的數(shù)據(jù)，將各自的觀測結(jié)果合并，并使用計算機模擬技術(shù)，從而繪制出黑洞的影像。這種觀測原理，最簡單的說就是：因為黑洞不發(fā)光，我們不能直接觀測到黑洞，但是可以根據(jù)黑洞發(fā)射的X射線間接觀察到它。
黑洞圖像是多個射電望遠鏡捕捉黑洞發(fā)出的X射線后，在計算機上合成的。中間的是黑洞，周圍紅色是X射線
從微觀到宏觀，只要是人眼能直接觀察的，或者借助光學(xué)顯微鏡、光學(xué)望遠鏡能通過人眼觀察到的，可以說是“眼見為實”。而像原子核內(nèi)部、大多數(shù)電磁波、宇宙射線、黑洞等物質(zhì)，都是通過電子設(shè)備和計算機技術(shù)間接“觀察”到的，在當前技術(shù)下是人眼不能直接可見的。
那么今后是否可以實現(xiàn)人眼不借助各種設(shè)備而直接看見一切微觀和宏觀物質(zhì)呢？先看一下人類文明階段的描述再做定論。
卡爾達肖夫指數(shù)將宇宙文明等級劃分為三個層次，從低到高為：
一級文明：也被稱為初級文明，能夠收集并利用自身能夠到達的所有行星上的能源，如太陽能、風能、水能等，還可以控制行星上的地震、火山噴發(fā)等。
二級文明：能夠隨意離開自己的母星，建立類似戴森球的裝置來收集恒星散發(fā)出來的能量，徹底解決能源危機，并利用無限能源進行恒星系間的探索。
三級文明，人類可以脫離引力的控制，隨意在星際中超光速旅行
三級文明：能夠使用自身所在星系的全部能量，星際旅行將成為簡單而輕松的旅程行為。
除此之外，還有四級河系文明、五級維度文明、六級宇宙文明和七級創(chuàng)世文明。那么地球上的我們目前處于什么等級，很遺憾，只有0.73級，還未達到一級。
我們想直接窺探到一切微觀和宏觀的物質(zhì)，至少要達到三級文明的水平，三級文明不僅意味著我們可以超越光速自由在星際之間旅行，同時代表著我們已經(jīng)破譯了光子的終極秘密。
展望一下三級文明下，將會發(fā)生的事：
1-我們可以利用銀河系中心的太初黑洞，這種大質(zhì)量的黑洞將是三級文明主要的能量來源。我們還會掌握反重力推進器、量子推進器、星際沖壓發(fā)動機等技術(shù)，還掌握了空間跳躍技術(shù)，可以在短時間內(nèi)到達本星系的任何一個位置。
2-在這個階段，文明可能會因為爭奪宇宙資源而發(fā)生星際戰(zhàn)爭。為了應(yīng)對這種情況，三級文明可能會加入星際聯(lián)盟，與其他文明抱團取暖并學(xué)習對方的科技。
3-人類早已破解了量子和DNA的全部秘密，三級文明的生命形態(tài)已經(jīng)徹底脫離了肉體凡胎，可能是純能量體、虛擬代碼、機械身體或記憶轉(zhuǎn)移等形式存在。
未來的人類是這樣的嗎？是人還是機器？
人類多久能達到三級文明呢？最樂觀的估計需要一百年，最悲觀的預(yù)計要十萬年。但是我們還是有必要保持信心，因為過去幾百年我們的科技一直是以加速度在進步的。如果到達三級文明階段，人類就可以用眼睛看到你想看的全部世界了，只是那時人類可能是生命體與高級智能AI的結(jié)合體——“數(shù)字”人。
熱門跟貼