|
一 牛顿的绝对时空及其万有引力定律 当我们谈论一件事件的时候,我们得首先知道这个事件发生在何时何处.这所有时间与空间的集合体,我们物理学家称之为时空,是所有事件发生的舞台.因此时空中的一点,就对应着某时某地.在这某时某地,可能发生了一件非常轰动的大事件,但也可能什么鸟事也没有发生.从这个意义来说,时空是独立于其间物质运动的一种存在. 那什么是牛顿的绝对时空观呢? 其有以下几个要素构成. 第一,存在一个不依赖于任何观者的绝对时间,时间相等的面构成了一个三维空间,空间几何是欧几里德的.我们因此可以用在中学学的那些几何去测长量宽. 第二,在这个时空中的观者或者物质的速度可以无限大.据此可知,在某个时刻发生的事件,可以影响到下个时刻任何一个地方.有了这样的绝对时空观,牛顿的万有引力定律就可以天然的镶嵌其中,因为其相互作用的传播是瞬时的.既然是瞬时的,就无所谓引力波.因为作为一种波,其总是要将在某时某处的形态,以一有限的速度传播到下个时刻的别处. 第三,在这个时空中作匀速直线运动的惯性观者是平权的.即不存在一个优越的,绝对静止的惯性参考系.如果把他们关在一个小黑屋里面,他们各自通过做实验,所发现的物理规律是一样的.因而他们没法分辨自己是静止还是运动.这也被称之为伽利略的相对性原理.牛顿的运动三定律以及前述万有引力定律便符合这个原理.虽然其中物体的位置,速度依赖于惯性参考系的选择,但是力,质量,以及加速度却不依赖惯性参考系的选择. 二 麦克斯韦的场方程及其电磁波 基于前人,特别是法拉第关于电磁感应的实验工作以及场的观念,麦克斯韦最终写出了描述电磁场的运动方程.特别的,其中为了坚守电荷守恒定律,麦克斯韦大胆的提出了位移电流假设,据此,变化的电场也可以生出磁场来.这最终使得麦克斯韦预言电磁场可以以电磁波的方式,独立于电荷电流而存在,并宣称光只不过是处于某一特定波长的电磁波.不同的电磁波,波长虽然不同,但都以光速传播.特别是经由赫兹的实验证实,自此人类进入到电磁波时代.我们不仅可以用肉眼去仰望星空,也可以用对各类波长敏感的天文望远镜,探索发生在宇宙深处的各类天体物理过程,从波长较长的射电波段一直到波长较短的伽玛射线.当然,电磁波也正服务于我们的日常生活. 不过,对于物理学家来说,也许麦克斯韦的电磁场理论最重要的物理意义是它蕴含着一种新的时空观.因为根据这一理论,电磁波传播的速度不仅不依赖于波长,也不依赖于惯性参考系的选择,恒为光速.可是根据牛顿的绝对时空观,速度是个惯性参考系依赖的量.如果你与光同向而行,去追光,光的速度应该变小了.爱因斯坦率先敏锐的意识到这一点,这最终导致了他的狭义相对论.
三 爱因斯坦的狭义相对论及其质能关系 狭义相对论下的时空观有以下几个要点. 其一,绝对时间以及绝对同时面让位于绝对时空间隔,这不仅使得两个事件间的空间间隔是观者依赖的,而且使得时间间隔也是观者依赖的.比如对于一个观者来说,如果两个事件同时发生,时间间隔为零,那么对于另外一个相对其运动的观者,这两个事件发生的时间间隔通常不为零,即一个在前,一个在后.特别的,根据这个绝对的时空间隔,不仅光速天生不依赖于惯性参考系的选择,而且你可以推演出不同惯性参考系之间的变换将由洛仑兹变换代替原来牛顿绝对时空观下的伽利略变换.而当两惯性观者相对运动速度很小的时候,伽利略变换可以作为洛仑兹变换很好的近似. 其二,在这个时空中的观者或者物质的速度不可能超光速.即光速是万物的极限速度. 其三,伽利略的相对性原理依然成立.只不过,这时物理规律不是在伽利略变换下是不变的,而是在洛仑兹变换下是不变的.前述麦克斯韦的场方程天生就是满足狭义相对论的时空观,在洛仑兹变换下是不变的.不过牛顿关于质点的运动三定律以及万有引力定律却需要修正改写,使之满足在洛仑兹变换下不变,而不是在原来的伽利略变换下不变. 对牛顿三定律的修改是直接而简单的.其中的一个副产品就是著名的质能关系,即能量等于质量与光速的平方.而对万有引力的修正却是异常困难的.爱因斯坦经过十年的苦思冥想,最终为我们建立了把万有引力与时空弯曲联系起来的美妙理论,即广义相对论. 四 爱因斯坦的广义相对论及其引力波 无论是牛顿的绝对时空观,还是爱因斯坦的狭义相对论,都默认时空是固定不动的舞台,供其中的演员,即物质按照其自身的运动规律在其间运动.而在爱因斯坦的广义相对论里,时空依然是舞台,但她也是一个独一无二的演员,可以在其间翩翩起舞.既然现在时空自身可以运动起来了,那么她就可能不总是处于平坦的状态. 实际上,其运动规律由爱因斯坦方程来描述.在爱因斯坦方程的左边,是时空几何的弯曲程度,而在爱因斯坦方程的右边,是其中物质能量运动的形式.所以这个方程告诉我们,物质运动决定了时空弯曲,而时空弯曲反过来又会影响其间的物质运动.从这个角度来说,爱因斯坦的广义相对论是一个关于时空动力学的理论.但同时,广义相对论也是关于万有引力的崭新理论.因为爱因斯坦意识到万有引力其实不是我们通常意义上说的力,而是时空弯曲的一种呈现. 比如说,苹果落地这件事,按照牛顿的观点,是因为其受地球的万有引力所致,而按照爱因斯坦的观点,是因为地球的存在,导致了其周围时空的弯曲,这弯曲的时空最终影响了苹果的自由运行.综上所述,爱因斯坦的广义相对论把时空与引力统一起来了. 既然物质运动会导致时空弯曲,那么当某处物质运动形式发生改变时,时空弯曲的程度也会改变,而且这种时空的弯曲变化会以光速向别处传播.这种时空的涟漪就被称之为引力波.根据广义相对论,引力波是横波.当引力波从宇宙深处传过来的时候,它会使得处于垂直于传播方向上的平面发生弯曲,从而使得在这个平面上两点之间距离发生变化.特别的,如果在一个方向上变短,就会在另外一个与之垂直的方向上变长.这种弯曲的效应自然会对其中物质运动产生影响.比如,因为光速总是不变的,所以光在两点间走动所花的时间会因为其间距离变化而发生相应的变化. 五 引力波的首次探测及其引领的新时代 激光干涉仪正是利用了这个效应会最终导致探测器上干涉条纹的变化来探测引力波的.具体一点来说,让一束激光通过分光镜在相互垂直的两臂走一遭再回到探测器.在没有引力波过来的时候,两臂等长,因此这两束激光会同时到达探测器,其中一束正好波峰抵达,而另一束正好波谷抵达.结果造成波峰波谷相消,探测器什么也看不到.而当引力波过来的时候,其中一臂被拉长,一臂被缩短.这就导致在短臂中走过的光到达探测器时,另一束光还没有到达.而当另一束光到达的时候,虽然其依然处于波谷,但先到的那束光却不再处于与之相消的波峰了.于是探测器上便会出现光信号.从这个意义上来说,激光干涉仪就是一秒表,可以用来测量哪一束光先到,哪一束光后到.据此再反推出从宇宙深处传来的引力波形态. 虽然原理如此简单,但具体的技术实现却并非易事.关键的难点是要消除大到地震,小到草动等各种噪音所造成的虚假信号,使得信噪比尽可能的高.之所以要提高信噪比,是因为引力是目前自然界四种基本相互作用中最弱的.因而由物质运动变化所产生的引力波也是非常微弱的.另一方面,我们也需要数值相对论学家提供给数据分析专家一个由广义相对论预言的各类波源所发出的引力波模板的档案库.然后,数据分析专家把所探测到的引力波信号与这个档案库里的一个个模板进行比对,最终确认出疑似引力波波源来.所以,这次对13亿年前两个30个太阳质量左右的黑洞相互缠绕,并合并稳定为一个旋转的黑洞所释放引力波的探测,不仅仅是对爱因斯坦广义相对论预言的又一次证实,也是基础科学,工程技术,数值模拟,以及数据分析成功合作的典范. 但也许更为重要的是,自此我们进入了由引力波引领的新时代.过去,我们本质上是通过太空中发过来的各种波段的电磁波来探索宇宙,而现在有了引力波,我们便可以窥探电磁波没法触及的宇宙深处.我们可以透过引力波了解宇宙大爆炸的瞬间景观,这可以帮助我们理解为何我们的宇宙发生了这场大爆炸.我们也可以通过引力波聆听宇宙大爆炸10万年后所处黑暗时代发出的声响,这可以帮助我们了解宇宙中第一颗恒星是如何诞生的.当然,我们还可以通过引力波来理解黑洞的演化,中子星的物态,以及暗物质与暗能量的本质.我们甚至可以遐想利用引力波来与遥远的外星文明进行通讯.因为引力很弱,所以引力波在传播的过程中基本不受其它物质的干扰,可以一往无前的把要传达的讯息真切的传到宇宙的那一端.特别的,假想我们的宇宙只是额外维中的一个膜世界,在这个额外维中也存在着另外一个膜世界,即另外一个平行宇宙.于是我们只有通过引力波才可以在这两个平行的宇宙间进行对话,因为电磁波被限制在膜世界上,没法在额外维中传播.
|
|
|
