天災預測與可公度性
一位數學教師的發現
1766年,一位名叫體丢斯的德國數學教師在給學生講述太陽系概況時,要求學生將各大行星到太陽的平均距離記住。可學生怎麼也記不住這些毫無規律的數字。體丢斯仔細分析了這些數據,發現並非無規律可循。他先在黑闆上寫下一個數列,從第二個數開始,後一數正好是前一數的兩倍,即:
0,3,6,12,24,48,96,192……
在每個數上加4,再除以10,便得到:
0.40.71.01.62.85.21019.6……
水星金星地球火星?木星土星?
以地球到太陽的距離為一個天文單位,其它數字正好是五個行星到太陽的平均距離,只有2.8個天文單位處沒有行星,土星以後也沒有行星,因為當時知道的最遠行星就是土星。
體丢斯並沒有認為這是個多麼了不起的發現,不過把它當做一個教學生巧妙記憶數據的方法,所以當時沒有傳開。直到1772年,德國天文台台長波德發現了它,覺得很有意思,才將它發表。因此一般稱它為“體丢斯—波德”定則。
“體丢斯—波德”定則發表後,很快引起了天文學家的註意。德國天文學家註意到,火星與木星之間的空隙非常大,按“體丢斯—波德”定則,2.8天文單位處沒有行星,似乎這裡還有個行星沒有被發現。正在這時,傳來了赫歇耳發現天王星的消息,天王星到太陽的距離為19.2天文單位,跟體丢斯定則預言的19.6基本一致,這更使天文學家堅信2.8天文單位處應該有一個行星。
後來的發現令天文學家有點失望,這地方沒有發現大行星,但發現了一個由許多小行星組成的小行星帶。到1982年,這裡被命名編號的小行星就達2297個,估計總數比這還要多得多。這些小行星是一個大行星瓦解後形成的呢,還是尚未形成大行星的原始塊呢?這是天文學上一個有趣的問題,至今沒有定論。
可公度性
人們在發現了“體丢斯—波德”定則後,又發現,太陽系的一些衛星也不是雜亂無章地分佈的,也具有某種規律。
如木星的三個衛星到主星的距離X(1),X(2),X(3)服從下式:
2(X(3)—X(2))=X(2)—X(1)
而土星的四個衛星則服從:
4X(4)+X(3)—5X(2)=5(X(2)—X(1))
太陽系的行星、衛星分佈的這種規律,在數學上稱作“可公度性”。
假如有6,15,18三個數,問它們有什麼特點?誰都知道,它們都是3的整數倍。如果有一些量,其每一個都是某一共同基礎量或量度的整數倍,則稱這些量具有可公度性,如6、15、18是可公度的,而6、17、√2則不具有可公度性。
有些量,表面上看不具有可公度性,可對它們進行簡單的加、減運算後就現出了可公度的“原形”。如6,11,25,9,表面上看,不能同時被任何一個數除盡,但有6+11=17,25+9=34,其結果都是17的倍數,我們也稱這些量具有可公度性。可公度性是週期性的推廣,週期性則是可公度性的特款。可以說,可公度性是一種廣義的週期性。
各大行星到太陽的平均距離、某些衛星到主星的平均距離,也具有這種廣義的週期性。表面上看這些數據是不可公度的,但進行簡單的加、減處理後就表現出了可公度性。如將各大行星到太陽的距離減去0.4再乘以10,其結果都是3的倍數。上面所列的木星、土星的衛星的可公度式,實際上也是說這些衛星到主星的距離進行加、減處理後存在可公度性。一個數乘以正整數是這個數的連續相加,所以當加法看待。
人們知道,太陽系是在漫長的歷史中由原始星雲凝聚形成的,完全是自然的傑作,不受任何“神”的幹預。那麼為什麼這些行星和部分衛星“排列”得如此有規律呢?其物理機制如何?有什麼理論意義?這些可公度式到底有什麼意義?
這些問題沒有人能夠回答,很多人把這些關系當做經驗公式寫入文獻中,不作深入探讨。但是,有一位中國科學家卻從中發掘出了新的意義,他的名字叫翁文波。
翁文波和天災預測
翁文波(1912—1994)是我國石油科學的一代宗師,中國科學院院士,大慶油田的發現者之一。
1966年3月8日,我國河北省邢台發生了強烈地震,給國家和人民造成了嚴重損失。4月27日,週總理專門請來李四光和翁文波兩位科學家,委托他們搞地震預報。
李四光不幸於1971年逝世,翁文波在文革中也失去了自由。等到七十年代末,科學的春天來臨,翁文波才又開始了在地震預測及天災預測這個崎岖小路上的跋涉。
在天災預測中,翁文波對天文學中的可公度性給予了特別關註。
翁文波認為,可公度性並不是偶然的,它是自然界的一種秩序,因而是一種信息系。可公度性不僅存在於天體運動中,也存在於地球上的自然現象中。
(一)元素週期表中的奧秘
元素週期表是門捷列夫等一批傑出的化學家探索自然奧秘的傑作,根據這個週期表,人們多次成功地預測和發現了新元素及它們的性質。可其中還存在被我們忽略的奧秘嗎?
回答是肯定的。翁文波發現,可公度性存在於元素週期表中。
我們從元素週期表中取出前10個元素,它們的原子量用X(n)代替,如下:
氫X(1)=1.008氦X(2)=4.003锂X(3)=6.941
铍X(4)=9.02硼X(5)=10.811碳X(6)=12.011
氮X(7)=14.0067氧X(8)=16.000氟X(9)=18.998
氖X(10)=20.179
用可公度性“量”出它們具有如下一些關系:
X(1)+X(6)=13.019幾乎等於X(2)+X(4)=13.015
X(1)+X(9)=20.006幾乎等於X(2)+X(8)=20.003
X(4)+X(9)=28.010幾乎等於X(6)+X(8)=28.011
幾乎等於X(7)+X(7)=28.014
X(3)+X(8)=22.941約等於X(5)+X(6)=22.822
X(5)+X(10)=30.990約等於X(6)+X(9)=31.009
X(3)+X(7)=20.948約等於X(10)+X(1)=21.187
上述可公度式可用另外一種形式表示:
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│氫X(1)=1.008│
│X(2)+X(4)—X(6)=1.012X(2)+X(8)—X(9)=1.005│
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│氦X(2)=4.003│
│X(1)+X(6)—X(4)=3.999X(1)+X(9)—X(8)=4.006│
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│锂X(3)=6.941│
│X(5)+X(6)—X(8)=6.822X(1)+X(10)—X(7)=7.180│
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