螺旋之美 最古老的旋臂动物和它的现代含义

旋涡星系M51，直径10万光年

新发现的物种八臂仙母虫化石，直径2.5—3.1厘米

台风伊莎贝尔，直径500公里

新的物种
    度过了5.8亿年的漫长岁月之后，一批已经变为化石的远古生物终于重见天日。2004年10月，中国和瑞典的几名古生物学家首先在贵州江口县的一条小河边把它们挖掘了出来。
    这是一种谁都没有见过的生物形态，它们与现生动物的门类几乎完全没有可对比性。“发现如此规则而独特的宏体化石确实令人惊奇。”发现者之一、中国地质科学院地质研究所唐烽研究员说。研究人员认为，他们发现了一个全新的动物门类。
    化石呈现出椭圆的盘形，比一元人民币硬币稍大，这样的体型在微体动物统治的早期动物世界里，已经算得上庞然大物。而最为奇特的是，这些动物每一只都有八条侧缘平滑、呈螺旋状向外辐射的旋臂。研究人员相信，这些旋臂在动物活着的时候是圆柱状的，而在化石中是被压扁了。
    正是由于这些奇特的旋臂，古生物学家把这种动物称为“八辐射动物”。中国地质科学院和瑞典国家自然历史博物馆的几名古生物学家发现这种八辐射动物后如获至宝，在几年的时间里都秘而不宣地进行研究，直至得知澳大利亚有学者也发现了类似的化石，才在近期出版的《地质学报》上公布了他们的发现。
    唐烽等人发现的这种八辐射动物生活在寒武纪之前的伊迪卡拉纪，是目前已知的世界上最早的八辐射动物。它们的旋臂是致密的碳质实体，最大宽度可达2毫米，厚度接近1毫米。旋臂的一端汇聚在盘体的中央，另一端互相叠置，并在盘体边缘形成封闭的环状。研究人员推测，这可能意味着，此种动物的旋臂被一个扁平的囊膜包裹，而旋臂之间充满流动的有机质。
    而令古生物学家百思不得其解的是，这种动物如何进食？化石上并没有任何口孔或触手的痕迹。能够作为参照的现生动物极为罕见，比如栉水母和八射珊瑚，但它们之间的许多差异仍使研究人员满腹疑问。古生物学家也并不清楚那些旋臂是做什么用的。
    现在能够推测的是，这种八辐射动物生活在海里，但并不是浮游动物，而是栖息在海底。因为从化石中也看不到它们有任何适于主动游泳的器官。
    中、瑞古生物学家最终把这种动物命名为“八臂仙母虫”。“我认为这是一个非常好的创意。”唐烽说，“它属名中的‘Andromeda’正是仙女座的意思。”

缠卷疑难
    在距离我们250万光年的地方，仙女座大星云展现出与八臂仙母虫相似的形态。与直径两三厘米的八臂仙母虫相比，仙女座大星云的直径达到了难以想象的14万光年。
    人们最早在夜空中注意到仙女座大星云的时候，发现它看上去是一团云雾，以为它是一个由气体和尘埃组成的星云，于是将它称为星云。但实际上，它并不是一个星云，而是一个巨大的星系，一个离我们银河系最近的旋涡星系。
    借助于天文望远镜，天文学家们发现，仙女座大星云有着卷曲而明亮的旋臂。其形态就好像我们在咖啡中搅动牛奶所形成的图案，或者说，像是一个旋涡，这也是为什么此类星系被称为旋涡星系。
    正是受旋涡星系的启发，唐烽等人在命名他们发现的古生物时借用了仙女座大星云的名字。
    对于天文学家来说，旋涡星系的旋臂曾经就像八臂仙母虫的旋臂一样令人困惑。观测发现，那些接近星系中心的恒星的移动速度与接近星系边缘的恒星的移动速度相同。这似乎意味着，在旋涡星系自转的过程中，旋臂在很短的时间内就会不复存在。
    另一种考虑方式是，如果说旋臂随着星系一起转动的话，它们为什么不会像纺锤上的线一样被卷紧？简单的计算表明，一个旋涡星系只需转几圈，就能破坏掉所有的旋臂，这个时间与星系的年龄相比起来实在是太短了。那么，为什么天文学家观察附近的1500个星系，会有多达三分之二的星系“碰巧”拥有旋臂呢？这个困惑在天文学上被称为“缠卷疑难”。
    一项看起来毫不相干的研究可能非常有助于理解这种现象。日本名古屋大学的杉山由纪教授及其同事最近首次在实验场地上重现了交通是如何拥堵起来的。他们的论文发表在3月4日出版的《新物理学期刊》上。
    开车出行的人经常会遇到一种情况：顺畅的公路上突然出现了拥堵，于是不得不放慢速度一点点挪动，心想前面是不是出了什么交通事故，而十分钟后开出拥堵路段后却发现，其实什么特别事件都没有。那么，这拥堵又是如何发生的呢？
    杉山由纪的实验验证了一种理论，即发生拥堵的车队会形成一种“波”，所有车辆都在前行的同时，这个波向着与车辆行进方向相反的方向传播。如果能从直升机上向下观察拥堵的公路，就很容易看到，虽然被堵的具体车辆一直在变化——有些车进到拥堵路段，有些车出去，但拥堵的情况却并没有改变。
    每一辆进入拥堵区的车辆都必须减速，进而影响它后面紧跟着的车辆减速。因而，在拥堵路段的最前方，不需要有任何的障碍，拥堵的情况便会持续下去。最初的减速可能来自很小而且短暂的事件，比如并道。但拥堵却好像是一列波，从前向后传，持续很久。
    如果我们把这些车换做恒星，那么旋涡星系的旋臂就是交通拥堵后出现的状况。1960年代，华人数学家林家翘及其同事首先提出了“密度波”理论来解释旋涡星系的旋臂。现在，这一理论已经成为公认的解释。

旋臂错觉
    用密度波来解释旋涡星系的旋臂，就意味着星系的旋臂仅仅是我们的一种“错觉”。
    旋臂并不是某种“物质”，随着星系整体转动，而是像拥堵的车辆所形成的那种“波”。换句话说，旋臂和旋臂之间并不是空的，只不过是旋臂区域恒星、气体和尘埃的密度比较大而已。恒星会在旋臂间穿进穿出，旋臂中具体的恒星一直在变化，但拥堵的情况依旧。
    由于旋臂中的气体和尘埃的密度比较大，使得旋臂成了恒星工厂。大量年轻、炽热、质量巨大的恒星出现在旋臂中，照亮周围的物质。但是，质量越大的恒星寿命越短，旋臂中常见的大质量恒星可能只能燃烧1000万年。作为比较，我们的太阳已经燃烧了50亿年，且尚值中年。
    于是，当旋臂中的大质量恒星离开旋臂的时候，它们可能已经暗淡无光了。这就是为什么旋臂看起来要比旋臂间的区域更加明亮。我们之所以看到星系呈现旋涡状，是因为我们难以看到旋臂间暗淡的恒星。
    我们的银河系也是一个旋涡星系，太阳带着地球在旋臂中穿梭。据估计，地球每过1亿年会遇到一个旋臂，继而花1000万年穿过它。由于在旋臂中会受到较为强烈的辐射，有人便试图寻找穿越旋臂的时间与生物大灭绝的对应关系。
    对于旋臂的形成，目前天文学家尚不清楚的一点是，星系中的密度波最初是如何出现的。现在存在多种理论，来解释不同类型旋涡星系中密度波的出现。

殊途同归
    然而，不清楚旋臂的最初来源，并不影响我们欣赏这些螺旋。公元前四百多年，古希腊建筑学家菲迪亚斯（Phidias）建造的帕台农神庙最早运用了黄金分割，因而后人将黄金分割值称为φ（Phi）。如果我们画一个矩形，使矩形长宽之比等于φ，然后再在矩形中割出一个最大的正方形，就又产生了一个长宽之比等于φ的矩形。再分割这个新得到的矩形并不断分割下去。最后，将得到的所有正方形的合适的顶点连接起来得到一条弧线。
    如果将这条弧线与旋涡星系的旋臂做比较会发现，它与某些星系的旋臂出现惊人的重合。比如距离我们3700万光年的著名旋涡星系M51的旋臂就具有这样的弧线。
    不单是旋涡星系，鹦鹉螺的壳上也展现出相同的弧线。美国空间望远镜研究所的天体物理学家马里奥·利维奥（Mario Livio）还总结出，浴缸放水时水流产生的螺旋、猎鹰捕食时的螺旋线飞行等等都划出了相似的弧线。
    只是，浴缸放水产生的旋涡并不像很多人认为的那样，在南北半球有着截然不同的旋转方向。相反，它们的旋转方向受浴缸形状等因素的影响，在两个半球具有相同的可能性。猎鹰突袭猎物时保持的螺旋线飞行，能够让它不必转动脑袋，就能持续将猎物纳入视野。
    台风也具有旋臂，而且，卫星照片上的台风与天文照片中的旋涡星系看上去非常相似。但它们的形成原理非常不同，台风的旋臂是在科里奥利力的影响下形成的。
    而且，台风的旋转方向非常规律，北半球的台风逆时针方向旋转，南半球的台风顺时针方向旋转。而宇宙学家认为，我们的宇宙并没有上下之分，因此，旋涡星系沿哪个方向旋转就完全取决于观察者的位置。
    还有，台风是立体的，而如果我们把旋涡星系缩小的话，它们会显得非常扁平，就像是一张张的DVD碟片。
    不管怎样，当这一切被摆在一起时，我们还是能感到：从八臂仙母虫到仙女座大星云，从咖啡中旋转的牛奶到猎鹰的捕食线路，从鹦鹉螺的纹路到巨大的台风，大自然在不同的尺度上展现着相似的美感。

（责任编辑 朱力远）