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1、波粒二象性的非线性哲学解读窗帘为什么能挡住电磁波（光）？这是我拟在商与儒丛书系列出的第二本书非线性哲学简介中发表的文章，供有兴趣的朋友参考和批评。我在非线性哲学漫谈一书的“不确定性原理”的非线性哲学解读中，提出了我认为光具有波粒二象性的本质原因，在于电磁波（能量）与光子（粒子、物质）在运动中的不断转换。这篇文章将继续这个话题，进一步从非线性哲学的角度，来解读光的波粒二象性。朋友：我们读了你第一本书中那篇关于光的波粒二象性的文章后，非常震撼！这是个国际物理界争议了一百多年的话题，争议双方始终谁都没有说服谁，但是根据物理实验和实践的结果，最终双方都承认光确实具有波粒二象性，遗憾的是双方都不能说明，
2、光为什么会具有波粒二象性。你的理论不仅论证了光确实具有波粒二象性，还非常确定的指出光为什么具有波粒二象性、光在什么时候是波、什么时候是粒子、它们是如何转化的如果物理学家不能对你的理论证伪，那么下一年的诺贝尔物理奖非你莫属！商：哈哈哈，我对我是否能获得诺贝尔物理奖不感兴趣，但是我非常希望中国的物理学家们对我的理论感兴趣，然后由他们来研究和写出物理学论文，去争取诺贝尔奖，为中国争光。我感兴趣的是哲学研究，如果我的这个理论被证明是正确的，那就无疑从“精确学科”的角度，证明了我的哲学理论是正确的，这才是我最感欣慰的事！我今天想问你一个问题：我们都知道，窗帘是能够挡住光的，但是我们也都知道，光是电磁波，
3、那就是说，窗帘是能够挡住电磁波的。为什么窗帘能挡住光，但是窗帘挡不住同为电磁波的电视信号、广播信号、手机信号呢？连组成我们住房墙壁的钢筋水泥、窗玻璃、木制的门都挡不住这些电磁波呢？朋友：是啊？！我们从来没有想过这个问题！实际上连我们的眼皮都能挡住电磁波啊，如果我们再将两者结合，用一个黑布条蒙在我们的眼睛上，即使大白天在太阳底下，我们也看不见任何光了。可是我们很清楚，光的本质是电磁波，为什么布和眼皮都能挡住电磁波呢？太奇怪了！现有的电磁波传播理论和光的波粒二象性理论都无法解答这个问题，因为这些理论都只承认光具有波粒二象性这个事实，却都无法精确描述光的波和粒子是如何互相转换的，或者是如何同时存在的
4、。老兄能够解释这个问题吗？商：还用问吗？我会问你这个问题，我当然能解答，否则老弟会放过我吗？我在研究窗帘能挡住光的现象时，发现窗帘的遮光性能主要取决于窗帘的厚度、织物的密度一句话，主要取决于窗帘阻挡物质粒子的性能，这个事实似乎在告诉我们，光是一种粒子流，而不是电磁波。考虑到有些读者没有读过我的第一本书非线性哲学漫谈，下面，我先把我在这本书中关于光的波粒二象性的理论先简单的介绍一下：（上图是电磁波的传播示意图）请大家注意，这是“一个光子（一个单列的电磁波）”的传播示意图，实际上在真实世界传播的电磁波是由无数的光子（无数列电磁波）组成的。另外，电磁波可以在“真空中”传播，因为“真空中”存在着电场和
5、磁场，所以我们不要忘记，在这张图上，还“充满”着我们看不见的电场和磁场。为了讨论问题方便，我们假定在这个“真空”中除了电磁场，不存在其他带电或有磁性的粒子（物质）；我们也假定这个空间不是有限空间，在此不考虑电场与磁场的边界条件问题。如图所示，我们都知道，电磁波在传播的时候，磁波振动的方向、电波振动的方向、光线传播的方向三者是正交的，可以用我们熟悉的三维（X、Y、Z）坐标系来表示，假定我们设磁波所在平面为X平面，那么电波所在平面就是Y平面，而传播方向就是Z轴的一个指向。我们先从电磁波本身能量变化的角度来分析一下电磁波的传播过程：在电磁波的传播过程中，电波与磁波是同相位的，它们振幅的变化是同步的，
6、所以电波的振幅最小时，磁波的振幅也最小，电波的振幅达到最大值时，磁波的振幅也达到最大值，振幅是振动波能量大小的度量，因此电磁波在传播中，电波加磁波的总能量的变化，与波形的变化也是同步的，在离开Z轴瞬间电磁波的总能量最小，然后不断变大，在到达半波一半时电磁波的总能量最大，再慢慢变小。这就告诉我们，电磁波在传播过程中，与周边的电场和磁场是一直在做能量交换的，电场和磁场像个蓄能池，在吞吐着电磁波的能量。说到这里，我不得不出自内心的赞美一下两个人，一个是创造宇宙的“上帝”，因为上帝太英明、太伟大了！假定电场和磁场永远只与电磁波交换能量，光就不会具有“波粒二象性”，我们也永远不能领略如此奇妙的“波粒二象
7、性”，这个世界就太单调乏味了！另一个要赞美的是爱因斯坦，他居然看到和证明了物质与能量是可以互换的！我们现在来看看电磁波在Z轴上的情况：电磁波在Z轴上时，电波与磁波的振幅都是0，因此电磁波的电能、磁能、总能量都为0，此时此地，上帝居然让电磁波原来“储藏”在电场和磁场中的电能与磁能，同时瞬间转换成“光子（粒子、物质）”和该光子具有的动能（二分之一光子的质量乘以光速的平方）！于是，随着电磁波在Z轴上消失（电波和磁波的振幅都为零），我们却在Z轴上看到了“显示上帝光辉的光子”！该光子的运动速度是光速，每半个波动周期在Z轴上出现一次。其他任何离开Z轴的时点，以光速在Z轴上做直线运动的光子转换成电能和磁能，
8、显示的是光的波动性，是不可见的。这种高速的变换时刻在发生，没有静止状态。因此，当我们从“粒子”的角度看电磁波（光）的时候，在Z轴上频频出现的光子是确定的“粒子（物质）”，是可见的，但是光子的出现是不连续的，显现了量子的特征；当我们从“波”的角度看电磁波（光）的时候，磁波和电波是连续的，显现了光的波动性特征，但是波是看不见的。我认为这就是光呈现“波粒二象性”的本质原因，也是我们测不准光子的根本原因，也就是光子具有“不确定性”的根本原因。我们在做以上分析时，如果用线性的离散的整数维三维空间的线性思维模式去思考这个问题时，一定会产生一个难以解释的逻辑矛盾，那就是电磁波与Z轴的交点只是一个“点”，点是
9、0维的，没有长度、面积、和体积，而在Z轴上，光是以光子（粒子、物质）的形态出现的，粒子怎们可能没有体积呢？另外，由于“点”是没有长度的，因此光子在Z轴上就没有位移，即使光子有质量，没有位移又如何来动量呢？但是只要我们用非线性思维模式去思考这个问题，就能解释这个逻辑矛盾了，因为在Z轴上按特定规律不断出现的光子，具有内在的自相似性，是一种分形系统，因此光子不是0维的，而是分数维的，它的豪斯道夫维度大于拓扑维度，所以光子是有体积的、在Z轴上也是有位移的。我的这个理论精确的描述了光的波粒二象性是如何产生的，光的波形态和粒子形态是如何转换的，否定了光的粒子形态和波形态是同时存在的说法，肯定了光子是每隔半
10、个波长在电磁波的传播方向（Z轴）上精确的出现的。今天我们从哲学角度再来回顾和分析历史上发生的“粒子派”和“波动派”之间的争议，我们可以这么说，关于“波粒二象性”之争，标志着人类在面对物理实验揭示的事实面前，承认了光的波粒二象性，由此而进行的物理学上的思维，开始进入非线性阶段。历史上这两派的争议，深刻反映了这两派在“确定性”与“不确定性”、“连续”与“不连续”这些矛盾上的对立，但是更显现了这两派共同的线性思维模式光要么是“波”，要么是“粒子”，两者不能兼容。通过前面的分析我们很清楚，静态、割裂、线性的、把“粒子（物质）”与“波（能量）”对立起来看问题，“粒子”与“波”的特征同时存在于光这个事物上
11、，确实难以让人解释和接受；但是站在非线性思维的更高层面，动态的、系统整体性的来看“粒子（物质）”与“波（能量）”的对立统一问题，我们就明白，“波”与“粒子”，其实分别是电磁波的能量运动的表现形式和物质运动的表现形式，是一个不断处于动态变换的统一体（电磁波）的两种不同的存在形式。正是由于电磁波在传播（运动）中，一直处在物质与能量的不断转换中，因此使得系统整体动态的显现出“波粒二象性”。用线性思维模式去看“波粒二象性”，由于光子是可见的，波是看不见摸不着的，人们就很容易得出世界是不连续的、是量子化的结论。实际上真实世界是连续的，不连续的是系统的存在形式，连续的是系统的存在内容（本质）。我这个对波粒
12、二象性的解释，与现有的一切有关光的实验结果都不矛盾，但是可以解释原来的理论不能解释的很多现象，包括窗帘和眼皮可以挡住电磁波的现象。由于可见光的波长在400-800纳米之间，所以每两次光子出现的间隔在200-400纳米（半个波长）之间。窗帘或眼皮的厚度远远大于这个尺度，所以在这个尺度内，任何可见光中的光子都会出现很多次，与组成窗帘和眼皮的物质发生很多次碰撞。这些光子撞到组成窗帘或眼皮的物质上后，不是变成热能被吸收，再也变不回电波或磁波了，就是在多次碰撞以后，极大的降低了频率，变成了我们肉眼无法看到的其它频段的电磁波。其中也有部分没有被完全吸收的光子，由于与组成窗帘或眼皮的物质粒子发生粒子间的碰撞
13、后，动量（能量）损失很大，使得该光子的速度远远小于光速，在光子离开Z轴消失后，因光子具有的动能在碰撞中损失太大，因而最终只能转换成有限的电能或磁能，弥散于无处不在的电场和磁场中了（熵增原理）。而其他无线电波由于频率低，波长长（一般至少为几米到几十米），因此在窗帘、墙壁等尺度中，出现粒子的频率很低，主要是以波的形式穿越了这些障碍的。如果我们用水泥造一个墙壁为十几米厚的掩体，波长短的电磁波也一定穿不过的，波长长的电磁波也一定受到极大的衰减。朋友：那么，你又如何解释频率更高的电磁波（譬如伽马射线）可以穿透窗帘、皮肤、甚至骨头呢？商：老弟问的好！尽管我们把电磁波看成是一个连续的系列，并依据我们对电磁波
14、的了解，以电磁波的频率为识别标识，把电磁波分成了很多频段，譬如、无线电发射用的长波、中波、短波、超短波、微波、红外线、可见光、紫外线、X光、伽马射线、高能射线等，但是实际上它们虽然为同一个系列的分形系统，具有共同的自相似性，但是不同的分形系统都有其不同的特殊性，同类的分形系统，也有各自不同的特殊性。不同频率的电磁波，其共性是它们的存在（传播）形式，但是其差异不仅仅是频率的差异，我认为不同频段的电磁波，实际上存在着质的差异。也就是说，电磁波的传播形式只是它们的运动形式，而在Z轴上生成的粒子，才是它们的物质本质，不同频段的电磁波，在Z轴上生成的粒子是有本质差异。譬如，我们把红外线也看做是一种电磁波
15、，但是它的电性能和磁性能与无线电波是很不一样的，它与可见光的光学性能也有很大差异，这一点从用于两者聚焦的透镜的差异，就很容易看出来。朋友：我明白了！在我的概念中，我经常把电磁波与声波等同起来，以为电磁波与声波一样，频率的差异只是同种事物某个物理参数的差异。我们都知道，当声波的频率低到超过我们人耳的感知范围时，我们把这类声波称为次声波；当声波的频率超过我们人耳的感知范围时，我们把这类声波称为超声波，在整个声波范畴，尽管只有中间的一个频段是我们人耳能够感知的，处于两端频段的声波我们都不能感知，但是这些处于不同频段的声波，本质上是没有差异的。现在我明白了，电磁波与声波不同，电磁波的频率不仅决定了我们
16、人眼能不能看到该电磁波，实际上不同频段的电磁波，本质上都有很大的差异。所以你认为，伽马射线在传播时与电磁波采用了同样的形式，但是伽马射线的发生和本质与可见光和无线电波是不同的，是这个意思吗？商：是的，这是个很重要的概念。下面我简单介绍一下伽马射线：伽马（）射线，英文名称：gamma-ray。它是在核子聚变或蜕变过程中发射的一种电磁波，也被称为伽马（）粒子流，因为它的波长极短（小于0.002纳米），例子特征非常明显，传播极具直线性。伽马射线首先由法国科学家P.V.维拉德发现，是继、射线后发现的第三种原子核射线。射线具有极强的穿透能力，可以穿透几厘米后的铅板。在20世纪70年代，美国军方曾发射了一
17、颗名为薇拉（Vela）的人造卫星，用于探测和获取前苏联进行核武器试验的信息，薇拉被发射后，很快就向美国军方发回了它获得的信息它在太空中发现了的强烈的高能射线，这一发现令美国的五角大楼极其惶恐，他们怀疑前苏联在太空中试验一种新的核武器。但是，无论从射线能量的强度、发生频率、持续时间等方面判断，前苏联都不可能有这么先进和强大的核武器。随即他们发现，这些辐射实际上是相对均匀地来自太空中的各个方向，而且很容易判断，它们应该来自银河系之外的外太空，如果来自银河系，它们所携带和释放的巨大能量，早就对地球上的生命造成毁灭性的伤害了。所以伽马射线虽然目前被大家认定是一种电磁波，但是它来自核聚变或蜕变，是一种核
18、辐射，携带的能量很大，实际上它与射线和射线很类似，更接近于粒子流，具有很强的穿透力。因此伽马射线能轻易的穿透窗帘、眼皮、甚至我们的颅骨和其他生理组织，并被成功的开发成用于治疗的“伽马刀”。朋友：我明白了。那么，你又如何解释光在介质中的折射现象呢？商：你问的很好！根据我的理论，光在介质中的折射，不是由于电磁波的波动变化造成的，而是由于光子（粒子）与物质介质中的物质粒子发生碰撞造成的。介质本身的粒子密度或质量越大，光在该介质中的折射就越大；如果介质不变，那么光的频率越高，光波中出现光子的频率也越高，光的粒子特征越明显，光子的动能在电磁波总能量中占的比重越大，光子与介质粒子的碰撞也愈激烈，所以频率越
19、高的光在同一介质中的折射也越大。朋友：我很赞同你的这个说法，而且我还发现，你的理论能够更清晰和合理的解释光电效应实验的观察结果。我们知道，科学家们很早就发现，光电效应实验不但显示了光的粒子性，而且用事实告诉我们，从金属表面激发出的电子的多少，主要取决于照射光的频率，而不是光的强度。1905年，爱因斯坦把普朗克的量子化概念进一步推广，他认为，每一个光量子的能量与该电磁波频率之间满足=h的关系，即光量子的能量只与光量子的频率有关，而与光的强度无关。这个结论是对的，但是该理论没有解释为什么光量子的频率与被激发的电子多少之间有这种关系。你的这个理论很明确的告诉我们，光的频率越高，在单位时间中，光子在Z
20、轴上出现的频率越高，也就是光子拥有的动能越大，光（电磁波）的粒子特征越明显，光子与电子碰撞的频率就越高。电子实际上是因光子的碰撞而激发出来的，而不是因为电波或磁波的激励而逸出的。爱因斯坦的解释很容易使我们产生一个误解，就是波的能量只与波的频率有关，波的频率越高能量越大。我们觉得这个结论与我们的常识相悖，就用我比较熟悉的音响系统为例，很显然，音响系统中的低音炮和高频喇叭消耗的能量绝不是一个数量级的。能够产生低频波的低音喇叭，质量都很大，使其振动发出低频波所需要的能量也很大；而高音喇叭的质量都很小，使其振动发出高频波所需的能量也很小。在声频中，低频波与高频波携带的能量也明显的有差异，低音往往能使得
21、很重的东西被振动，我们能真切的感受到它的能量；高音只能使质量小的东西被振动。虽然我知道声波和电磁波不是同一类波，难道它们的能量与频率之间的关系是相反的吗？商：哈哈哈哈，老弟的说法是有代表性的，很多人也问过我，说电磁波的能量与频率成正比，至少是有适用范围的，因为他们查了资料，这些资料都认为在太阳光的总能量中，可见光这个频段的能量大约占总能量的50%，红外线占43%，紫外线只占7%。我们的生活经验也告诉我们，红外线携带的能量大于可见光和紫外线。另外，熟悉无线电电路的朋友们也都知道，在无线发射中，发射的电磁波频率越低，消耗的能量越大。但是我们可以很客观说，只要加上一个条件，爱因斯坦的结论就不错，因为
22、爱因斯坦在这里讲的不是光的总能量，而是光量子的能量，或者更确切的说，只是指光子的动能，频率越高的光，光子的动能越大，光的量子特征越显著所以我们不能把这个结论理解成电磁波的能量只与频率成正比。实际上数学很容易证明，同样波形的波，频率的变化不会引起该波能量的变化，只有振幅的变化才会引起该波能量的变化人类认知世界总是在不断进步和发展中的，所以在物理界还没有认识到光的波粒二象性的本质的时候，爱因斯坦能得出这样的结论是非常了不起的。朋友：老兄这么一说，我倒发现一个问题！按你的理论，电磁波在Z轴上的时候，电磁波的电能和磁能全部转换成光子（物质）和光子的动能了，那么这个时候光子的能量，不就是电磁波的全部能量
23、吗？商：哈哈哈哈，老弟果然厉害啊！但是我想提醒你两点，第一，光子的出现，是能量变物质（粒子） 的结果，所以光子本身就是电磁波总能量的一部分。第二，我在那篇文章中说到，“但是，我不排斥电磁波在离开Z轴后，光子在转换成能量后，还存在着一种质量小到几乎可以忽略的“虚光子（不妨称其为暗光子）”，继续在Z轴上以光速直线式前进的可能，持这个哲学观点的话，我们可以说“粒子”也是连续的，粒子在Z轴上“时隐时现（时虚时实）”的运动轨迹，就是粒子在物质场中的“物质波”。“粒子”不连续的外部表现，是因为“粒子”的质量和存在形式变化了。这个问题我还在思考”朋友：老兄不愧是搞哲学研究的，天衣无缝啊！我们不是物理学家，但
24、是我们都学过高等物理，老兄的理论确实与目前一切与光的波粒二象性有关的实验都相符，也解释了很多现有的理论无法解释的现象，除了上面说的光电效应现象，这个理论也更合理的解释了康普顿效应，解释了干涉图案受到衍射极限的限制，也就是由光形成的干涉图案，不可能小于光的半个波长的尺寸我想问老兄一个问题：你是如何来解释玻璃的透明问题？商：老弟的这个问题问得很好。我认为一种物质是否透明，关键在于组成该物质的元素和结构。玻璃透明，首先因为它是绝缘体，不导电，也没有磁性，金属物质不透明，是因为金属物质会对电与磁产生电屏蔽和磁屏蔽，电波与磁波难以通过。玻璃不仅不导电和不带磁性，更重要的是，玻璃的结构，也是一个很重要的因
25、素。玻璃的主要成分是二氧化硅，二氧化硅的结构是硅原子跟四个氧原子形成的四面体结构的原子晶体，四个氧原子位于四面体的顶点上，中心是一个硅原子。我们都知道，原子核加上电子的体积，占原子体积的比例只在亿分之一左右，也就是说，在原子这个尺度中，绝大多数是空间，只要物质的结构相对规则，就好像一个巨大的建筑物，其中只有很规则的稀稀拉拉的立柱和横梁柱，庞大的建筑物其实就是一个很通透的空间，光子自然可以很方便的在其中穿进穿出如果分子的结构像鸟巢那样不规则，由于组成物质的分子数量很大，结构不规则的分子层层叠叠，以光速运动的光子自然会碰得头破血流了。就决定物质是否透明的因素来看，我认为物质的电磁性能与物质的结构这
26、两个相关因素中，结构的因素更重要，我们可以用石墨和金刚钻为例，这两者都是纯碳元素，碳元素是导电的，但是由于结构的差异，石墨完全不透明，金刚钻则透明；再譬如玻璃板是透明的，但是紧压在一起的玻璃粉就不透明了以上意见供大家参考，与你一样，我也不是物理学家，我希望物理学家能够去研究这个问题，并获得他们该得的学术成果。朋友：我们很好奇，你是如何想到电磁波的传播中，光子会确定性的在Z轴上出现的呢？商：说来话长了“911事件”发生前，我差不多每半年要去美国一次。有一次晚上与美国朋友在喝咖啡聊天时，聊到了光在太空中传播的问题。那位朋友说，这两天一直坐在咖啡馆聊天太单调了，干脆我们去葛瑞菲斯公园(Griffit
27、h Park)的葛瑞菲斯天文台看看。天文台座落在好莱坞的山顶上，该山属于莫尼卡山脉，海拔300米左右。我们的车在停车场停下后，一出轿车，就可以看到对面山头的巨大的“HOLLYWOOD”的标志。这个天文台自1935年建成以来，已吸引超过五千万人次前往参观。站在建于山顶上的观景台上，视野很宽阔，晚上天黑后，在山上可以眺望全洛杉矶五光十色的街景及万家灯火的辉煌。游客们都聚集在观景台上拍照录像，但是吸引我的不是观景，而是这个天文台装备了一架加州最大的12英寸口径的巨型天文望远镜，每天晚上10点之前，开放给民众免费观看各种天象。我们到那里的时候，游客很少，大都在外边拍夜景，来看望远镜的更少。我无心游玩，
28、而是把住那个望远镜不放，偶尔有游客想用望远镜看看的，我就让位，等游客一走，我马上继续我的观察，直到晚上9:45，工作人员来做关门的准备工作了，我才放开那架望远镜。我的朋友很好奇，问我为什么对这架望远镜这么感兴趣？我告诉他，我一直在仔细观察土星，但是我观察的不是土星的运行轨迹或形态有什么变化，而是为什么从土星上反射出来的光，能够在穿越这么远的距离后，在望远镜中形成如此稳定和清晰的图像。朋友：很有意思啊！你得出结论了吗？商：经过这么多年的思考，在我的非线性哲学观点基本形成后，我得出了结论。朋友：我们也对这个问题非常感兴趣，请你介绍一下。商：好的。如果我们夏天开车行驶在高速公路上，我估计老弟一定观察
29、到一个现象，就是在前面的路面上，我们能看到“空气的颤动”，透过这层“颤动的空气”，我们看到前面的汽车的形象是模糊的、抖动的。朋友：是的，我确实经常观察到这种现象，而且我知道，这种现象的出现，是因为夏天的时候，高速公路路面的温度很高，贴近路面的空气被路面加热后，不断上升，稍冷的空气流过来填补下面的空隙，形成了垂直路面的空气对流，光线在通过这样的空气对流层时，会发生颤动。这种现象在火堆的上空也很容易观察到。商：你说得很对。光在空气这个介质中传播时，光线传播的直线性会受到空气这个介质本身稳定性的影响。我们都知道，光可以在真空中传播，但是在真空中，虽然不存在物质（这里指常规意义的物质），却存在着无处不
30、在的各类场（不能排除各类场是一类特殊的物质）。我在观察土星的时候，就想到了“颤动的空气”，显然，存在于太空中的各类场，在光线穿越的宏观尺度中，应该也会像空气一样颤动，但是很奇怪，场的颤动为什么不会引起光线的颤动呢。朋友：你的想法很有意思，让我仔细考虑一下。商：我可以再举一个例子。你了解著名的哈勃望远镜吗？朋友：知道一点，但是不能说了解，你介绍一下吧。商：好的。人类用望远镜进行天文观测，始于1609年，是意大利的科学家伽利略第一次将望远镜用于天文观测。这以后，各种类型的天文望远镜不断被造出来，望远镜的口径越造越大。如果我们仅仅从成像的分辨率的角度来说，世界上最大的天文望远镜也不见得比天文爱好者手
31、中仅25厘米口径的天文望远镜好到什么程度，我为什么这样说呢？如果你用望远镜看过星空，你就能明白，在同一个时点，不管你用什么口径的望远镜观察同一片天空，看到的星星都在不停的向我们“眨眼”，因为大气层中空气的湍流，造成了光线的颤动。美国夏威夷莫纳克亚天文台的凯克（KECK）望远镜，口径达到了10米，极大的提高了分辨率和灵敏度，近年来出现的自适应光学系统，也有效地降低了因大气层湍流而造成的光线颤动，但是，星球成像模糊的问题，总还是难以从根本上得到解决。上个世纪20年代，德国火箭专家赫尔曼奥伯斯（Herman Oberth）第一个提出了将望远镜放到大气层以外的想法，受当时科学技术的局限，这种设想在那时
32、是无法实现的。20多年后，美国天文学家赖曼斯毕茨尔（Lyman Spitzer）提出一个实现这个设想的具体计划，但是直到1975年，建造空间望远镜的项目才被美国宇航局（NASA）和欧洲空间局（ESA）立项。1977年，美国国会批准拨款建造太空望远镜，为了纪念美国天文学家埃德温哈勃（1889-1953）在上个世纪20年代发现了宇宙膨胀和哈勃常数，这个太空望远镜被正式命名为“哈勃太空望远镜”。制造哈勃望远镜需要解决许多技术问题，其中相当关键的，就是图像模数转换问题。因为哈勃望远镜是一个光学系统，那时，光学系统的成像只能在胶片上实现，要把距离地球600公里的望远镜上拍摄的胶片频频的送回地球，绝对是一
33、件难以完成的工作，所以，科学家们必须解决的难题，就是如何将图像变为数码信号，再用无线电把信号传输到地球，经地面接收后，再还原成图像。这就是我们现在生活中不可或缺的“数码图像技术”。为了解决这个问题，美国很多研究机构和企业全力投入了这个研究，并且最终解决了这个问题。这个技术难关的突破，不仅保证了哈勃望远镜的设想成为现实，也因为这个技术的创新，使得美国的数码技术遥遥领先于全世界。朋友：我是摄影爱好者，我更好奇的是，哈勃望远镜是如何在茫茫的太空中解决照相机的稳定问题的。拍过照片的人都知道，如果照相机镜头的口径很小的话，为了拍摄很暗的对象，就需要长时间的曝光，假定我们不能保证照相机的稳定，拍出来的图像
34、会非常模糊。哈勃望远镜不仅“漂浮”在没有重力和没有“依靠”的太空中，还以每小时2.8万公里的速度在运行；它的透镜虽然有2.4米，但是这个口径相对太空中各种星系的距离，实在是太小了，所以我实在难以想象，哈勃望远镜是如何解决稳定和精确定位问题的。商：你说的很对，这也是制造哈勃望远镜要解决的一个大问题。我注意到了，哈勃望远镜的每一次维修，都会更换它的陀螺仪。我认为陀螺是个分形系统，从微观世界粒子的自旋、电子绕原子核的旋转，到宏观世界很多天体的自旋，都在告诉我们，陀螺自转的稳定性，是造就我们的宇宙在微观和宏观尺度上保持稳定运行的一个本质内在原因。陀螺仪就是用来保持哈勃望远镜稳定和精确定位的核心仪器，美
35、国科学家解决了哈勃望远镜的这个问题，也使得他们在空间定位技术上，领先于全世界。哈勃望远镜的制作和运行还要解决许许多多科技难题，从某种程度上我们可以说，哈勃望远镜的研制，为全人类的文明发展做出了贡献，也为美国在许多科技领域领先于全世界打下了扎实的基础！直到1985年年底，哈勃望远镜才制作完成，原计划在1986年升空。令人意想不到的是，1986年1月28日，美国的“挑战者号”航天飞机发射后，仅仅73秒，就突然爆炸，化做两团火球坠毁！这一突发事件引发美国宇航局高度正视航天飞行的安全问题，决心中心严格审视所有航天飞行的安全问题，因此，美国所有的航天项目被冻结了32个月。“哈勃太空望远镜”的发射日程也被
36、延期了。终于在1990年4月24日，由美国“发现号”航天飞机载着哈勃望远镜升空了。第二天，这架口径2.4米、造价近30亿美元、重11吨、体积相当于1辆公共汽车的哈勃望远镜，被航天飞机按计划送入了距离地面612公里的地球低轨道，以2.8万公里的时速在太空飞行。令人惊异的是，哈勃望远镜发送回地面的第一张天体照片，清晰度还不如一架地面天文望远镜拍摄的照片！经过两个多月的研究分析后，科学家们才确定，造成这一切的原因，居然是在磨制望远镜的主镜时，透镜的边缘部分被多磨掉了2m，也就是比设计的厚度薄了头发丝的1/50，就是这二丝的误差，造成了哈勃望远镜成像质量的低下！由于不可能再到太空中更换望远镜的透镜，经
37、过科学家们极其认真细致的研究和计算，决定给哈勃望远镜配上一副“眼镜”，以“纠正”哈勃望远镜的近视。1993年12月4日，美国“奋进号”航天飞机载着宇航员去太空完成第一次对哈勃望远镜的维修任务。航天飞机用机械臂抓住了在轨道上运行的哈勃望远镜后，宇航员走出了航天飞机，按照事前确定的设计方案，给哈勃望远镜带上了“眼镜”，还调换了陀螺仪、控制盘、磁力计和电池板，顺利地完成了预定的任务，安全的返回了地球。哈勃望远镜恢复了“视力”，开始它“高产”的摄影工作，向地面发回了一幅又一幅美丽清晰的太空图像！这以后，平均每隔3年，美国都要对哈勃望远镜进行一次维修，前后一共进行了四次维修，使得哈勃望远镜一次又一次焕发
38、青春，拍摄了越来越多高质量的太空照片。由于2003年发生了哥伦比亚号航天飞机失事事件，加上美国准备重新启动登月计划，能用于航天事业的资金紧张，2004年4月24日，恰逢哈勃望远镜升空14周年的纪念日，布什政府宣布放弃对哈勃望远镜的第五次维修，这架设计寿命为15年的太空望远镜，眼看就要寿终正寝了。这个消息引起了全世界天文学家和天文爱好者的震动，引发了大面积长时间的讨论和呼吁，各国著名的天文学家们都通过各种途径对美国的国会议员们进行游说，各种要求美国政府批准对哈勃望远镜进行第五次维修的信件，从全世界像雪片一样飞到美国。哈勃望远镜之所以得到大家的青睐，是因为目前在太空中虽然有20来个各种类型的太空望
39、远镜，但是，哈勃望远镜是其中唯一的一架光学望远镜，它接收的是包括部分红外线、紫外线、和全部可见光频段的信号，因此，它的成像是可以用我们人类的肉眼直接观察的。其他望远镜感知的是“伽马射线”、X射线、红外线等信号，信号的频段不在人眼可以直接感知的范围，它们所产生的图像，都必须经过一定的图像处理技术才能形成人眼可以观察的图像，这些图像远不如哈勃望远镜的图像直观、美丽、清晰朋友：我喜欢摄影，知道哈勃望远镜拍摄的一张“哈勃深场”的照片非常有名，但是我不太理解这张看起来很普通的照片为什么那么有名，你能介绍一下吗？商：好啊。自哈勃望远镜戴上眼镜后，哈勃望远镜就忙个不停了，美国专门成立了一个太空望远镜研究所，
40、来协调、安排、和管理哈勃望远镜的观察任务和工作日程，哈勃望远镜的工作日程始终安排得满满的。1995年圣诞节，该研究所的所长决定用整整十天的时间，将哈勃望远镜的镜头指向同一个看起来极其普通的空间，进行长时间的曝光。这个决定引起了很多天文学家的非议！因为在这个空间中，几乎看不到什么特殊的天体，他们都指责这个所长在浪费极其宝贵的哈勃望远镜的资源。但是当这次曝光得到的照片传回地球后，全世界的天文学家都震惊了！因为在这张照片上，居然出现了多达个3000多个星系的踪迹！朋友：我还是没有明白这张照片的意义啊！商：我来解释一下。我们都知道，光的传播速度是每秒钟30万公里，这个速度相对地球的尺度来讲是非常快的，
41、光在地球上的传播几乎是不要时间的，但是相对太空来讲，这个速度太慢了。月亮与地球的平均距离大约在38万公里，所以光从月亮传播到地球，要花一秒多一点的时间。也就是说，我们在地球上看到的月亮，实际上是一秒钟以前的月亮。在天文学上，我们把光在一年中走过的距离称为“一个光年”，假定一个天体距离我们50亿光年，那么我们在今天拍摄到该天体的照片，实际上就是该天体在50亿年前的形象。“哈勃深场”所拍摄到的星系，很多都是距离地球几十亿光年的星系，也就是这些星系在几十亿年前的形象，这对于我们研究宇宙的过去和宇宙的起源，有着极其重要的意义！由于这是当时人类获得的第一张关于宇宙前期星系的照片，哈勃望远镜让人类目睹了宇
42、宙”深处”的场景，所以科学家们把这张照片命名为“哈勃深场”。这张照片立刻在全世界的天文学研究领域掀起一股研究宇宙深场的热潮，世界各国的天文研究机构不仅都用各自的天文望远镜开始拍摄各类宇宙深场的照片，更开始联合行动。2003年到2004年间，哈勃望远镜协同其他各种望远镜，一起从不同的地方、以不同的角度、在不同的时段、利用各自不同的信号接收频段、共同拍摄了某个特定的空间，获得了“哈勃超深场”的照片。这张照片拍摄到一万多个星系，这些星系的时间跨度达到130亿年。在这张照片中，处于各个不同发展阶段的星系，在同一幅照片上展现了各自完全不同的形态，为人类了解宇宙中各类星系的发展进程，提供了详尽的资料。朋友
43、：我明白了。哈勃望远镜拍摄到来自几十亿光年远的星系，就像考古学家发掘到古代的化石，使得现代的科学家们可以获得当时宇宙的信息。哈勃深场照片的获得，就像考古学家们获得了一个史前各个年代生物的化石群，难怪天文学家们会如此兴奋和震惊了！商：是啊！这些照片告诉我们，与现在我们所熟悉的雄伟壮观的螺旋状星系（碗型星系）和椭圆状星系（枣型星系）完全不同，几十亿年前的星系，不仅体积小，形状也千奇百怪，很像远古时代地球上存在的原始生命。天体与生命体一样，也是在漫长的时间旅程中，慢慢进化的我再次看到了分形理论的威力！另外，通过详细研究和分析哈勃望远镜发回的各种资料，物理学家们掌握了确凿的证据，证明了黑洞、暗物质、和
44、暗能量的存在，对推动现代物理学的进展，起了极其重要的作用。在全世界科学家的共同努力下，美国政府终于批准了对哈勃望远镜进行最后一次修复，全世界都在期待着这次修复。由于这次修复的难度和危险性最大，因此，这次修复也被称为“惊天大修复”!朋友：很有意思啊！为什么这次修复被称为“惊天大修复”呢？商：因为这次修复预定时间为2009年的5月份，但是在2009年2月份，发生了美国的一颗卫星与俄罗斯的一颗卫星在太空相撞的事件，两颗卫星相撞后，碎成了1.9万块碎片，这些碎片的飞行轨道基本上位于哈勃望远镜的飞行轨道上，其中至少有950块碎片，会对宇航器或走出飞船的宇航员造成威胁。由于哈勃望远镜的运行速度为每小时2.
45、8万公里，在这个速度下，一块10克重的碎片如果撞上宇航器或宇航员，相当于一辆中型汽车以每小时100公里的速度撞上他们，撞击会造成怎样的破坏是可想而知的！在已经回收的各类航天器和卫星上，到处可见由各种太空垃圾撞击造成的孔洞和伤疤。至于对太空行走的宇航员来讲，一粒药丸大小的太空垃圾，就可以穿透宇航服，令宇航员很快毙命！美国科学家精确地测算了发生事故的概率大约在1/185，这个比例超过了美国宇航局规定的1/200的最低安全标准，所以，维修哈勃望远镜的计划陷入了困境。为了降低发生危险的概率，科学家们提出了一系列的措施，其中最主要的是两个措施，一个是航天飞机采用倒着飞的姿势接近哈勃望远镜，这样，可以最大
46、限度的降低航天飞机机头和机翼遭遇碎片撞击的概率和由撞击而可能带来的损伤；另一个就是在维修结束后，航天飞机立刻降低飞行高度，避开危险区域。根据这样的措施，科学家们重新计算了发生事故的概率，这个概率为1/229，勉强达到了美国宇航局规定的最低安全标准；为了预防不测，美国宇航局还决定，在执行这次修复任务的亚特兰蒂斯号航天飞机发射的同时，奋进号航天飞机也同时完成发射的全部准备工作，守候在旁边的另一个发射架上随时准备升空救险，并制定了详尽细致的应急预案。在这一切措施落实后，维修计划最终被批准执行。朋友：我们只知道哈勃望远镜拍摄的图像为推进人类对宇宙的了解做出了巨大的贡献，但是确实没有想到这次对哈勃望远镜
47、的修复风险这么大啊！1/229的概率其实并不小，与福利彩票选六中四的概率1/217相当啊！商：老弟真是个财迷！对哈勃望远镜了解不多，对福利彩票却如此老道！朋友：不过说句老实话，我对美国在天文学和航天事业上的投入，还是非常认同的，特别是具体在进行科学研究和实践的美国科学家们，我们很难把他们的行为界定在只为了美国一国的利益，他们为人类科技的发展，确实做出了巨大的牺牲和贡献。我记得你告诉过我们，实际上哈勃望远镜对全世界都是开放的，不仅是指该望远镜拍摄的照片、运行轨迹、各类观察数据都是动态的在网站上公布的，更指世界各国的天文学家都可以就自己的研究项目，申请由哈勃望远镜去拍摄研究所需的相应天体的照片。商
48、：是啊，哈勃望远镜对全球的开放、以及天文学界的全球协作进行科研的做法，为其他学科的研究开了一个极好的头，在那以后，很多其他领域的科研也采取了全球开放和全球合作的办法，这种做法极大的提高了科学研究的效率，和科技成果的普及，对人类科学的进步起了很大的促进作用。2009年5月11日，执行惊天修复任务的亚特兰蒂斯航天飞机发射那天，一万多名美国朋友请了假，从四面八方聚集到离发射现场5公里的地方，关注着这次修复行动，有些美国朋友一个晚上没有睡觉，在车站排队等候前往肯尼迪发射中心的汽车。他们都知道，参与这次修复的七名宇航员都是真正的英雄，他们面临的危险不仅是宇航器起飞和降落可能带来的潜在危险，也不仅限于来自
49、太空的太空垃圾，还有因太空的恶劣工作条件而产生的、种种危及宇航员生命的可能。由于太空的失重，人体耳朵中负责人体平衡功能的前庭器官，会由于失重而不能正常工作，使人患上“太空运动病”，得这个病的人，就像严重的晕船那样，会头晕眼花、恶心呕吐。如果宇航员在太空作业时呕吐物留在太空帽内，有可能给宇航员带来极大的危险。在上天的最初三天，宇航员得这个病的概率为50%，所以亚特兰蒂斯号发射升空三天后，宇航员才开始工作。也是由于太空失重，人体的血液失去了重量，但是人体的心脏还是照常工作，所以在太空中，宇航员脑部血管承受的血压中，原来由血液的重量抵消的那部分压力，也完全由脑部的血管承受，人在脑部承受这种高压时的感觉，就像在地面上“拿大顶”，宇航员每天要连续工作6-7个小时，也就是要在拿大顶的情况下进行长