 2017年10月16日，全球多國(guó)科學(xué)家同步舉行新聞發(fā)布會(huì)，宣布人類第一次直接探測(cè)到來(lái)自雙中子星合并的引力波，并同時(shí)“看到”這一壯觀宇宙事件發(fā)出的電磁信號(hào)。  很多同學(xué)聽(tīng)到這則新聞時(shí)是非常懵的，因?yàn)椴⒉恢腊l(fā)現(xiàn)引力波是啥，有何重大意義。但我們都知道，在物理學(xué)中，有機(jī)械波、電磁波(光波)、物質(zhì)波以及引力波這些概念?！安ā奔缺挥脕?lái)表示一種運(yùn)動(dòng)的形式，也被當(dāng)作存在的形式。下面小猿就為大家分析一下這些波的含義。讓同學(xué)們?cè)诶斫馕锢碇R(shí)的同時(shí)，了解引力波的發(fā)現(xiàn)對(duì)我們生活的意義。 1.機(jī)械振動(dòng)與機(jī)械波  固體經(jīng)歷微小形變時(shí)，振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)有某種一致性。舉例來(lái)說(shuō)，縫紉機(jī)上踏板來(lái)回振動(dòng)會(huì)轉(zhuǎn)化為傳動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)又轉(zhuǎn)化為縫紉針的上下振動(dòng)。振動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)之間的轉(zhuǎn)換，正是工業(yè)文明的基礎(chǔ)。 振動(dòng)波被當(dāng)作經(jīng)典物理中談?wù)摬ǖ幕A(chǔ)，甚至成了波的化身，但它們遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以反映機(jī)械波的復(fù)雜性。比如，1834年英國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)水渠中行駛的船頭總有一個(gè)高高的浪頭。此現(xiàn)象涉及的淺水波概念被稱為孤立波。 2.光的波動(dòng)說(shuō)  光充滿宇宙。牛頓認(rèn)為光是由顆粒組成的。雨絲里有一個(gè)個(gè)的小雨滴，那光線也可能是由分立的顆粒組成的，只是顆粒個(gè)頭太小不易分辨而已。荷蘭的惠更斯比較水波的形象和燭光搖曳的影子，認(rèn)為光應(yīng)該是水波那樣的波，這就是光的波動(dòng)說(shuō)。此時(shí)的光是一種波，是某種物質(zhì)的振動(dòng)。 3.麥克斯韋與電磁波  1861-1862年間，英國(guó)人麥克斯韋在總結(jié)前人電磁學(xué)研究的基礎(chǔ)上，提出兩個(gè)具有重要物理意義的發(fā)現(xiàn)： 1)電磁場(chǎng)可以是波； 2)電磁波的波速等于光速，這意味著光是電磁波。  1887年，德國(guó)人赫茲在實(shí)驗(yàn)裝置電路旁用一根導(dǎo)線連著的兩個(gè)鋅球之間引起了電火花，這說(shuō)明電磁場(chǎng)從線路中溢出來(lái)了。這個(gè)實(shí)驗(yàn)被看作是第一次產(chǎn)生了電磁波，不過(guò)同樣重要的是，它第一次讓人們注意到了光電效應(yīng)。既然實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了電磁波，且速度就是光速，得出光是電磁波的結(jié)論也就水到渠成了。 今天的觀點(diǎn)是：電磁波是場(chǎng)，它本身就是存在，它憑借自身向遠(yuǎn)處傳播。 4.光的粒子說(shuō)、物質(zhì)波與量子力學(xué)波函數(shù)  1900年，普朗克成功擬合了黑體輻射的實(shí)驗(yàn)曲線；1905年，愛(ài)因斯坦更進(jìn)一步，解釋了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。提出明確的頻率或波長(zhǎng)概念，其能量和動(dòng)量則分別是hν和h/λ。常數(shù)h被稱為普朗克常數(shù)。普朗克常數(shù)，便是量子力學(xué)的標(biāo)簽。 光是波還是粒子的觀念，還激發(fā)了法國(guó)人德布羅意的靈感：如果光既是(水)波又是粒子，那么作為粒子的電子是否也是波，或者說(shuō)也會(huì)表現(xiàn)出波的行為？1924年，德布羅意提出了物質(zhì)波的概念：電子這樣的粒子也是波，相應(yīng)的波長(zhǎng)和頻率由粒子的能量E和動(dòng)量p給出。這便涉及傅里葉分析。 5.傅里葉分析  傅里葉級(jí)數(shù)是法國(guó)人傅里葉在研究傳熱問(wèn)題時(shí)得到的。圓周運(yùn)動(dòng)上疊加圓周運(yùn)動(dòng)是很容易得到各種可能不是很光滑的圖形的，包括棱角分明的三角形——這是數(shù)學(xué)的威力。在近2個(gè)世紀(jì)的發(fā)展后，傅里葉分析的研究領(lǐng)域已從直線群、圓周群擴(kuò)展到一般的抽象群。 傅里葉分析作為數(shù)學(xué)的一個(gè)分支，無(wú)論在概念或方法上，都廣泛地影響著數(shù)學(xué)其它分支的發(fā)展。數(shù)學(xué)中很多重要思想的形成，都與傅里葉分析的發(fā)展過(guò)程密切相關(guān)。 6.相對(duì)論與引力波  19世紀(jì)末由于牛頓力學(xué)和麥克斯韋電磁理論趨于完善，一些物理學(xué)家認(rèn)為“物理學(xué)發(fā)展實(shí)際已經(jīng)結(jié)束”，但當(dāng)人們運(yùn)用伽利略變換解釋光的傳播等問(wèn)題時(shí)，發(fā)現(xiàn)一系列尖銳矛盾，對(duì)牛頓經(jīng)典時(shí)空觀產(chǎn)生疑問(wèn)。 牛頓時(shí)空理論（或伽利略變換）中的時(shí)間，無(wú)法在現(xiàn)實(shí)世界中實(shí)現(xiàn)。對(duì)此，愛(ài)因斯坦提出物理學(xué)中新的時(shí)空觀——光速不變?cè)?，并發(fā)現(xiàn)可與光速相比擬的高速運(yùn)動(dòng)物體的規(guī)律，創(chuàng)立狹義相對(duì)論。狹義相對(duì)論作為區(qū)別于牛頓時(shí)空觀的新的平直時(shí)空理論，已經(jīng)被許多高精度實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。  此后，愛(ài)因斯坦決定把狹義相對(duì)論也應(yīng)用于引力問(wèn)題，為此要把狹義相對(duì)論加以推廣，形成廣義相對(duì)論。狹義相對(duì)論只適用于慣性系，它的時(shí)空背景是平直的四維時(shí)空，而廣義相對(duì)論則適用于包括非慣性系在內(nèi)的一切參考系，它的時(shí)空背景是彎曲的黎曼時(shí)空。 廣義相對(duì)論認(rèn)為，引力不僅是空間中的點(diǎn)之間的效應(yīng)，還包括在空間和時(shí)間中的點(diǎn)之間距離的幾何的畸變引起的，因此（敲黑板）——引力場(chǎng)能夠影響時(shí)間和距離。 隨后，廣義相對(duì)論預(yù)言了引力波的存在，但直到2015年，人類才首次探測(cè)到引力波。現(xiàn)在，它已經(jīng)被直接觀測(cè)所證實(shí)！  愛(ài)因斯坦是這樣描述的：“引力波以光速迅速擴(kuò)散，充滿整個(gè)宇宙?！币κ怯捎谫|(zhì)量所引發(fā)的時(shí)空扭曲所造成，任何有質(zhì)量的物體加速運(yùn)動(dòng)都會(huì)對(duì)周圍的時(shí)空產(chǎn)生影響，時(shí)空在伸展和壓縮的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這些振動(dòng)就是引力波。這些波動(dòng)，我們可以想象為將一塊石子投入水中所掀起的漣漪，因此，引力波也有一個(gè)好聽(tīng)的名字，叫做“時(shí)空漣漪”。 通過(guò)“時(shí)空漣漪”，我們將開啟一扇宇宙天窗，窺探藏身于宇宙深處的秘密，與億萬(wàn)星系的生靈建立起光年以外的聯(lián)系！無(wú)線電在星際通信中算是非常落后的技術(shù)，引力波的獨(dú)特穩(wěn)定性，決定了它才是超遠(yuǎn)距離通信的基礎(chǔ)。在可行性上，如果真有外星生命，它們可能會(huì)傾向于用引力波來(lái)和其他星球文明進(jìn)行通信。這意味著——以后真的可以跟外星人直接聯(lián)系了！這是人類以前從未有過(guò)的，科學(xué)的新時(shí)代即將到來(lái)！ 以上便是從經(jīng)典力學(xué)的機(jī)械波到廣義相對(duì)論的引力波的諸多波概念。但是，真實(shí)的物理世界中，一根金屬絲除了會(huì)象三角函數(shù)那樣來(lái)回伸縮，它還會(huì)永久變形甚至斷裂；水面上除了貝塞爾函數(shù)那樣的圈狀波紋以及用雙曲函數(shù)描述的孤立波，也有能打翻大船的湍流；電磁場(chǎng)除了會(huì)優(yōu)雅地振蕩著飛越真空，它還能擊穿空氣產(chǎn)生閃電…… 科學(xué)無(wú)止境，既有知識(shí)外，還有太多的物理學(xué)奧秘等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。大家還有哪些學(xué)習(xí)方面的問(wèn)題呢，跟小猿說(shuō)說(shuō)。 |
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