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「把科學帶回家」 提供
即將進入高峰擁堵路段
撰文 | 犀牛
最近各地陸續復工，馬路上也恢復了往日的繁忙，而昨天上午的北京已重現早高峰擁堵：
@新京報
親切又無奈的堵車，又回來了。不過最氣人的是，有時路上並沒有發生事故，也會莫名其妙的堵車，這就是傳說中的「幽靈堵車」。堵車的源頭就像看不見的幽靈一樣讓人們捉摸不透。
正如魔鬼藏在細節中，堵車的幽靈也藏在細節之中。當路上的車輛趨近飽和時，司機一個小小的動作可能就埋下了隱患，比如剎車稍微有點急，或者與前車車距有點近，等等；即使這些都沒有，幽靈堵車還是有可能發生。
因為司機都是人，前後車的速度總會有微小的差別，這些差別在車流的傳遞中不斷積累放大，導致某一處的車輛密度越來越大，最終形成擁堵。而擁堵的位置像波一樣在車流中傳遞，正如下圖模擬的情形。
幽靈堵車模擬動畫 | Benjamin Seibold
像這樣「堵車波」的速度一般比車速要慢，所以車輛總會擺脫擁擠的區域。
而我們的太陽也身陷銀河系的「堵車波」中，卻沒能擺脫那片星海的擁堵路段。這片擁堵區域，有另外一個大家相對熟悉的名字——銀河系旋臂。
太陽系在銀河系中的位置
銀河系中那一條條耀眼的光弧，就是它的旋臂。銀河系共有4條主要旋臂，太陽系在靠近銀河系邊緣的一條小旋臂內。
我們原本以為星系旋臂的樣子 | Wiki
這些盤狀星係為何大多都有旋臂這樣的結構？1960年以前，科學家一直沒搞清楚這個問題的答案。根據當時的天文觀測，靠近銀河系中心的恆星繞銀心一周所用的時間，比靠近邊緣的恆星更短，那就意味著，隨著恆星的移動旋臂的形態不能穩定存在。
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依照觀測結果，旋臂不能穩定存在| Wiki
在當時著名天體物理學家本特?斯特龍根（Bengt Stromgren）組織的會議中，科學家再次討論了這個疑問。而在場的一位著名應用數學家被這個問題吸引，並在會後決定，將研究重心轉向這一問題。這位就是著名的華人科學家林家翹。
林家翹從小學習優異，一路走來身邊都是大師，清華時物理老師是周培源，在加州理工攻讀博士時師從空氣動力學家馮?卡門，此外林家翹還和馮?諾依曼合作過……當然，當他決定轉向研究天體物理方向時，他也已經是應用數學的大師了。
徐遐生與林家兩家 | Notices of the ICCM
他受前人的啟發，認為旋臂並不是固定恆星組成的結構，而是一組波。他很快組建了團隊著手研究工作，在1962年又吸納了一位19歲的麻省理工學院本科生從事研究工作，因為他的優異表現，林家翹開始指導這位本科生進行旋臂形成的研究。這位本科生就是後來著名天體物理學家徐遐生。
在1964年，他們就發表了密度波理論的論文，用以解釋漩渦星系旋臂的形成。圍繞銀河系轉動的恆星的軌道大多都是橢圓形的，而各個軌道的方向並不是相同的，當軌道方向發生一定變化，如下圖中所示，就形成了螺旋臂的效果。
Wiki
正如前面所述，組成旋臂的恆星並不是固定的，是有出有進的。當恆星走進旋臂區域時，因為這裡恆星密集、引力加強，進來的恆星速度會減慢，就像在路上開車被別車，司機不得不減速一樣；當恆星走出旋臂區域時，速度就會加快。雖然恆星在旋臂區域進進出出，但星系整體一直維持著旋臂的圖案。
密度波理論解釋的旋臂狀態| Wiki
是不是和幽靈堵車的波如出一轍？而且是串聯加強版的幽靈堵車。
儘管密度波理論在細節上仍然存在一定的不確定性，但已經得到了很多觀測和模擬的支持。在形態類似的土星環中，卡西尼號探測器就拍到了密度波。
土星環中的密度波 | NASA
既然恆星會穿過旋臂，為什麼唯獨太陽走不出旋臂這個「擁堵帶」？
因為太陽公轉軌道接近圓形，而且公轉速度和旋臂的速度一致，所以太陽才沒有穿越旋臂、在旋臂間忽快忽慢得飛馳。要知道旋臂如此耀眼是因為其內部極其兇險，聚集著大量的超新星以及能擾亂太陽系的輻射等等。而且太陽所在位置，和銀河系其他位置相比，也不算太擁擠，和周圍天體的「車距」也較遠。因而地球才能獲得相對穩定的環境，從而誕生生命。
巧的是，麻省理工學院去年的一項研究表明，控制好前後車距，讓車儘可能保持在前後車的中間位置，能夠緩解幽靈堵車。所以，
距離，產生美。
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