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阴差阳错:他探测黑洞未成,却意外解锁WiFi关键技术
阴差阳错:他探测黑洞未成,却意外解锁WiFi关键技术
作者:郑晓晨 毛淑德 | 4/4/2019 5:33:11 PM | 浏览:252 | 评论:0

 

阴差阳错:他探测黑洞未成,却意外解锁WiFi关键技术

(图源:ufoholic.com)

这是一个研究霍金辐射的射电工程师,没能探测到黑洞回音,却阴差阳错解锁了Wi-Fi关键技术的故事。

如今这个年代,也许是最好的时代。

我们只需手机在手,无论地铁、公交、打的、共享单车,都能做到出行无忧。同样的,购物看片游戏,聊天语音视频,每个人与方便快捷、多姿多彩的生活之间,也不过是一部智能手机的距离。

现代人,似乎已经很少因现金不足而惶恐。他们转向因手机电量不足而焦虑暴躁,因流量告罄而捶胸顿足,因免费Wi-Fi而欢欣雀跃。

不过,在我们理所当然地享受着现代科技的累累硕果之余,有没有想过,这种种便捷的背后离不开那些在应用前沿添砖加瓦的工程师,以及那些筑建基石的基础研究者。

今天的故事就是关于奥苏利文博士,以及他和黑洞、Wi-Fi那些不得不提的往事。

有心栽花之霍金辐射

约翰·奥苏利文(John O’Sullivan)博士是一名电力工程师,也是一名射电天文学家。他和天文的不解之缘可以追溯到20世纪70年代初,英国物理学家斯蒂芬·霍金提出了学术生涯中里程碑式的成就——霍金辐射,一时间引无数天文学家竞折腰。

传统意义上讲,黑洞之所以被称为黑洞,正是由于其巨大的引力势,可以捕获其周围的所有物质,包括光子,是一个只吞不吐,类似神兽貔貅的存在。但根据霍金的理论,黑洞不仅不黑,相反还可能会蒸发,辐射能量,甚至损失质量,这便是霍金辐射。

阴差阳错:他探测黑洞未成,却意外解锁WiFi关键技术

图1. 霍金辐射概念图(图片由作者提供)

霍金辐射的提出源于物理学家对真空更为深刻的认识。根据海森堡测不准原理,能量是有涨落的,真空也并非是完全的虚空,里面充斥着许许多多正反虚拟粒子对,不过存在时间极短,堪称转瞬即逝(见图1)。

同样的,黑洞的视界边缘也存在虚拟粒子对。如果某些虚粒子对中的负能量粒子掉入黑洞,而正能量粒子逃逸到远方,则对应黑洞能量降低,质量减轻,黑洞就好像在蒸发一样[1]

霍金证明了黑洞蒸发过程中所产生的辐射接近黑体辐射,且辐射温度与其质量成反比。换言之,黑洞质量越大,其辐射温度越低。

对于一个太阳质量的黑洞来说,霍金辐射温度很低,大概只比绝对零度高那么一点点,约为6.2×10-8K(水的沸点是373.15 K)。

这么低的辐射温度,意味着几乎可以忽略不计的低能耗,其辐射峰值对应的波长长达48 km。也就是说,这一类型的黑洞将经历漫长悠久的岁月才可能蒸发殆尽,保守估计也得1067年(1千亿亿亿亿亿亿亿亿年)。要知道,我们的宇宙年龄也不过区区138亿年。

不过,一个诞生于太阳系之初的迷你黑洞(1012kg=1万亿千克),倒有可能在宇宙的有生之年内蒸发完毕。

霍金预言,在这个迷你黑洞寿终正寝之前,它将在0.1 s 之内释放高达1023J 的能量,产生一个集中在伽马射线段的爆炸[1]。这和现今大家熟知的伽马射线暴有些类似,不过总能量小很多(虽然依然很强大),约为百万个百万吨级氢弹爆炸所释放的能量。

不过,鉴于大气层良好的屏蔽效果,即使迷你黑洞产生的伽马辐射(暴)真实存在,彼时的地面望远镜设备也很难探测到。

即使如此,科学家依旧没有放弃对于这个理论预言的探测。在2008年6月,美国的费米卫星就探测到了一个可疑的伽马闪,可能来自于蒸发的微型黑洞。

对于黑洞蒸发最后所产生的粒子是光子还是其它奇异粒子,科学家们并没有统一的认识,不同的理论给出不同的结果。不过,尽管这些理论在小尺度上所预言的粒子类别有差异,等到这些原有的粒子膨胀到宏观大尺度时,主要成分都将会是正负电子对。

在霍金提出霍金蒸发理论之后,来自英国天文学会的著名天体物理学家马丁·里斯(Martin Rees)就另辟蹊径。他于1977年发表在《自然》杂志上的文章,就假设所有能量都转换成为正负电子对,然后考虑电子对所产生的观测效应。

在这样的背景下,如果黑洞周围的星际物质(interstellar medium)存在磁场,这些以接近光速运动的高能正负电子生成的“火球”(fireball;注:后来伽马射线暴的火球模型也是来自于此)在磁场中运动时,将进一步触发短时间大规模的射电辐射(射电暴)[2]

基于这一想法,天文学们转而将探测黑洞辐射的一腔热情重点转移到对射电暴的探寻上去。

彼时的奥苏利文(见图2)刚刚从悉尼大学毕业,怀揣着新鲜出炉的电气工程学博士学位,在荷兰谋得了一份射电望远镜设备相关的工作,光荣地成为了一名仰望星空的天文从业人员。作为霍金辐射的追随者之一,奥苏利文也磨刀霍霍地加入了探寻射电暴的浩荡大军。

然而,他出师不利。一方面,宇宙中的迷你黑洞距离遥远,信号微弱。另一方面,这些微弱的信号跨过星际穿越尘埃,风尘仆仆而来时,早已面目全非,夹杂在铺天盖地的射电噪声中难以辨别[3]

如何才能从嘈杂的背景音中提取到真实但微弱的黑洞信号呢?这个问题成为横亘在奥苏利文等一众天文观测者心中的巨石,难以解决。

阴差阳错:他探测黑洞未成,却意外解锁WiFi关键技术

图2. 约翰.奥苏利文(左3)和他的团队(图源:参考资料[4])

古语有云:世上无难事,只怕有心人。结果证明,奥苏利文恰恰就是这样一位有心人,而且,他还是一位数理背景强大的有心人。

经过一段时间的摸索,奥苏利文和他的合作者开始尝试利用快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform, FFT),更有效地分离这些鱼龙混杂的观测数据。FFT即离散傅立叶变换的快速算法,是一项复杂的数学计算过程。具体多复杂无需赘述,简而言之,这一算法可以将信号由时域空间变换到频域空间,从而提取信号的特征频谱。

这一通操作下来,大家惊喜地发现,原本淹没在嘈杂背景音中泯然众人矣的信号,在变换到频域空间后,变得遗世而独立。

据此,奥苏利文团队进一步掌握了进行高效图像传输的方法,即将输出信号拆分成不同的频段,由接受器接受之后再逐一提取、重新组合。这套技术可以极大地规避传输过程中的各项干扰,提高传输效率,增强射电天文图像的清晰度[5]

同年,奥苏利文及其合作者总结了此番数据处理的技术心得,并且发表在《美国光学学会》杂志上[6],为后文埋下伏笔。

然而,天不遂人愿,即便他们提升了图像清晰度,选取了包括球状星团、类星体在内的大量目标天体,仍未能成功探测到任何一个来自迷你黑洞的射电暴[7]

此番铩羽而归,虽然顺便发了篇《自然》文章,却也难免失望。但奥苏利文明白,这就是科研的常态。就如同薛定谔的那只不知是死是活的猫一样,不到打开盒子的那一刻,谁知道自己辛苦耕耘的领域是颗粒无收还是硕果累累?

无心插柳之解锁Wi-Fi

时光如水,岁月如梭。转眼间,十几年过去了,人届中年的奥苏利文早已离开荷兰,搬到了澳洲,供职于国家科学及工业研究机构(CSIRO),继续从事射电设备相关的工作。

时值九十年代初期,随着个人电脑的普及,通讯业巨头竞相在无线领域展开厮杀,试图寻找一种可靠、高效、价格低廉的无线通信技术,应用于个人电子设备。

无线通信(Wireless Communication),顾名思义就是利用电磁波信号的自由传播来进行信息交换的一种通信方式。虽然原理简单,但实现起来困难重重。比如在室内环境下,如何规避无线信号因遇障碍物不断反射而出现的嘈杂混音,从而提高传输效率,就是其中一个久久难以攻克的壁垒。

1992年,奥苏利文组建了一个包括物理、数学、射电天文学等专家在内的跨学科研究团队,加入无线混战。他发现,这个困扰整个通讯业的室内信号反射问题,与自己当初绞尽脑汁研究的霍金辐射有着异曲同工之妙——问题核心都是如何抽丝拨茧,于嘈杂的环境中,高效提取出高保真信号。而解决这一问题的答案,自己在十几年前就总结发表了呀(详见参考资料[6])!

这也给我们广大科研工作者提了个醒,一定要多读书,广涉猎,没准你熬秃了头都没能琢磨明白的难题,早囊括在别人的论文里。这些通讯巨头们大概平时只专注于自己的领域,兴趣爱好不大广泛,生生错过了奥苏利文的这篇好文,才平白耽误了这么些年的时光。

时不我待,奥苏利文迅速带领团队,将当初自己处理黑洞辐射的数据分析技术改进后应用到计算机的网络传输上,利用无线电波实现了大数据的快速转换,并巧妙地解决了多路径无线电信号的相互干扰问题。这份新技术后来成了惠及千家万户的无线局域网——Wi-Fi的雏形。

我们现在耳熟能详的Wi-Fi,实际上就是将有线网络信号,通过无线路由器,转换成可以高效传输的无线信号,从而允许电子设备连接到无线局域网,不受布线条件的限制。

目前,Wi-Fi信号频率主要集中在2.4 GHz 和 5 GHz 的超高频,信号发射功率较低,相对安全。其接收半径由数十米至百米不等,覆盖范围广,传输速度高,已成为远超其他无线连接方式(比如蓝牙技术)的首选通讯手段。

所以,虽然奥苏利文最终也没能探听到来自宇宙深处的黑洞“呢喃”,但他因对无线电通讯领域的贡献而荣耀等身,一举斩获了包括澳洲的国家最高科学奖和欧洲发明者大奖在内的众多奖项,他本人也被澳洲媒体称为“Wi-Fi之父”[3],同时给他所在的天文台带来了数亿美元的专利费。

当然,简单地将奥苏利文等人归为Wi-Fi的发明者有失妥当,毕竟Wi-Fi的背后绝非一人一朝一夕之功可以言尽。但奥苏利文对于射电天文学以及无线通讯的意义之深远不言而喻,也算是一桩跨界佳话。

仰望星空与脚踏实地

基础研究是水,应用研究是鱼。不能只想吃鱼,而忘了水的重要性。

李政道

对于普罗大众来说,科学研究无外乎两种类型:理论型和应用型。近年来,应用型科研似乎更受青睐,因为脚踏实地、目标明确、收效显著。理论性研究,尤其是基础性研究似乎日薄西山。

时间回溯到1905年,爱因斯坦石破天惊地提出狭义相对论,打破了时空永恒的惯常思维,指出时空耦合——对于一个移动的物体,不仅质量会增加,时间也将延长。这个理论后来成为筑建二十世纪理论物理的基石。

但相信包括爱因斯坦本人在内的众多理论物理学家不会想到,一百多年后GPS的定位精度能够达到几米的背后,相对论功不可没[8]。而奥苏利文团队当年久寻迷你黑洞而不得,在万般苦闷之时,大概也没想到这套分析观测数据的方法,有朝一日会成为破解Wi-Fi的密匙,书写下改变人类通信方式的浓墨重彩的一笔。

所以,倘若在你仰望星空之时,还有人疑惑地问你:“研究这玩意能为现代化建设添砖加瓦吗”,你不妨告诉他这个故事——

从前有一个探测黑洞的射电天文学家,后来,就有了Wi-Fi。

作者简介

郑晓晨,2010年毕业于华中师范大学,2010年至2016年就读于北京大学天文系攻读博士学位,现于清华大学天体物理中心工作。主要研究方向为行星形成和动力学演化。

毛淑德,清华大学教授,兼国家天文台研究员,主要研究领域为星系动力学、引力透镜和系外行星搜寻。

参考资料

[1] Hawking, S. W. 1974, Nature, 248, 30

[2]Rees, M. J. 1977, Nature, 266, 333

[3]https://www.australiangeographic.com.au/blogs/dr-karl-need-to-know/2016/06/australian-breakthroughs-the-invention-of-wi-fi/

[4] http://www.atnf.csiro.au/research/conferences/2016/IDRA16/presentations/O_SullivanJohn.pdf

[5]https://zhuanlan.zhihu.com/p/29452197

[6]Hamaker, J. P., O’Sullivan, J. D., & Noordam, J. E. 1977, JOSA, 67, 1122

[7] O’Sullivan, J. D.,Ekers, R. D., Shaver, P. A. 1978, Nature, 276, 590

[8] http://www.abc.net.au/science/articles/2012/09/18/3590519.htm

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