|
关注量子科学
12342月11日以来，引力波刷爆了MP、PC、TV各种屏，一直在冷宫颐养天年的物理科普突然被连连翻牌，却只要一个姿势：解释引力波。 1234而要真正涨姿势，陛下们还要知道：引力波并不是突然冒出来的，它从宇宙诞生时起，就在时空中纵横穿越了至少138亿年。它生于宇宙，也改造了宇宙。 1234直到100年前，爱因斯坦才用一款神奇的公式预言了它的存在。依据就是他创立的广义相对论。相对论认为： 1234时间、空间是一体的，我们管它叫“时空”。一维时间+三维空间=四维时空。 1234时、空都是相对的，它们看上去古板恒定，实际上风情万种，遇上质量、速度，更是hold不住，各种变形：速度越快、质量越大，时间就越慢，时空弯曲就越厉害。 1234这就是各种时空穿越的由来。 1234质量可以让时空弯曲，人类想象不出来四维的弯曲啥样，于是用二维弯曲来类比：
1234请听题，如果扔一个小球过去，球会怎么走？ 1234那得看速度： 1234太慢，它会落到坑底，也就是掉进太阳； 1234太快，它的路线会在坑里弯一下，然后逃出坑继续走直线； 1234如果速度刚刚好，它会在坑里一圈一圈地绕太阳转（这是时空，不要考虑摩擦力）。 1234所以引力的真相是——时空弯曲。 1234速度，是克服引力，也就是“出坑”的绝招。这就是为什么光可以轻松逃脱太阳，而地球却死也不能。 1234现在想象一下，时空如水，如果这枚太阳运动起来，会怎么样呢？ 1234当然会荡起时空涟漪。传播速度是光速。 1234这美丽的涟漪，就是引力波。
二、为啥那么难测？ 1234579字用完，给陛下八卦引力波前世今生的任务已经完成。然而朕知道，陛下的疑惑更大了：引力波如此剽悍，存在了400万年的人类，为什么却对它毫无知觉？ 1234爱因斯坦已经预言了100年，这100年，人类科技大爆发，却为什么直到今天才探测到它？ 1234主要原因有两点： 1234一是效应弱。一根长20米，直径1.6米，重500吨的圆棒，即使以每秒28转的濒临断裂的极限速度转动，所发射的引力波功率也只有2.2×10^-19瓦，功率弱爆了，无法察觉。 1234二是尺度大。只有在宇宙大尺度下，引力波才能显现出来。咱俩在月亮上鸟瞰地球海面，很容易感受到海面的弯曲，但是身在海水中的一条鱼，就无法感受到海面的弯曲。把引力波比作大海，地球就是那条鱼。 1234那么，引力波会对物质造成啥影响呢？ 1234物质可以随时空的舞动而拉伸和收缩，却不会被改变。 1234我们把果冻比作时空，把里面的果肉比作物质，那么，果冻发生波动时，果肉也会随之波动，固态物质的所谓波动，实质上就是拉伸和收缩过程。 1234既然有拉伸和收缩，是不是就容易检测了呢？ 1234当然不是。无论什么，必须达到一定的量，才可以被检测到。 1234即使是大质量黑洞相撞这样的大动作，其引力波传到地球上，也只能造成大概10^-18米/千米程度的改变。直观地说，它会使帝国大厦的高度改变一个质子宽度的百分之一！ 1234一个质子有多宽呢？它大概是一个原子宽度的千分之一。 1234原子有多宽呢？把一根头发的宽度平均分成一百万份，其中一份，大概就是一个原子的宽度了。 1234我随便在大厦里跺一脚，它的颤动也不止这些吧？这个太难测了，那个还是不要测了吧？
1234不行。必须测。
三、为啥非要测？ 1234因为它的意义太重大了！ 1234它不仅可以验证广义相对论、宇宙大爆炸等理论，还可以推动科技大发展。 1234掌握了引力波的接收和探测技术，很多我们原来看不见、不知道的东西，就会神一般地降临在我们眼前，世界将更加清晰、更加透明、更加绚丽多彩！ 1234这相当于高度近视戴上了合适的眼镜——不戴它死不了，但有了它死也要戴。
四、怎么测？ 1234爱因斯坦预言了引力波，然后看了看当时的技术，又做出了一个预言：引力波永远无法探测。 1234然而，50年后，美国物理学家约瑟夫·韦伯建造了第一台引力波探测器：一根直径1.5米，长2米的铝棒。如果引力波打酱油路过，铝棒将随波伸缩。 1234工具这么糙，引力波那么弱，说不定打个嗝引起的效应，都比引力波的效应大呢！所以就算引力波撩过铝棒了，我们又怎么确定哪个是引力波、哪个是打嗝呢？ 1234科学家用了个相当聪明的笨办法：再造一个探测器，让它俩天南海北分开安置，同时记录探测信息，这样，两个探测器记录信息不一致，那就是噪音；两个探测器在相同时间记录到同样的信息，那八成是引力波。因为无论是打嗝、打雷还是打炮，统统做不到同时对两个远隔千里的探测器造成同样的干扰。 1234然而，再高明的办法，也只是软件，硬件太low也不灵。 1234所以，人类很快就用“激光干涉仪”来探测引力波，所谓的光，是电磁波的一部分。 1234电磁波和水波一样，两波相遇，不是大者胜，而是发生干涉，波长不同、相遇位置不同，干涉条纹也不同。科学家根据条纹，就能倒推出两束光是怎么发生干涉的。 1234根据这个原理，人类设计了新版探测器：一束激光被一分为二，在两个长4000米、互相垂直的真空干涉臂中分射，射向到臂端的反射镜，然后被反射回出发点，发生干涉，臂的长度发生一点点变化，干涉条纹就会随之变化。 12341991年，美国国家科学基金会赞助麻省理工，建造了两台孪生干涉仪，分别放在华盛顿和路易斯安那两个洲，相隔3000公里，这组引力波探测仪就是LIGO。
1234经过几次重大升级，终于，LIGO 2015版对时空微澜有了第一次感觉：那是13亿光年外的两颗黑洞合体时激起的波澜。 123413亿年前，藻啊、菌啊这些简单生命刚刚在地球上快活地玩耍、繁殖。 1234远在13亿光年之外，一颗29倍太阳质量的黑洞和一颗36倍太阳质量的黑洞相遇、相拥，最终合体，滚了时空床单，激情的涟漪以光速在宇宙深空扩散。 123413亿年后，一段微澜掠过地球，藻菌的后代用一个奇怪的仪器LIGO，探测了时空床单的那一抹微颤。 1234波形、频率等各种数据完美符合爱因斯坦公式的计算。 1234地球一片欢呼。 五、爱因斯坦靠什么准确预测引力波？ 1234理论物理，除了靠高智商之外，更要靠严谨的科学方法和深厚的科学知识积累，这不是看些古书，然后天降神迹恍然开悟就可以办到的。所以那些“几千年前的古人就已经预测到×××、某某科学发现证明了佛学（或上帝、安拉等）、科学翻过一座山发现神学已经在这等了几千年”之类的意淫就歇了吧。 1234实际上，所有的科普，都只能让非专业人士了解个大致轮廓。非专业人士拿古书各种牵强解释，来附会这个轮廓，相当可笑。 1234相对论发布之初，几乎所有人都认为，它是错误的，相对论跟牛顿体系有矛盾，跟古人的各种观点更是格格不入。但是，它的公式所预言的光线弯曲、水星进动、引力红移、钟慢效应、尺缩效应、时空拖曳等，一个一个被证实，理论与观测符合的精度最高已经到达小数点以后14位数！这是人类理性预测与观测符合的最高精度，没有之一。 1234而引力波，由于效应太弱，一直无法直接探测到，被称为验证相对论的最后一块缺失的拼图。如今，拼图完整了，各路神仙土地照例扑上来摘果子。 1234但是，这些神仙土地没有真正理解： 1234能准确计算13亿光年外两个黑洞的体重，以及它俩滚床单的波形、频率、强度，这样的公式是怎么得出的？
1234凭着几条简单的、看上去有些匪夷所思的基本原理，如何建立起巍峨的相对论，为现代物理学大厦奠基？ 1234爱因斯坦如何凭着超凡入圣的想象力，引导自己的理性去发现世界真相，颠覆人类熟悉的经验世界？ 1234世界的真相，为什么要用动辄几十页、上百页的公式去推导？为什么不能靠聪明去“豁然开悟”？ 1234为什么要动用海量财力、物力去验证一个理论？ 1234为什么那么多高智商天才放着高薪工作不干，非要拿着微薄的报酬去守候一个未知的结果？ 作者:刘继军 著有《爱因斯坦 想象颠覆世界》 正版图书全场免邮 长按图书封面“识别二维码”即可购买 购买了这本书，你其实买了两本书——人物传记，物理科普。 第一章懵懂岁月
|
|
|
探究宇宙奥秘
