果蝇到恒星，处处皆学问

果蝇，常常出现在生物学家的实验桌上，要看清楚它，需要动用高倍放大镜。恒星，终年运行在遥远广阔的宇宙中，要看清楚它，需要动用天文望远镜。这两者似乎扯不上关系，但美国哥伦比亚大学的物理学博士埃默里·巴托斯却热衷于探索它们。

欣赏果蝇舞姿

在餐桌上摆上一个切开的苹果或橙子，不到半天，你将收获一群不请自来的客人——果蝇。它们围绕着水果翩翩起舞，大快朵颐。你不耐烦地挥挥手，它们四散开去，但很快又聚拢而来。你也许会想，世界上怎么会有这么烦人的东西！但是你知道吗，小小的果蝇出现在许多生物学家的实验室里，告诉了我们许多生命的奥秘，最近它们又教会了我们一些新东西。

自3.6亿年前，动物上岸以来，发展出了越来越复杂的运动方式。运动对于动物逃离捕食者、寻找配偶和寻找食物至关重要。因为神经网络相对简单、易于繁殖和培养等特性，果蝇成为了研究动物运动的好模型。但是，果蝇那么小，我们如何才能看清它们的行走呢？一台摄像机也许能解决这个问题。

埃默里·巴托斯为果蝇量身定制了这样一台摄像机。这台摄像机被命名为FlyWalker，由摄像机和计算机分析软件构成。在FlyWalker系统中，当果蝇在透明玻璃上“舞动”时，它的每一个舞步都会被高速摄像机记录下来。为了搞清楚它跳的是“桑巴”还是“华尔兹”，计算机将把果蝇的六条腿分别标记为右后侧、右中侧、右前侧、左后侧、左中侧和左前侧，并分析它每一条腿的移动轨迹。拍摄一段时间后，科学家就得到了一段果蝇的“国标舞”视频，果蝇的常见“舞姿”有两种，“三脚架”舞或“四足鼎立”舞，分别用三条腿支撑，另外三条腿前后摆动行走，或者四条腿支撑，其余两条腿行走。正常的果蝇基本都按固定的频率“舞动”，一旦果蝇的“舞步”失常，无论是过快还是过慢，FlyWalker都能很快辨别出来。

正是依托这个系统，许多果蝇的实验才最终得以完成。美国加州理工学院微生物学教授萨理斯·马兹曼致力于研究果蝇的肠道菌群对它运动的影响，但是此前没有找到明确的数据支撑。直到有了FlyWalker，他才发现肠道内有短乳杆菌的果蝇走起路来“东倒西歪”又“气喘吁吁”，比不带菌的果蝇走得慢得多，这才验证了他的猜想。这个实验的成功，离不开巴托斯的FlyWalker系统，也是因为FlyWalker，我们能在许多果蝇相关的生物论文中看到巴托斯这个物理学家的名字。

追踪宇宙车祸

虽然果蝇摄像机在动物学家的实验室里大放异彩，也让巴托斯在生物界有了一些名气，但是他还是更喜欢仰望星空，研究天文物理。

黄金自古以来都是财富的象征，而且现在人们也越来越离不开它。即使你不佩戴黄金饰品，也能在你手上的手机、桌上的电脑找到它的身影。每部电子产品里都有不足零点一克的黄金，它的耐腐蚀性和导电性能深受厂家青睐。据统计，2018年，电子行业使用了近270吨黄金。

但是，黄金从哪里来呢？你也许认为，它是地球原有的，本身就埋在地壳里，真的如此吗？

我们知道，氢是元素之母，后面的许多元素是由氢核聚变产生的，但是在宇宙形成后的数千万年里，并不存在比铁更重的元素，聚变出了铁元素后，再也没有足够的能量支撑核聚变反应继续进行了。那么之后的元素是怎么产生的呢？

原来，当星球全被铁元素占满后，地表再也载不动这么重的铁元素，它们会在重力作用下向内坍塌，最终全部堆积在一起，形成一个挤挤挨挨的密度极大的星球。铁元素的重力甚至能挤压原子变形，让电子与质子中和，形成中子，因此我们把这种密度极大的星球称为“中子星”。

科学家推测，宇宙中的中子星在各自的轨道运行，彼此之间相安无事，直到46亿年前，两颗中子星相撞了！中子星相撞产生的巨大能量终于使核聚变反应突破了“铁”的魔咒，最终产生了包括金元素在内的更重的元素。这次“车祸”产生的黄金质量约是地球质量的3到13倍。在强烈的碰撞后，这些黄金散落到了宇宙各处，其中一些来到了地球。

那么我们如何能证明46亿年前的这场“车祸”是否真的发生过呢？巴托斯分析了一颗比地球寿命还长一亿年的古老陨石中残留的放射性同位素，然后将这些数值与计算机模拟的中子星相撞产生的同位素比值进行了比较，结果发现两者数值几乎完全相等。

但在此之前，天文学家们对“谁是重元素之母”这个问题有两个猜想，除了中子星“车祸”外，超新星迸发也被认为可能是黄金等更重的元素产生的原因。超新星迸发是指恒星生命走到尽头爆发出最后的光和热的现象。

根据现在的天文物理学理论推测，超新星迸发产生的能量也能让铁元素继续聚变成金元素。但是超新星迸发的频率很高，欧洲航天局曾报道说，银河系内超新星迸发的频率大约是每50年左右一次，如果重元素是超新星迸发产生的能量聚变而成，宇宙中的金元素的含量应该很高。但实际上宇宙中的金元素的含量很低。因此，巴托斯相信，不是超新星迸发，而是“中子星车祸”孕育了金元素。

而除了金元素，人类等多种生物必需的碘、锌等元素也是“车祸”后才出现的。正是有这些元素，才产生了今天地球上这样丰富多彩的生命。从这个角度来说，中子星“车祸”可算是“宇宙塑造者”了。

如果说中子星的“车祸”算是当今宇宙的塑造者，那么黑洞的“车祸”也许会成为宇宙的终结者，巴托斯也在追踪着黑洞的“车祸”。

巴托斯分析了美国LIGO（激光干涉引力波天文台）和意大利Virgo天文台收集到的数据。他发现，仅在2017年夏季，宇宙中就发生了四起黑洞相撞事件。这样一来，人类已知的黑洞相撞事件已经达到了10次。黑洞相撞后是弹开还是合并成一个足以吞噬数百万星体的“超级黑洞”？如果“超级黑洞”吞噬了星体，星体的物质是会湮灭还是重新“组装”成新的物体？这些问题都吸引着巴托斯。

生活中的物理学家

虽然着眼于天文、宇宙这样庞大的命题，并且在29岁的年纪已经有了一些重大的发现，但巴托斯并不以此为傲，他很愿意将自己知道的东西分享给更多人。

内尔·弗罗伊登伯格是科幻小说《迷失与渴望》的作者，在这本书中她描述了引力波的发现和LIGO天文台的工作原理。为了写好这本书，她与巴托斯讨论了很长时间，她说，“巴托斯很慷慨地给了她很多帮助”。

作为一个小说家，弗罗伊登伯格的数学基础远没有巴托斯那么扎实，她在请教巴托斯之前，很担心自己会被长篇大论的数学知识和基本原理淹没，但巴托斯主动告诉她，物理中只有简单的四则运算，除非计算出错了，否则不需要讨论数学知识。

不仅如此，比起枯燥的基本原理，巴托斯更喜欢以生活中的现象来解释他热爱的一切，比如黑洞。有一天，弗罗伊登伯格在公园里与巴托斯谈论黑洞，他用公园里的树木和松鼠来比喻了黑洞，就像树木的树洞如此多而常见，黑洞在宇宙中也有很多，或大或小，或远或近。黑洞能吞噬所有附近的物质，但是被吞进去的东西并不会消失，只是变了个样子。比如春天，松鼠在树洞里藏了许多坚果，冬天来看时却只剩下吃剩的坚果壳。而且，就像我们能通过查看树洞里的脚印判断是谁偷吃了坚果一样。我们如果能找到被黑洞吞噬的物质在时空中留下的脚印——引力波，那就能判断是谁在什么时候进入了黑洞。其中起作用的力量虽然不同，但是黑洞却与树洞有这么多相似之处，黑洞似乎并没有想象中那么神秘。

巴托斯成功引起了弗罗伊登伯格的兴趣，她说，如果不再写小说，我会研究引力波。这是爱因斯坦曾预言存在却不可探测到的东西，但现在，科学家们已经探测到了，我们对黑洞知道得又多了一些。

其实，物理学家也是普通人，他们的成功也许只是比别人更善于观察生活，比别人更专注，比别人想得更多一些。