复工后堵车了？太阳也陷入了宇宙级的幽灵堵车中

本文来自微信公众号：把科学带回家（ID：steamforkids），作者：犀牛，头图来自：IC photo

最近各地陆续复工，马路上也恢复了往日的繁忙，而昨天上午的北京已重现早高峰拥堵：

@新京报

亲切又无奈的堵车，又回来了。不过最气人的是，有时路上并没有发生事故，也会莫名其妙的堵车，这就是传说中的“幽灵堵车”。堵车的源头就像看不见的幽灵一样让人们捉摸不透。

正如魔鬼藏在细节中，堵车的幽灵也藏在细节之中。当路上的车辆趋近饱和时，司机一个小小的动作可能就埋下了隐患，比如刹车稍微有点急，或者与前车车距有点近，等等；即使这些都没有，幽灵堵车还是有可能发生。

因为司机都是人，前后车的速度总会有微小的差别，这些差别在车流的传递中不断积累放大，导致某一处的车辆密度越来越大，最终形成拥堵。而拥堵的位置像波一样在车流中传递，正如下图模拟的情形。

幽灵堵车模拟动画 | Benjamin Seibold

像这样“堵车波”的速度一般比车速要慢，所以车辆总会摆脱拥挤的区域。

而我们的太阳也身陷银河系的“堵车波”中，却没能摆脱那片星海的拥堵路段。这片拥堵区域，有另外一个大家相对熟悉的名字——银河系旋臂。

太阳系在银河系中的位置

银河系中那一条条耀眼的光弧，就是它的旋臂。银河系共有4条主要旋臂，太阳系在靠近银河系边缘的一条小旋臂内。

我们原本以为星系旋臂的样子 | Wiki

这些盘状星系为何大多都有旋臂这样的结构？1960年以前，科学家一直没搞清楚这个问题的答案。根据当时的天文观测，靠近银河系中心的恒星绕银心一周所用的时间，比靠近边缘的恒星更短，那就意味着，随着恒星的移动旋臂的形态不能稳定存在。

依照观测结果，旋臂不能稳定存在 | Wiki

在当时著名天体物理学家本特•斯特龙根（Bengt Stromgren）组织的会议中，科学家再次讨论了这个疑问。而在场的一位著名应用数学家被这个问题吸引，并在会后决定，将研究重心转向这一问题。这位就是著名的华人科学家林家翘。

林家翘从小学习优异，一路走来身边都是大师，清华时物理老师是周培源，在加州理工攻读博士时师从空气动力学家冯•卡门，此外林家翘还和冯•诺依曼合作过……当然，当他决定转向研究天体物理方向时，他也已经是应用数学的大师了。

徐遐生与林家两家 | Notices of the ICCM

他受前人的启发，认为旋臂并不是固定恒星组成的结构，而是一组波。他很快组建了团队着手研究工作，在1962年又吸纳了一位19岁的麻省理工学院本科生从事研究工作，因为他的优异表现，林家翘开始指导这位本科生进行旋臂形成的研究。这位本科生就是后来著名天体物理学家徐遐生。

在1964年，他们就发表了密度波理论的论文，用以解释漩涡星系旋臂的形成。围绕银河系转动的恒星的轨道大多都是椭圆形的，而各个轨道的方向并不是相同的，当轨道方向发生一定变化，如下图中所示，就形成了螺旋臂的效果。

 Wiki

正如前面所述，组成旋臂的恒星并不是固定的，是有出有进的。当恒星走进旋臂区域时，因为这里恒星密集、引力加强，进来的恒星速度会减慢，就像在路上开车被别车，司机不得不减速一样；当恒星走出旋臂区域时，速度就会加快。虽然恒星在旋臂区域进进出出，但星系整体一直维持着旋臂的图案。

密度波理论解释的旋臂状态 | Wiki

是不是和幽灵堵车的波如出一辙？而且是串联加强版的幽灵堵车。

尽管密度波理论在细节上仍然存在一定的不确定性，但已经得到了很多观测和模拟的支持。在形态类似的土星环中，卡西尼号探测器就拍到了密度波。

土星环中的密度波 | NASA

既然恒星会穿过旋臂，为什么唯独太阳走不出旋臂这个“拥堵带”？

因为太阳公转轨道接近圆形，而且公转速度和旋臂的速度一致，所以太阳才没有穿越旋臂、在旋臂间忽快忽慢得飞驰。要知道旋臂如此耀眼是因为其内部极其凶险，聚集着大量的超新星以及能扰乱太阳系的辐射等等。而且太阳所在位置，和银河系其他位置相比，也不算太拥挤，和周围天体的“车距”也较远。因而地球才能获得相对稳定的环境，从而诞生生命。

巧的是，麻省理工学院去年的一项研究表明，控制好前后车距，让车尽可能保持在前后车的中间位置，能够缓解幽灵堵车。所以：

距离，产生美。

本文来自微信公众号：把科学带回家（ID：steamforkids），作者：犀牛