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600字能八卦引力波的前世今生嗎?

 泉佳美 2016-02-18

關(guān)注量子科學(xué)探究宇宙奧秘


一、它是誰,從何而來?


12342月11日以來,引力波刷爆了MP、PC、TV各種屏,一直在冷宮頤養(yǎng)天年的物理科普突然被連連翻牌,卻只要一個(gè)姿勢(shì):解釋引力波。


1234而要真正漲姿勢(shì),陛下們還要知道:引力波并不是突然冒出來的,它從宇宙誕生時(shí)起,就在時(shí)空中縱橫穿越了至少138億年。它生于宇宙,也改造了宇宙。


1234直到100年前,愛因斯坦才用一款神奇的公式預(yù)言了它的存在。依據(jù)就是他創(chuàng)立的廣義相對(duì)論。相對(duì)論認(rèn)為:


1234時(shí)間、空間是一體的,我們管它叫“時(shí)空”。一維時(shí)間+三維空間=四維時(shí)空。


1234時(shí)、空都是相對(duì)的,它們看上去古板恒定,實(shí)際上風(fēng)情萬種,遇上質(zhì)量、速度,更是hold不住,各種變形:速度越快、質(zhì)量越大,時(shí)間就越慢,時(shí)空彎曲就越厲害。


1234這就是各種時(shí)空穿越的由來。


1234質(zhì)量可以讓時(shí)空彎曲,人類想象不出來四維的彎曲啥樣,于是用二維彎曲來類比:


1234瞧,太陽讓它周圍的時(shí)空彎曲了,搞出一個(gè)“坑”。


1234請(qǐng)聽題,如果扔一個(gè)小球過去,球會(huì)怎么走?


1234那得看速度:


1234太慢,它會(huì)落到坑底,也就是掉進(jìn)太陽;


1234太快,它的路線會(huì)在坑里彎一下,然后逃出坑繼續(xù)走直線;


1234如果速度剛剛好,它會(huì)在坑里一圈一圈地繞太陽轉(zhuǎn)(這是時(shí)空,不要考慮摩擦力)。


1234所以引力的真相是——時(shí)空彎曲。


1234速度,是克服引力,也就是“出坑”的絕招。這就是為什么光可以輕松逃脫太陽,而地球卻死也不能。


1234現(xiàn)在想象一下,時(shí)空如水,如果這枚太陽運(yùn)動(dòng)起來,會(huì)怎么樣呢?


1234當(dāng)然會(huì)蕩起時(shí)空漣漪。傳播速度是光速。


1234這美麗的漣漪,就是引力波。

 

二、為啥那么難測(cè)?


1234579字用完,給陛下八卦引力波前世今生的任務(wù)已經(jīng)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400萬年的人類,為什么卻對(duì)它毫無知覺?


1234愛因斯坦已經(jīng)預(yù)言了100年,這100年,人類科技大爆發(fā),卻為什么直到今天才探測(cè)到它?


1234主要原因有兩點(diǎn):


1234一是效應(yīng)弱。一根長(zhǎng)20米,直徑1.6米,重500噸的圓棒,即使以每秒28轉(zhuǎn)的瀕臨斷裂的極限速度轉(zhuǎn)動(dòng),所發(fā)射的引力波功率也只有2.2×10^-19瓦,功率弱爆了,無法察覺。


1234二是尺度大。只有在宇宙大尺度下,引力波才能顯現(xiàn)出來。咱倆在月亮上鳥瞰地球海面,很容易感受到海面的彎曲,但是身在海水中的一條魚,就無法感受到海面的彎曲。把引力波比作大海,地球就是那條魚。


1234那么,引力波會(huì)對(duì)物質(zhì)造成啥影響呢?


1234物質(zhì)可以隨時(shí)空的舞動(dòng)而拉伸和收縮,卻不會(huì)被改變。


1234我們把果凍比作時(shí)空,把里面的果肉比作物質(zhì),那么,果凍發(fā)生波動(dòng)時(shí),果肉也會(huì)隨之波動(dòng),固態(tài)物質(zhì)的所謂波動(dòng),實(shí)質(zhì)上就是拉伸和收縮過程。


1234既然有拉伸和收縮,是不是就容易檢測(cè)了呢?


1234當(dāng)然不是。無論什么,必須達(dá)到一定的量,才可以被檢測(cè)到。


1234即使是大質(zhì)量黑洞相撞這樣的大動(dòng)作,其引力波傳到地球上,也只能造成大概10^-18米/千米程度的改變。直觀地說,它會(huì)使帝國大廈的高度改變一個(gè)質(zhì)子寬度的百分之一!


1234一個(gè)質(zhì)子有多寬呢?它大概是一個(gè)原子寬度的千分之一。


1234原子有多寬呢?把一根頭發(fā)的寬度平均分成一百萬份,其中一份,大概就是一個(gè)原子的寬度了。


1234我隨便在大廈里跺一腳,它的顫動(dòng)也不止這些吧?這個(gè)太難測(cè)了,那個(gè)還是不要測(cè)了吧?

 

1234不行。必須測(cè)。

 

三、為啥非要測(cè)?


1234因?yàn)樗囊饬x太重大了!


1234它不僅可以驗(yàn)證廣義相對(duì)論、宇宙大爆炸等理論,還可以推動(dòng)科技大發(fā)展。


1234掌握了引力波的接收和探測(cè)技術(shù),很多我們?cè)瓉砜床灰?、不知道的東西,就會(huì)神一般地降臨在我們眼前,世界將更加清晰、更加透明、更加絢麗多彩!


1234這相當(dāng)于高度近視戴上了合適的眼鏡——不戴它死不了,但有了它死也要戴。

 

四、怎么測(cè)?


1234愛因斯坦預(yù)言了引力波,然后看了看當(dāng)時(shí)的技術(shù),又做出了一個(gè)預(yù)言:引力波永遠(yuǎn)無法探測(cè)。


1234然而,50年后,美國物理學(xué)家約瑟夫·韋伯建造了第一臺(tái)引力波探測(cè)器:一根直徑1.5米,長(zhǎng)2米的鋁棒。如果引力波打醬油路過,鋁棒將隨波伸縮。


1234工具這么糙,引力波那么弱,說不定打個(gè)嗝引起的效應(yīng),都比引力波的效應(yīng)大呢!所以就算引力波撩過鋁棒了,我們又怎么確定哪個(gè)是引力波、哪個(gè)是打嗝呢?


1234科學(xué)家用了個(gè)相當(dāng)聰明的笨辦法:再造一個(gè)探測(cè)器,讓它倆天南海北分開安置,同時(shí)記錄探測(cè)信息,這樣,兩個(gè)探測(cè)器記錄信息不一致,那就是噪音;兩個(gè)探測(cè)器在相同時(shí)間記錄到同樣的信息,那八成是引力波。因?yàn)闊o論是打嗝、打雷還是打炮,統(tǒng)統(tǒng)做不到同時(shí)對(duì)兩個(gè)遠(yuǎn)隔千里的探測(cè)器造成同樣的干擾。


1234然而,再高明的辦法,也只是軟件,硬件太low也不靈。


1234所以,人類很快就用“激光干涉儀”來探測(cè)引力波,所謂的光,是電磁波的一部分。


1234電磁波和水波一樣,兩波相遇,不是大者勝,而是發(fā)生干涉,波長(zhǎng)不同、相遇位置不同,干涉條紋也不同??茖W(xué)家根據(jù)條紋,就能倒推出兩束光是怎么發(fā)生干涉的。


1234根據(jù)這個(gè)原理,人類設(shè)計(jì)了新版探測(cè)器:一束激光被一分為二,在兩個(gè)長(zhǎng)4000米、互相垂直的真空干涉臂中分射,射向到臂端的反射鏡,然后被反射回出發(fā)點(diǎn),發(fā)生干涉,臂的長(zhǎng)度發(fā)生一點(diǎn)點(diǎn)變化,干涉條紋就會(huì)隨之變化。


12341991年,美國國家科學(xué)基金會(huì)贊助麻省理工,建造了兩臺(tái)孿生干涉儀,分別放在華盛頓和路易斯安那兩個(gè)洲,相隔3000公里,這組引力波探測(cè)儀就是LIGO。


1234然而,對(duì)于引力波的微弱,如此精密的探測(cè)儀仍顯太糙,不夠精密,所以,科學(xué)家們搞出各種提高精度的黑科技,拿來給LIGO升級(jí)。


1234經(jīng)過幾次重大升級(jí),終于,LIGO 2015版對(duì)時(shí)空微瀾有了第一次感覺:那是13億光年外的兩顆黑洞合體時(shí)激起的波瀾。


123413億年前,藻啊、菌啊這些簡(jiǎn)單生命剛剛在地球上快活地玩耍、繁殖。


1234遠(yuǎn)在13億光年之外,一顆29倍太陽質(zhì)量的黑洞和一顆36倍太陽質(zhì)量的黑洞相遇、相擁,最終合體,滾了時(shí)空床單,激情的漣漪以光速在宇宙深空擴(kuò)散。


123413億年后,一段微瀾掠過地球,藻菌的后代用一個(gè)奇怪的儀器LIGO,探測(cè)了時(shí)空床單的那一抹微顫。


1234波形、頻率等各種數(shù)據(jù)完美符合愛因斯坦公式的計(jì)算。


1234地球一片歡呼。


五、愛因斯坦靠什么準(zhǔn)確預(yù)測(cè)引力波?


1234理論物理,除了靠高智商之外,更要靠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)方法和深厚的科學(xué)知識(shí)積累,這不是看些古書,然后天降神跡恍然開悟就可以辦到的。所以那些“幾千年前的古人就已經(jīng)預(yù)測(cè)到×××、某某科學(xué)發(fā)現(xiàn)證明了佛學(xué)(或上帝、安拉等)、科學(xué)翻過一座山發(fā)現(xiàn)神學(xué)已經(jīng)在這等了幾千年”之類的意淫就歇了吧。


1234實(shí)際上,所有的科普,都只能讓非專業(yè)人士了解個(gè)大致輪廓。非專業(yè)人士拿古書各種牽強(qiáng)解釋,來附會(huì)這個(gè)輪廓,相當(dāng)可笑。


1234相對(duì)論發(fā)布之初,幾乎所有人都認(rèn)為,它是錯(cuò)誤的,相對(duì)論跟牛頓體系有矛盾,跟古人的各種觀點(diǎn)更是格格不入。但是,它的公式所預(yù)言的光線彎曲、水星進(jìn)動(dòng)、引力紅移、鐘慢效應(yīng)、尺縮效應(yīng)、時(shí)空拖曳等,一個(gè)一個(gè)被證實(shí),理論與觀測(cè)符合的精度最高已經(jīng)到達(dá)小數(shù)點(diǎn)以后14位數(shù)!這是人類理性預(yù)測(cè)與觀測(cè)符合的最高精度,沒有之一。


1234而引力波,由于效應(yīng)太弱,一直無法直接探測(cè)到,被稱為驗(yàn)證相對(duì)論的最后一塊缺失的拼圖。如今,拼圖完整了,各路神仙土地照例撲上來摘果子。


1234但是,這些神仙土地沒有真正理解:


1234能準(zhǔn)確計(jì)算13億光年外兩個(gè)黑洞的體重,以及它倆滾床單的波形、頻率、強(qiáng)度,這樣的公式是怎么得出的?

 

1234憑著幾條簡(jiǎn)單的、看上去有些匪夷所思的基本原理,如何建立起巍峨的相對(duì)論,為現(xiàn)代物理學(xué)大廈奠基?


1234愛因斯坦如何憑著超凡入圣的想象力,引導(dǎo)自己的理性去發(fā)現(xiàn)世界真相,顛覆人類熟悉的經(jīng)驗(yàn)世界?


1234世界的真相,為什么要用動(dòng)輒幾十頁、上百頁的公式去推導(dǎo)?為什么不能靠聰明去“豁然開悟”?


1234為什么要?jiǎng)佑煤A控?cái)力、物力去驗(yàn)證一個(gè)理論?


1234為什么那么多高智商天才放著高薪工作不干,非要拿著微薄的報(bào)酬去守候一個(gè)未知的結(jié)果?


作者:劉繼軍  著有《愛因斯坦 想象顛覆世界》



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  購買了這本書,你其實(shí)買了兩本書——人物傳記,物理科普。 
  既可以領(lǐng)略愛因斯坦波瀾壯闊的一生,又可以八卦他鮮為人知的故事,還可以順便學(xué)學(xué)相對(duì)論的基本原理,見證現(xiàn)代物理大廈的奠基。 
  科學(xué),文科生也看得懂; 
  文學(xué),理科生也漲知識(shí); 
  哲學(xué),掛科生也開腦洞。 
  文盲作者的口號(hào)是:好讀、易懂、輕松、幽默,拒絕詰屈聱牙、各種裝B。


第一章懵懂歲月 
怪小孩 
我要移民 
校園初戀 
第二章科學(xué)之光 
壞學(xué)生 
失戀 
再次戀愛 
關(guān)于生活 
第三章從技術(shù)員到教授 
奇跡再現(xiàn) 
沒有奇跡 
真正的開始 
婚姻與愛情 
第四章狹義相對(duì)論及其他 
一、世界是什么 
分子、原子和量子 
時(shí)間、空間、能量 
二、顛覆世界 
新世界 
質(zhì)能關(guān)系 
四維時(shí)空 
光障VS中微子 
第五章家人宇宙 
從蘇黎世到柏林 
世界大戰(zhàn) 
引力之謎 
第六章廣義相對(duì)論及其他 
一、山重水復(fù) 
一個(gè)矛盾與一個(gè)BUG 
等效原理 
重新認(rèn)識(shí)一下質(zhì)量 
光線彎曲 
空間彎曲 
愛因斯坦圓盤 
二、柳暗花明 
超級(jí)武器 
測(cè)地線 
張量 
三、鐵證如山 
光線偏折 
水星進(jìn)動(dòng) 
引力紅移 
精益求精 
引力波 
參考系拖曳 
第七章榮譽(yù)與生活 
超級(jí)巨星 
感情生活 
諾貝爾獎(jiǎng) 
第八章戰(zhàn)爭(zhēng)與和平 
愛情是什么 
國家公敵 
平凡世界 
后 記


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