關(guān)注量子科學(xué)
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》 正版圖書全場(chǎng)免郵 長(zhǎng)按圖書封面“識(shí)別二維碼”即可購買 購買了這本書,你其實(shí)買了兩本書——人物傳記,物理科普。 第一章懵懂歲月 量子倫理 量子科學(xué) 宇宙探秘 時(shí)空本質(zhì) 意識(shí)靈性 科學(xué)啟蒙 星際穿越 科學(xué)史話
|
|