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用一句话解释“引力波”,竟然是这样的...

 魚悦的图书馆 2016-06-26

2015年12月26日

来自LIGO和Virgo合作组织的科学家收到了一份意料之外的圣诞礼物

在首次探测到引力波信号仅3个月之后

高新激光干涉仪引力波天文台(Advanced LIGO)

两个探测器就再次记录到了新的引力波信号


跟上次一样,这一引力波信号源自于两个黑洞即将合二为一之时最后的相互绕转,这种现象被称为并合(coalescence)。尽管这一信号要比首次探测到的引力波信号更弱,但这一新发现的置信度仍然超过99.99999%。



【时长21'29'',建议在WiFi条件下观看视频】

视频选自 2016年#45 万有青年烩之#强行科普#




讲者介绍

李晋斌

凝聚态物理博士、南航物理系副教授。

平日里教教同学们物理,一不注意就聊起了科学家们的八卦,因此收获一批忠实粉丝;偶尔开开讲座,场面过于火爆只好临时换场地,见证了一场跑得比谁都快的人群瞬移。



时隔3个多月,LIGO再次探测到引力波信号,来源于距离地球14亿光年的两个黑洞的并合。

图片来源:iop.org


有人说:引力很常见呀,我们每天不是感受得到吗?

其实引力的确是时时刻刻感受得到它的存在,最有名的故事就是那只改变人类历史走向的三只苹果之一,另外两只砸中夏娃、乔布斯。




但是因为引力常数太小了,所以对于质量如你我的物体之间引力是感受不到的:你感受不到旁边朋友的引力,只有质量大到地球才能有可观的引力。但引力波完全不同于引力,正如电场不同于电磁波,一个电荷可形成电场,但他无法产生电磁波,引力亦如此,一个天体可以产生引力,但无法产生可观测的引力波。



在我们观测到引力波之前,他已经是科幻界的宠儿,很多科幻作品、影视都有他的身影,如《星际穿越》。



在该影视作品中,对于引力波的作用更是描述的活灵活现,让人身临其境。


而当我们看到“穿越虫洞、五维空间、以引力降维传递信息”等情节时,“三体迷”们兴奋了,他们惊呼“诺兰肯定看过《三体》!”



首先肯定一下两者之间相似的地,主题上都讲述了一个人类文明向外太空寻求生存的故事;《星穿》中的冬眠装置同样出现在《三体》中,帮助罗辑和庄颜度过漫长的过渡时代,将生命延续到新的纪元;而布兰德教授“只送胚胎”的腹黑计划,也与为达目的不惜一切代价的面壁者韦德神似,那句“不要温和地走进那个良夜”简直就是韦德所说的“前进,前进,不择手段地前进,把你妈卖进妓院也得前进”的翻版;而库珀Cooper进入五维空间,并通过引力向女儿传递黑洞中的量子数据以完整拯救人类大计,更是与《三体》中的高维空间极其相似。


我们来看看《三体3》中的这段描写:




对于亲历过四维空间的人来说,高维空间感是最难用语言描述的……他们常用两面相对的镜子来类比:这时在任何一面镜子中都可以看到被复制的无数面镜子,一个向深处无限延伸的镜子长廊,如果作为类比,长廊中每面镜子就都是一个三维空间……描述高维空间感的难处在于,置身于四维空间中的人们看到的空间也是均匀和空无一物的,但有一种难以言表的纵深感。这种纵深不能用距离来描述,它包含在空间的每一个点中。关一帆后来的一句话成为经典:“方寸之间,深不见底啊。” 


诺兰几乎是用光影将大刘(刘慈欣)的这段描写原原本本地展示在大银幕上。





其实这种表现形式早已有之,最著名的就是埃舍尔的画



那么,“三体”究竟是啥?


它是中文科幻小说扛鼎之作,为一部获得雨果奖的亚洲作品。

三体除了提到高维到低维跃迁,也提到引力波作为通讯工具,因为电磁波衰减太快(《三体III·黑暗森林》第79页)。此外还提到了两种星际通讯工具,即引力波、中微子,并对引力波接收做了较详尽的描述。

其实这正是人类1969年第一次探测到引力波的装置再现。该装置现在LIGO科普博物馆里。


(LIGO 、LISA示意图)


至于刘慈欣提到的第二种星际通讯工具,中微子,在物理学界中对其的研究要比引力波深入的多,但作为通讯工具,应该也有很长的路要走




但真正有希望实现星际通讯的是量子通讯

刘慈欣在三体中没有明确提及,但已赋予她星际通讯功能的“智子”——一个集神秘、美丽、智慧、果敢、英武于一身的日本人女子。在三体中,尽管她的威力不是最大的(比如后来的水滴、改为空间碎块以及将太阳系二维化的二向箔),但她却是最神奇、刻画最生动、鲜活的。三体三部曲没有一个贯穿始终的人类主角,倒是三体人制造出的可以低维展开监控整个人类,亦可化身与人类相仿的日本女人的“智子”贯穿三部曲。

“智子”则明显是一个可以完成量子通讯的“机器”,三体人的智子与地球的智子始终纠缠,瞬时完成量子通讯。



电影《星际迷航》中最酷的台词是:“传送我,斯科特!”

剧中远距传送装置能够瞬间传送宇航员。这是利用量子纠缠的量子传输。《科学美国人》2000年4月专门有一篇文章解释这一现象。


其实《阿凡达》也是基于类似的桥段,灵魂的传输是纳威人的本能,而地球就是将思维一直到你的“阿凡达”!英文“阿凡达”avatar正是化身的意思。电影的设定,不论地球人还是纳威人,只能将人的灵魂从一个身体传到另一个身体里,而不能让两个身体具有同一个灵魂,严格遵守“量子不可克隆原理”。



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