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让小学生也看得懂:引力波到底是什么鬼?

2016-02-14 20:41:00来源:20区编辑:转角遇见你

让小学生也看得懂:引力波到底是什么鬼?

在很久很久以前,牛顿提出了万有引力理论,在解释天体运行、潮汐以及预言新行星方面,曾经被视为天衣无缝。

那是因为,爱因斯坦还没有诞生。

爱因斯坦的后来的研究让人们发现, 牛顿理论并不完美,在原理上甚至可以说不正确。

1916年,爱因斯坦留下了下面这样一串公式和文字:


文科生小编表示没有什么好解释的,总之,就是“在爱因斯坦的宇宙中,引力已不再遵从两个多世纪前牛顿所提出的万有引力定律”,总之就是爱因斯坦在100年前就预言了引力波的存在。 

在爱因斯坦的理论中,万有引力成了弯曲时空的效应。而如果我们从一个固定的时空出发,考虑时空对这个固定时空微小的偏离,爱因斯坦理论中出现了类似光子的东西,就是引力波。

公元2016年2月11日,美国科学家向全宇宙宣布,他们首次探测到引力波。

新华社是这样报道的:科学家现场播放了来自宇宙的“声音”。这个声音(也就是引力波)源自于13亿年前一个双黑洞系统的合并,它经过13亿年的漫长旅行,于2015年9月14日抵达地球,被美国科学家的两个探测器以7毫秒的时间差先后捕捉到。

这个很厉害,很早就在圈内透露这一消息的美国亚利桑那州立大学物理学家劳伦斯·克劳斯兴奋地说:发现引力波是一个“重大里程碑”,它开启了观测宇宙的一个新窗口。

尽管曾经被称为“全宇宙最徒劳无益之事”,但过去数十年来许多跨国科学团队都致力于找寻引力波存在证据,不用说,“捕捉”到引力波,自然是一件比大炮打蚊子还要难千倍万倍的事情,用科学家们的“黑话”说是这样的:引力波对于附近时空的冲击因距离地球太远,弱不可见,加深观测的难度。以地球和4.3光年之外的半人马座α为例,被引力波扭曲的太空可能只有一根头发般的变化。(文科生表示立刻被吓趴)


所以为了捕捉到这一丝毛发的波动, 美国国家自然科学基金会于上世纪90年代在路易斯安娜州利文斯顿和华盛顿州汉福德各建造了一个激光干涉引力波天文台(LIGO)。每个天文台都有两个长达4公里的测量臂,呈L型排列。来自加州理工学院、麻省理工学院等90多所高校的1000多名科学家参与LIGO的日常探测和研究。(没看错1000多名科学家参与,这项科研成果被预测必然问鼎诺贝尔,弱弱地问一句,奖金怎么个分法?)

那么,说半天,到底引力波是个什么玩意儿?

新华社的报道是这样介绍的:“引力波是一种时空涟漪,如同石头被丢进水里产生的波纹。黑洞、中子星等天体在碰撞过程中有可能产生引力波。”

中新社记者解释得似乎更直白一些:爱因斯坦1916年左右在广义相对论中提出引力波理论,认为聚集成团的物质或能量的形状或速度突然改变时,会改变附近的时空状态,效应就像涟漪以光速在宇宙传播。

美国激光干涉引力波天文台(这个单位的英语为Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,其缩写就是这两天不断刷屏的LIGO)执行主管雷茨对记者这样解释道:引力波可以这么理解——一个质量大的、加速运行的物体,比如石头,一个像湖面一样的宇宙,两个物体互相吸引,当一个物体加速运动,就会产生这样的涟漪,这就是引力波。就像是石头投入湖水中泛起涟漪,只是这种涟漪是存在于宇宙中。(这个哥们还很自信地说了一句话,两座相距3000公里的探测器都收到了同样的引力波信号,这项发现不可能闹乌龙,出错的可能性是零。)

“科普中国”团队用了中国化的语言对引力波进行了解读:人们常说“星辰大海”,如果将时空视作海洋,那么天体就如同海洋生物一般。可以想象,如果大海中的某个生物摇了摇尾巴、或是晃了晃头,海水由此所产生的波动就会向外传播。与此类似,宇宙中某个天体的剧烈活动,会对所在的时空产生扰动,时空自身的波动也会向远处传播,如果足够强,就能够为地球上的我们所感知。

清华大学专门研究引力波的博士后胡一鸣则用人来打了个比方:假设迎面走来一串引力波,你会变高变瘦,接下来变矮变胖,再变高变瘦?? 当然,想靠引力波改变体型是不可能了,除非你就站在引力波波源附近(友情提醒:黑洞有100种方法让你在它旁边活不下去,如果你想试试,黑洞是不介意陪你玩玩的),否则引力波只会把你的身高拉高(然后压扁)那么一点点——大概就是一个氢原子的100亿分之一吧。

那么,引力波到底长啥样呢?来看看图片:


双黑洞系统想象图。(图片来源:LIGO网站)


图片来源:Henze,NASA

上图是双黑洞系统想象图,下图是由两个黑洞产生的引力波的示意图,如果你看到的也只是黑眼圈和一层又一层的光晕,相信你和小编一样也还没有看懂。那么,来看看下面这段央视的视频吧?



视频来源:央视新闻频道

这段视频的解说是这样的:根据爱因斯坦的广义相对论,时空告诉物质如何移动,而物质引导时空如何弯曲。有质量的物体会使它周围的时空发生扭曲,物体的质量越大,时空就扭曲得越厉害。如果将时空看成一张大橡胶膜,然后往上面放一个球,那么球的质量就会把橡胶膜往下压。这时,如果在旁近再放一个球,那么可以看到,两个球分别造成的时空弯曲,让它们逐渐滚向了对方并最终亲密接触。

路透社记者一篇报道的内容也适合来进一步解释上面的视频:质量使时空弯曲,就像把一个保龄球放到一个蹦床上的效果。蹦床表面上的其他物体会“跌”向中心——这是对引力的一个比喻,时空就是那个蹦床。当这些物体加速时,它们沿着弯曲的时空构造以光速发出涟漪——物体质量越大,引力波越大,也越容易被发现。


LIGO项目共同创始人、麻省理工大学教授赖纳·韦斯说:“如果我们能够把这一消息告诉给爱因斯坦,那么他的表情一定会很好玩。”

科学家说,引力波的发现,标志着人类近距离“接触”了黑洞! 

你看,霍金也出来发话了,他说,“相信这是科学史上重要的一刻”。

1885年,人类第一次发现电磁波的存在。因为发现了电磁波,后来,人类有了无线电报(1901)——广播(1906)——电话(1916)——传真(1923)——电视(1929)——微波(1933)——雷达(1935)……

至今仍呼风唤雨的卫星通讯、因特网等也与电磁波理论相关。

如今,有人说,发现引力波,比发现电磁波更厉害!

有媒体这样说:在电磁波被发现100多年以后的今天,引力波被找到了。它是唯一可以在高维时空中传递的波,这点与电磁波完全不同。同时,引力波的穿透能力比中微子还要强,它也许真能像科幻小说《三体》中描述的那样,被人类用于星际通讯领域。

科学界目前普遍认为,宇宙诞生于距今约140亿年前的一次“大爆炸”。在大爆炸之后不到1秒钟的原初时刻,宇宙曾在极短时间内经历了速度快到无法想象的急剧膨胀,这一过程称为“暴涨”。根据广义相对论,宇宙诞生之初产生了引力波,这种引力波被称为原初引力波,它忠实记录了暴涨时期的物理过程,并一直存在于宇宙空间内,如果被发现并得到证实,将很大程度上帮助人类了解宇宙诞生之谜。

也许,引力波能做的更多……(文科小编表示只能用华丽丽的省略号来结尾)


(内容引自央视新闻客户端  作者:张鸥 倪晗 宋云霄 高佳鑫 李冬)


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