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人类最后的预言家不但预言引力波存在,还引出黑洞暗物质时空旅行

2017-10-19  HNYZL

16日,包括中国在内的多国天文学家宣布首次通过光学、红外、紫外、高能、射电等多种电磁波段,直接探测到1.3亿光年外的双中子星合并产生的引力波及其伴随的电磁信号。

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至此,广义相对论长达百年正确与否的争论可以尘埃落定,它将迎来与量子理论的终极对决,同时,所有地球人将目光穿越时空,将敬仰和赞颂送给上世纪人类最后的一位预言大师:他完全凭借一己之力,依靠凭空想象和推测提出了一系列改变人类历史和科技走向的物理理论,这其中就包括预测引力波的存在。

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1905年是人类物理学历史上的第二个大奇迹年,在这一年,没有大学学位,没有自己的实验室,时任瑞士伯尔尼专利局三级技术审查员阿尔伯特·爱因斯坦一口气在德国的物理学杂志《物理学年鉴》上发表了五篇论文,其中三篇“称得上是物理学史上的最伟大的作品”,第一篇使用普朗克刚刚提出的量子理论审视光电效应,一篇论述悬浮小粒子的状况(即现在所谓的布朗运动),一篇概述了狭义相对论。第一篇解释了光的性质(还促使许多事情成为可能,其中包括电视),为作者赢得了一个诺贝尔奖。第二篇提供了证据,证明原子确实存在,这个事实过去一直存在一些争议。第三篇完全改变了世界。

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这篇引出了后世所称为狭义相对论的《论动体的电动力学》无论是在表达方式还是在内容上,都是发表过的最优秀的科学论文之一。它没有脚注,也没有引文,几乎不用数学,没有提及影响过该论文或在该论文之前的任何作品,只是对一个人的帮助致以谢意。他是专利局的一名同事,名叫米歇尔·贝索,这是极其令人震惊的。可以说,爱因斯坦好像“全凭思索,独自一人,没有听取别人的意见就得出了结论。”在这篇论文中,他著名的等式E=MC²在这篇论文中并未出现,但出现在几个月以后的一篇短小的补充里。

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这个人类历史上最简洁最完美的能量守恒公式简单来说,指的是质量和能量是等价并且可以互相转换,它们不过是同一东西的两种形式:能量是获释的质量;质量是等待获释的能量。由于c2(光速的平方)是个大得不得了的数字,这个等式意味着,每个物体里都包含着极大的能量,这个等式直接促成了原子弹以及核聚变民用化的发明和出现,并间接地引出了暗物质的发现。

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同时,狭义相对论也解释了放射作用是怎么发生的:一块铀怎么源源不断地释放出强辐射能量,而又不像冰块那样融化。该理论解释了恒星为什么可以燃烧几十亿年而又不把燃料用尽。爱因斯坦用一个简单的公式,一下子使地质学家和天文学家的视界开阔了几十亿年。同时该理论还提到了时间膨胀和多维空间,尤其表明,光速是不变的,最快的,什么速度也超不过它。因此,这使我们一下子弄清了宇宙性质的核心。

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以上那些包罗万象的全新发现和创新牛逼吗?牛逼!

但是比起十年之后爱因斯坦提出的广义相对论来说,这些又算不上什么了。

这时候我们本文的主角要登上历史舞台了,这也是他能够提出广义相对论的主要诱因,它的名字叫“引力”。

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爱因斯坦之所以提出广义相对论,起码在一开始更像是想为引力问题找个答案。他很早就清楚地认识到,狭义相对论里缺少一样东西,那就是引力。狭义相对论之所以“狭义”,是因为它研究的完全是在无障碍的状态下运动的东西。但是,要是一个运动中的东西,尤其是光,遇到了比如引力这样的障碍会怎么样?在此后10年的大部分时间里,他一直在思索这个问题,最后于1916发表了题为《关于广义相对论的宇宙学思考》的论文。

广义相对论预测到了引力波、黑洞、宇宙常数等,直接将人类从经典物理学带入了现代物理学,也同时将地球人带入了宇宙和时空这样的宏观的领域,并使得时间旅行这样的超现实科幻情景成为了可能。

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在“广义相对论”的众多概念中,最具挑战性的,最难以用直觉体会的,在于时间是空间的组成部分这个概念。我们本能地把时间看作是永恒的,绝对的,不可改变的,相信什么也干扰不了它的坚定步伐。事实上,爱因斯坦认为,时间是可以更改的,不断变化的。时间甚至还有形状。它与三维空间结合在一起——用斯蒂芬·霍金的话来说是“无法解脱地交织在一起”——不可思议地形成了所谓的“时空”。

人类最后的预言家不但预言引力波存在,还引出黑洞暗物质时空旅行

而引力就是由于时空扭曲所造成的,任何有质量的物体加速运动都会对周围的时空产生影响,时空在伸展和压缩的过程中,会产生振动,这些振动就是引力波。这些波动,我们可以想象为将一块石子投入水中所掀起的涟漪,因此,引力波又被称为“时空涟漪”,他们应该是可以通过电磁波段可听或者可见的。

爱因斯坦在广义相对论中是这样描述的:“引力波以光速迅速扩散,充满整个宇宙。”

人类最后的预言家不但预言引力波存在,还引出黑洞暗物质时空旅行

一百年之后,科学实践证明这位不修边幅,头发如鸟窝,三岁才学会说话,在大学阶段并没有任何突出表现,也未显露出任何天才本色的爱因斯坦又对了。

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