本文發表於《大眾科學》的前部落格網路,反映了作者的觀點,不一定反映《大眾科學》的觀點
許多讀者回應了我的銀河挑戰(在本系列的第一部分中提出),提出了許多很酷的想法。挑戰在於向遙遠的 alien 解釋我們關於左和右的概念;或者像理查德·費曼所說並在第二部分中描述的那樣,透過電話向火星人解釋。
在這裡,我將回顧提出的解決方案,並討論如何在實踐中實施它們。我將重點關注“簡單”的解決方案,即那些訴諸於對物理物件的共同經驗的解決方案,無論是觀察星系的配置還是與相同的電磁波相互作用。在後續文章中,我將討論更棘手的問題,即向與我們沒有這種共同經驗的 alien 解釋我們關於左右螺旋運動的概念。那時,我們所能做的就是參考物理定律,據我們所知,物理定律在我們宇宙的任何地方、在整個空間和時間中都相同。
Kimballk 和其他人建議使用星系作為參考點。為了確定空間的方位,除了我們的銀河系之外,我們還需要三個星系。這四個星系不應位於同一平面上(這意味著尤其是不應有三個星系對齊)。鑑於所有這些假設,我們可以將我們星系的中心定義為原點,並將連線它與三個星系的線定義為我們的 x、y 和 z 軸。一旦我們有了這樣一個標記的參考系,就可以很容易地談論左右螺旋運動,例如。
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_jeremy 提出的一個變體是,一個先進的文明應該能夠在整個星系中散佈無線電信標。透過參考這些信標,可以為定向座標系構建軸。
事實上,甚至沒有必要將信標放置得彼此太遠——只要距離足夠遠,像阿雷西博這樣的優秀射電望遠鏡就能夠區分它們。
不幸的是,在整個星系中向所有方向廣播訊號所需的功率將是巨大的,因此正如 @therealtinasky 和其他人建議的那樣,每個人都參考大自然免費提供的信標可能會更便宜:脈衝星。脈衝星的旋轉頻率可以從很遠的距離以極高的精度和準確度進行測量。
jtdwyer 指出,我們的 alien 朋友可能知道我們的星系,銀河系,正在旋轉。它的旋轉本身並沒有定義 3-D 空間的方位,但如果與“上”和“下”的概念配對,則可以:為此,我們可以選擇另一個星系的方向,例如,我們可以說仙女座星系是“上”。(仙女座星系,或任何其他星系,都不會很有幫助,因為星系只是從我們的有利位置看到的任意恆星群:alien 可能不知道我們在說什麼。)
另一種區分“上”方向的方法是指向星系相對於宇宙微波背景的運動,這甚至可以從其他星系中檢測到。(正是透過檢測星系相對於 CMB 的相對運動,天文學家發現了被稱為暗流的奇怪且無法解釋的現象(我為科學新聞雜誌撰寫的故事)。
現在介紹我最喜歡的解決方案之一,這是我的朋友 David Harris 向我提出的,並且幾位讀者,從 KWillets 開始,也很快想到了:alien 可以在無線電訊號上施加圓極化。以下是它的工作原理。
正如名稱所示,在空間中傳播的電磁波由振盪的電場和磁場組成。這些振盪彼此成 90 度角,並且每個振盪都與波的傳播方向成 90 度角。如果電場和磁場振盪的方向始終相同而不是隨機旋轉——例如,如果電場始終垂直振盪——則該波稱為線極化。
在圓極化波中,場的方向隨著波的傳播而連續旋轉,呈螺旋運動。正如我在本系列的第一部分中提到的,螺旋運動定義了 3-D 空間的方位。
通常,無線電天線發射線極化波,但構建圓極化無線電天線並不困難。因此,我們可以向我們的 alien 傳送右手螺旋波,並告訴他們,“這就是我們所說的右手”。
為了以正確的方式拾取我們無線電波的方位,alien 必須建造一個接收天線,以區分左旋和右旋圓極化。一種簡單的方法是將天線杆以 90 度角彼此放置,但也要放置在不同的平面上,彼此間隔訊號波長的四分之一。當波的電場與第一根杆對齊時,alien 的裝置將在那裡記錄一個最大電場,例如,向上。
在同一時刻,在波長的前四分之一處,電場將向左或向右旋轉 90 度。如果它向右旋轉,則該裝置將記錄一個朝該方向的最大電場,並且 alien 將知道我們已發射具有右手螺旋運動的波。相反,如果該平面上的電場向左旋轉,則運動將是左手螺旋。
懷疑論者可能會問,alien 如何知道我們所說的電場是什麼意思?在地球上,我們的慣例是電場指向從正電荷到負電荷的方向;電子通常被稱為負電荷,它們在與電場相反的方向上加速。地球上的工程師可以透過測量天線上感應出的小電流來知道電場的指向。所以這很容易!只需告訴 alien 他們天線中的電子應該朝哪個方向移動。
不過,懷疑論者說,這裡有一個微妙之處。什麼是電子?我們可以透過告訴 alien 電子是圍繞原子執行的東西,並且它們比帶正電的對應物物質子輕約 2000 倍來解釋我們對電子的概念。但是,如果 alien 完全由反物質製成怎麼辦?在遙遠的地方可能存在反物質星系並非完全不可能。在反物質世界中,圍繞原子執行的小東西將是反電子,也稱為正電子,它們將在電場的方向上加速,而不是相反的方向。
幸運的是,我們建造天線的說明會給出完全相同的結果,無論 alien 是由物質還是反物質製成的。在後一種情況下,alien 對電場的概念將與我們的概念相反。但是,當我們的電場向右旋轉 90 度時,它的邪惡反物質雙胞胎也以相同的方式旋轉!
閱讀本系列的下一篇文章:為什麼沒有南北之分
本文是關於手性的系列文章的一部分。以下是本系列的所有文章:
建議閱讀
新的左右對稱宇宙:從映象反射到超弦的對稱與不對稱:第三版修訂版。作者:馬丁·加德納。2005年。
宇宙的手性。《大眾科學》,第 262 卷,第 108-115 頁;1990 年 1 月。作者:Roger A. Hegstrom 和 Dilip K. Kondepudi。
誰要吃 alien 比薩?在其他世界,生物化學可能會有不同的發展方向。《科學新聞》,第 172 卷,第 7 期,第 107 頁起;2007 年 8 月 18 日。作者:Davide Castelvecchi。
Alien 圖片由 lauren/Open Clip Art 提供