波动是自然界中很普遍的现象。投石入水,激起层层涟漪,就是大家都看到过的水波。以槌击鼓,鼓膜的振动在空气中传播,就是看不见但听得到的声波。有介质,如水和空气,有一点儿扰动,如石子和鼓槌的撞击,这个扰动就会以波的形式在介质中传播。
把高频电流灌进天线里,就会辐射出电磁波,可以被另一个天线接收并用来传输信息。人类发现并驾驭了电磁波,我们今天才能用手机通信。物体被烧得灼热,里面的电子跳跃震荡,也会辐射出电磁波。这是我们(以另一种方式)看见的波动——光。
网络配图
以此类推,引力波应该是很自然的事情。任何一个有质量的物体很快地改变速度,比如旋转起来,就会辐射出引力波。
但这两种波动,和前面提到的水波声波,有很不同的物理哲学意义。对电磁相互作用和引力相互作用的研究,让爱因斯坦分别发现了狭义相对论和广义相对论。
电磁波和引力波,都是先有理论,再通过实验证实的。19世纪末对电力和磁力的研究,被麦克斯韦总结成了一组方程。这个方程租有波动解,这个波的传播速度能够从方程组中被计算出来,就是实验测出来的光速。那时才知道光也是电磁波。
但水波声波的传播介质是看得见或者摸得着的物质。电磁波却可以在空无一物的太空中传播。到底是什么介质在传播这电磁波?我们需要介绍一下电磁场的概念。
在我们的中学物理课本中,电力和引力非常相似。库仑定律告诉我们两个电荷之间的力和电荷成正比,和距离平反成反比。牛顿万有引力定律告诉我们两个质点之间的引力和质量成正比,和距离平方成反比。细想起来,库伦定律有一个问题:如果两个电荷在运动中,这个定律好像在说一个电荷能随时“感知”另一个电荷的位置,冥冥中有一些不合理。
网络配图
运用麦克斯韦方程这套完整的电磁学理论,人们发现库伦定律在两个电荷有运动的情况下是需要修正的,一个电荷“感知”另一个电荷的位置有一个小小的时间延迟,这个延迟等于光从一个电荷到达另一个电荷的时间,如上图所示。麦克斯韦方程和电磁波的发现,使人们认识到,电磁相互作用,是以有限(尽管非常快)的速度传播的。传播电磁相互作用和电磁波的介质,叫做电磁场。电磁场携带着能量和信息,所以它也是物质。从此,人们开始接受看不见摸不着的物质。现代物理学认为,宇宙太空,或真空,是一种物质,电磁场和引力场只是这种物质的不同属性。
光速是从麦克斯韦方程中解算出来的,这就带来另一个让人困惑的问题:我们坐在火车上,测地面信号灯的灯光,难道它的速度不该快一些或慢一些吗?牛顿定律在所有的参照系都是一样的,但如果火车参照系上的麦克斯韦方程和地面的是一样的,就和基本常识冲突。所以,只能假设宇宙中存在一个绝对静止的参照系,麦克斯韦方程只在这个参照系中成立。
但物理学是需要实验验证的。验证上面这个说法的实验,想法很简单:我们知道地球在宇宙中是有运动的,它绕着太阳公转,那么两束方向垂直的光,一般会一路更顺着地球的运动方向,一路更垂直地球的运动方向,速度一定会有差别。1887年,迈克尔逊和莫雷利用下面的这个装置做了实验,用一个分光镜b把光源a的光分成两个方向,各自多次反射后,不同方向上光速的差别因为干涉效应在望远镜f中可以看到。
这个实验的结果让人大跌眼镜:看不到任何光速的差别!很长的时间内,物理学家们不知道怎么解释这个实验。
网络配图
直到1905年,爱因斯坦经过深入思考,认定物理定律,包括麦克斯韦方程,在所有的参照系中都是一样的。宇宙中没有绝对静止,一切速度都是相对的。由此推导出很多你可能已经听到过的违反人类常识的结论,比如:
光速是绝对的,无论你自己飞得多快,你测到的光速都是一样的;光速是不可超越的,任何物质能量信息的运动速度都不可能超过光速;长度和时间都是相对的,不同的参照系中对同一个物理长度、同一个物理过程的时间的测量结果会有差别;质量也是相对的,速度越快质量越大;还有下面这个著名的能量质量对应公式:狭义相对论是让人类脑洞大开的伟大理论,今天已经被无数实验证实了。
牛顿的万有引力定律跟库伦定律很像。依据同样的原则:引力相互作用,也应该是通过引力场,以不超过光的速度传播的。万有引力定律不可能是准确的、完整的引力规律。然而,引力远比电磁力复杂。爱因斯坦从1907到1915,用了整整八年时间,才完成了广义相对论。
有了狭义相对论,引力和电力变得非常不同。引力是和质量成正比的,一旦动起来,狭义相对论告诉我们物体的质量会变大,电荷则是不变的。并且,狭义相对论告诉我们能量和质量是成正比的。引力场本身有能量,也就有质量,也能产生引力。这和不带电荷的电磁场完全不同。引力场方程注定是一个非线性方程。
爱因斯坦开始意识到引力也是一个相对的东西,终于参透了引力的奥秘。
宇宙飞船中的宇航员是感受不到地球引力的,在飞船上做任何实验,也测不出地球的引力有多大。需要地球上的人告诉宇航员,你在一个非惯性的,自由落体的参照系里,你失重了,宇航员才知道地球引力的存在。
网络配图
引力场在局部是相对的,对于任何一个点,都存在一个时空参照系,比如宇宙飞船中的自由落体参照系,使得这个点附近看不到任何引力场的效应。但它整体是客观存在的,飞船会围着地球转,宇航员不断地观测周围的星象,就会知道地球在拽着它。
就像古人以为自己生活的大地是平的,直到绕地球航海一圈回到出发点,才知道地球的表面是弯曲的。爱因斯坦于是想到,是不是引力让时空变得弯曲了?
如果说狭义相对论让人类脑洞大开,广义相对论简直超越人类想象力。人类生活在一个三维空间里,对这个空间里的弯曲的曲线和曲面有着直观的认识,我们能从外面看见它们的弯曲。但如果说我们生活在其中的三维空间,四维时空是弯曲的,该怎么理解,怎么想象呢?
爱因斯坦的广义相对论,得益于数学家已经建立好了一套工具体系——黎曼几何。黎曼已经研究了上面的问题,他的工作很了不起,数学从研究现实世界中抽象出来的数字和形状,到开始研究现实世界不存在但逻辑自洽的东西,最终又发现现实世界竟然真是这个样子,这太美妙了。
黎曼几何的结论是,虽然我们生活在这个空间里,我们还是有办法测量这个空间是直的还是弯的。比如测量三角形的三个内角和是不是180度。如果大于180度,这个空间就是正曲率,反之则是负曲率。如果这个空间接近平直,曲率比较小,就需要一个很大的三角形才能看到明显效果。
以上是爱因斯坦利用黎曼几何写出的引力场方程,漂亮而貌似很简单。但这个方程展开后实际非常复杂,不但一般情况下不可求解,甚至一般解的很多基本特性也长期没有搞清楚。不过在广义相对论发表一年之内,这个方程的两个解还是被找到了。
网络配图
第一个解远看像一颗星星或一个质点,越靠近中心时空,扭曲得就越厉害,以至于任何物质接近到一定程度就再也出不来,即使光线也不能射出来,这就是黑洞。这样难以置信的东西在宇宙中竟然被找到了。黑洞不能被直接观测,因为它不发射任何粒子或光线,但天文学家们发现,宇宙中有很多地方,大量的物质被吸进去。
第二个解是爱因斯坦自己找到的,就是引力波。引力波是时空形变的涟漪,以光速在传播。当引力波穿过时,所有物体在某一个方向上的长度会变长、变短,如下图(图中的比例是极度夸张的)。
爱因斯坦在1916年预言到引力波,之后一百年都没有被观测到,因为它太难观测了。首先,引力是一种很弱的相互作用。地球这样尺寸的物体,它的引力才能让人类感受到。其次,很重的物体,必须加速或旋转得很快,它的辐射才会比较大。地球绕太阳运转时会发射引力波,但地球走得太慢,一年才转一圈,它的引力波辐射只有区区一个灯泡般的200瓦。这双重的困难,使得造出一个引力辐射源超出了人类的能力。
然而放眼看宇宙,宇宙总会让我们惊愕。强大得多的辐射源是可以找到的。要想给一个巨大的天体产生巨大的加速度,就必须有强大的引力;要有强大的引力,就必须有另一个巨大天体离它很近;要想两个天体靠得很近又不发生碰撞,两个天体就必须有非常高的密度,以至于半径很小。
宇宙中有一类叫做中子星的天体,密度高达每立方厘米一亿吨!1974年,天文学家发现了一对距离很近的中子星,两颗中子星的质量大约都是1个半太阳(太阳质量是我们地球母亲的33万倍),相互的旋转周期只有不到8小时。按照广义相对论的计算,这个双中子星系统的引力辐射高达10的24次方瓦。这个功率仍然远不足以被直接观测到,但它的间接效应可以被看到:由于引力辐射,这个双星系统损失了势能,两颗星星会靠得更近,导致旋转周期加快。到1982年,天文学家们终于准确地测量到了这个微小的间接效应:每一年,旋转周期减少了76微秒,和广义相对论的预言完全一致。这项工作最终获得了诺贝尔奖。
然而这毕竟不是直接看到了引力波。宇宙中密度最大的天体是黑洞,两个黑洞靠得越近,旋转得就越快,引力辐射就越强,损失能量更快,因此就靠得更近,旋转得更快,直至碰撞结合,那一瞬间的辐射是最灿烂的。宇宙如此辽阔,两颗星星相遇的机会非常少;宇宙又如此浩瀚,这样的相遇是不是注定会在某时某刻发生呢?引力波的守望者们,对这种场景用计算机做好了仿真,守株待兔。
网络配图
怎样探测引力波呢?今天的引力波探测器就是130年前迈克尔逊-莫雷实验的升级版。当年这个实验用来测光速,今天我们知道光速不变,我们用光来测距离。既然引力波的效应是两个方向的相对长度的变化,两个垂直的激光束就是探测引力波的最好工具。激光测距的技术的应用很广,你打高尔夫球的时候可能就用过激光测距仪。但LIGO探测器把激光测距做到了极致,灵敏度超过了10的负21次方(10万亿亿分之一),足以探测到一公里上千分之一个原子核的长度变化!
LIGO探测器,每一个激光束长达4公里。130年前,迈克尔逊-莫雷实验启动了相对论的创立;今天,会不会又是这个实验完成对相对论的终极检测呢?
终于有一天,在宇宙深处,两个分别为36倍太阳质量和29倍太阳质量的黑洞碰撞,速度达到光速的0.6倍,碰撞之前二者互相旋转的速度达到每秒几十到100多转。0.2秒内把三个太阳质量湮灭于无形的时空扰动之中。这一瞬间的引力辐射,在以和光速相同的每秒30万公里的速度旅行了十三亿年后,于2015年9月14日到达了地球。此时,这个最灿烂的辐射,衰减到了只有10的负21次方那么极其微弱的空间形变。但这个惊天大事件,还是被正在调试中的两个相距3000公里的LIGO探测器同时记录了下来。
这条越转越快,直至拥抱的曲线,和广义相对论的理论计算完全吻合!这是一次完美的拥抱,不仅仅是两个黑洞之间的,也是宇宙和人类的拥抱。宇宙的伟大,和人类的智慧,都到了极致,才有了引力波的发现!
免责声明:以上内容源自网络,版权归原作者所有,如有侵犯您的原创版权请告知,我们将尽快删除相关内容。
在中国的历史上,三国时期是一个充满战争和英雄的时代。在这个时期,有一位文学家详情
在明朝的历史中,有一位皇帝一直备受争议,他就是嘉靖皇帝。有人认为他是一位昏君详情
在中国古代历史的长河中,战争频繁的战国时期孕育了许多杰出的军事家和思想家。其详情
在明朝的历史中,有这样一位官员,他以严峻刚直著称,甚至连首辅张居正都对他忌惮详情
王昌龄是盛唐时期的诗人。 王昌龄,字少伯,生于唐朝的鼎盛时期,这一时期也是详情
慈禧太后,作为清朝末期的实际统治者,她的生活方式一直是人们关注的焦点。据史料详情
在中国历史上,楚汉之争是一段充满传奇色彩的历史。而在这场争斗中,有一个问题一详情
在历史的长河中,有许多人物的形象常常因为各种原因而被扭曲,而我们今天要探讨的详情
明朝是中国历史上一个充满传奇色彩的朝代,而在这个时代中,有一个人物的名字总是详情
在历史的长河中,总有一些人物和故事被时间的尘埃所掩盖,而今天我们要探讨的,便详情
在中国历史的长河中,有许多人物以其非凡的智慧和策略留下了深刻的印记。司马懿,详情
在蒙古帝国的历史中,成吉思汗的崛起是一个传奇。他的成功征服和统一了蒙古诸部,详情
在中国古代社会,孝道是传统文化的核心之一。其中,“入土为安”是一种普遍的丧葬详情
清朝乾隆年间,一个名叫和珅的官员迅速崛起,最终成为乾隆皇帝身边最受宠信的大臣详情
在中国历史上,女性诗人的身影虽然稀少,但她们的作品却如璀璨的星辰般闪耀着不朽详情
在中国封建历史的长河中,皇帝后宫佳丽三千是常有的事,然而历史上却有这样一位特详情
冲绳岛战役,又称冲绳战,是第二次世界大战太平洋战场的最后一场重要陆地战役。X详情
在中国古代历史上,政治联姻往往是为了国家的利益而精心策划的一种手段。宣太后与详情
在中国文学史上,诗歌一直是表达情感、传递思想的重要载体。特别是在南宋时期,面详情
在中国悠久的封建历史中,牛一直是农业生产的重要动力来源。因此,不少朝代出于对详情
在中国封建社会的长卷中,清朝乾隆年间的和珅无疑是一个极具争议的历史人物。作为详情
在中国历史上,有许多女性因她们的智慧、美貌或权力而被后世铭记。王宝钏就是其中详情
在历史的长河中,有一场战争以惨烈著称,却在最绝望的时刻上演了逆转的奇迹——那详情
在中国古代历史上,长平之战是一场影响深远的军事冲突,它不仅改变了战国时期的国详情
在历史长河中,蒙古铁骑和八旗都是以勇猛善战而著称的军队。然而,谁才是更厉害的详情
野狼坡之战,是唐朝历史上一场具有重要意义的战役。这场战役不仅对唐朝的边疆安全详情
在历史的长河中,战争往往是国家之间力量对比、文化碰撞和利益争夺的直接体现。公详情
在中国的历史长河中,有一场战役以其激烈的战斗和深远的影响而闻名于世,那就是明详情
在中国的历史长河中,有许多重要的战役都以其独特的战术和深远的影响而被人们铭记详情
好水川之战是一场发生在1038年北宋与辽国之间的战役。这场战役发生在今天的四详情
浅水原之战是中国历史上著名的战役之一,发生在公元755年。这场战争是唐朝与安详情
雅克萨之战是中俄两国之间的一场重要战役,发生在1858年。在这场战役中,清朝详情
雅克萨之战是中俄两国之间的一场重要战役,发生在1858年。在这场战役中,清朝详情
在中国古代的神话传说中,姜子牙和鬼谷子都是极具智慧和能力的传奇人物。他们分别详情
一、背景介绍 秦始皇陵兵马俑是中国历史上最著名的考古发现之一,被誉为“世界详情
标题:秦始皇10大诡异事件 一、陵墓之谜 1. 兵马俑:秦始皇陵的兵马俑详情
虞姬,中国历史上著名的女性人物,她与项羽的爱情故事被后人传颂不衰。而刘邦,作详情
胤祥没有遭到雍正的清洗,但他在年轻时去世,这一点对于一些历史学家来说存在着一详情
满清十二帝内没有溥仪的画像,只有照片,是什么原因呢? 在满清十二帝中,没有详情
溥仪的文化水平不仅仅是初中程度,尽管他的户口本上写着“初中”,但这并不是他真详情
古人常说“不孝有三,无后为大”,而在皇权社会,皇帝不具备生育能力,可不仅仅是详情
息肌丸是什么东西?真的有这种药存在吗?息肌丸是一种有催情作用的美容香精,塞到详情
赵飞燕服用息肌丸保持美貌,息肌丸是什么东西呢?感兴趣的读者可以跟着趣历史小编详情
历史上绵亿是荣亲王永琪与侧福晋索绰罗氏所生育的王府中的第五子,但其他的孩子都详情
彼岸花,又称曼珠沙华,是一种充满神秘色彩的花卉。这种花通常盛开在秋季,其鲜红详情
在现代社会,我们依赖于各种产品来完成日常生活的各个方面。从智能手机到笔记本电详情
在我们的日常生活中,我们常常会忽视地球上的一些奇妙之处。然而,当我们从太空中详情
在生物多样性的广阔领域中,每一次新的物种发现都像是打开了一扇通向未知世界的窗详情
在这个世界上,有些物品的价值超越了我们的想象。它们不仅仅是物质的存在,更是艺详情
在世界的每一个角落,无论是热血沸腾的球场,还是电视机前的粉丝,都被一位女性棒详情
位于中国云南的九龙河瀑布群,被誉为“中国的尼亚加拉”,是中国最大的瀑布群。这详情
北仑河口,位于中国浙江省宁波市北仑区,是中国大陆海岸线的最南点。这里既有美丽详情
鸭绿江口,位于中国东北地区,是中国大陆海岸线的最北点。这里既有壮丽的山川河流详情
湖北省,位于中国中部,素有“千湖之省”的美誉。全省湖泊众多,水域面积占总面积详情
京九铁路,这条连接北京、上海、香港、澳门等9个省市的铁路干线,被誉为“中国跨详情
中国的传统俗语承载着丰富的文化遗产和历史智慧,其中“男不拜月,女不拜灶”是一详情
在中国的古代神话传说中,有四只凶猛无比的神兽,它们被称为“四凶”。这四只神兽详情
在中国古代的神话与民间传说中,判官是地府中的司法官员,负责审判阴间亡魂的善恶详情
《资治通鉴》是中国历史上一部极具影响力的编年体史书,它诞生于宋朝,由著名的历详情
中国的烹饪艺术以其多样性和复杂性而闻名于世,其中最为人熟知的便是分布在各地的详情
李时珍,明代著名医学家,他的代表作《本草纲目》被誉为中国乃至世界药学史上的一详情
在中国古代的神话传说中,有许多神兽的形象深入人心。其中,最为人所熟知的莫过于详情
《洗冤集录》,作为世界上第一部系统的法医学专著,自南宋时期问世以来,就以其严详情
在中国现代教育史上,蔡元培先生的名字如同一座里程碑,标志着中国高等教育的转型详情
西门吹雪,这个名字在文学和影视作品中都留下了深刻的印记。他以剑术高超、性格孤详情
在中国古代,丹书铁券被视为一种至高无上的免死金牌,它代表着持有者可以免受一切详情