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600字能八卦引力波的前世今生吗?

2016-02-18  泉佳美

关注量子科学探究宇宙奥秘


一、它是谁,从何而来?


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瞧,太阳让它周围的时空弯曲了,搞出一个“坑”。


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然而,对于引力波的微弱,如此精密的探测仪仍显太糙,不够精密,所以,科学家们搞出各种提高精度的黑科技,拿来给LIGO升级。


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》



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  购买了这本书,你其实买了两本书——人物传记,物理科普。 
  既可以领略爱因斯坦波澜壮阔的一生,又可以八卦他鲜为人知的故事,还可以顺便学学相对论的基本原理,见证现代物理大厦的奠基。 
  科学,文科生也看得懂; 
  文学,理科生也涨知识; 
  哲学,挂科生也开脑洞。 
  文盲作者的口号是:好读、易懂、轻松、幽默,拒绝诘屈聱牙、各种装B。


第一章懵懂岁月 
怪小孩 
我要移民 
校园初恋 
第二章科学之光 
坏学生 
失恋 
再次恋爱 
关于生活 
第三章从技术员到教授 
奇迹再现 
没有奇迹 
真正的开始 
婚姻与爱情 
第四章狭义相对论及其他 
一、世界是什么 
分子、原子和量子 
时间、空间、能量 
二、颠覆世界 
新世界 
质能关系 
四维时空 
光障VS中微子 
第五章家人宇宙 
从苏黎世到柏林 
世界大战 
引力之谜 
第六章广义相对论及其他 
一、山重水复 
一个矛盾与一个BUG 
等效原理 
重新认识一下质量 
光线弯曲 
空间弯曲 
爱因斯坦圆盘 
二、柳暗花明 
超级武器 
测地线 
张量 
三、铁证如山 
光线偏折 
水星进动 
引力红移 
精益求精 
引力波 
参考系拖曳 
第七章荣誉与生活 
超级巨星 
感情生活 
诺贝尔奖 
第八章战争与和平 
爱情是什么 
国家公敌 
平凡世界 
后 记


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