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《三体》中就有引力波的描述:神秘的引力波天线
2016-02-14 14:13:41   来源:   评论:0 点击:

罗辑一家远远地就看到了引力波天线,但车行驶了半小时才到它旁边。这时他们才真正感受到它的巨大。天线是一个横放的圆柱体,有一千五百米长,直径五十多米,整体悬浮在距地面两米左右

  8月23日,我国著名科幻作家刘慈欣的小说《三体》,荣获2015年科幻文坛大奖“雨果奖”,这被称为科幻文学界的诺贝尔奖,也是亚洲作家首次获此殊荣。在科幻小说《三体》中,用到了大量的物理学设定。我国著名物理学家、科普作家李淼先生在不久前出版的《三体中的物理学》一书中,对这些知识做了深入浅出的生动讲解。虽然有些内容不乏艰涩,很烧脑洞,但其中自然科学知识的ABC,作为生活在现代社会的读者来说也很有必要了解。

《三体》中的物理学:引力波与多元宇宙

  黑洞

  作为天体物理学家,叶文洁对核武器十分敏感,她知道这是恒星才具有的力量。她更清楚,宇宙中还有更可怕的力量,有黑洞,有反物质,等等,与那些力量相比,热核炸弹不过是一支温柔的蜡烛。——《三体》

  拉普拉斯根据牛顿的万有引力理论,推测黑洞是存在的。拉普拉斯的黑洞很好理解,我们知道,在地球表面发射火箭,如果初始速度不够大,不论火箭飞多远,最终还会落回到地球上。如果速度再大一点,例如超过7.9千米每秒,火箭就会越飞越远,永远逃离地球。对于宇宙中的每个质量点而言,都可以计算逃逸速度,质量越大,距离质量中心的距离越近,逃逸速度就越大。如果我们将地球的质量压缩到一个更小的球体中,地球表面的逃逸速度就会增大,因为万有引力变强了。拉普拉斯发现,如果这个质量点的半径足够小,逃逸速度就达到光速,因为没有任何速度大过光速,故而所有物体都不可能逃脱这个质量吸引。不论它飞多远,最终都会落回来,或绕这个质量公转,这就是拉普拉斯的黑洞。

  史瓦西先生发现,黑洞是爱因斯坦理论的一个自然结果。在其去世的前一年,也是爱因斯坦发现广义相对论的几个月后,他发现了爱因斯坦理论中的第一个严格解。在一个由中心质量造成的弯曲时空中,越靠近中心的钟走得越慢,到了一个固定的边界,时钟走得无限慢,也就是说,如果我们站在外面看这个边界上的钟,它的秒针几乎不动。这个边界就是著名的黑洞视界。在这个边界上,光也无法逃逸。为什么光无法逃逸呢?很简单,尽管光速很大,但时间变得太慢了,对于我们的一个小时甚至一年,那里的时间几乎没有变,当然光在我们看来也就没有走了。

  史瓦西虽然发现了黑洞解,但爱因斯坦并不相信一个质量可以被大幅压缩以产生视界,所以黑洞对他来说并不存在。

  直到史瓦西在理论上发现黑洞五十年后,黑洞研究才成为热门,因为天体物理学家发现,黑洞会在宇宙中自然形成。

  黑洞是真实存在的,可以说宇宙中到处都是黑洞,从质量只有几个太阳质量的恒星级黑洞,到质量为太阳质量100至100000倍的中型黑洞,再到星系中心的黑洞,其质量高达10万至100亿个太阳质量。天文学家甚至猜测,所有星系的中心都是一个黑洞。

  有一个简单的公式,黑洞的视界半径与质量成正比。根据这个公式,如果我们将太阳塞进半径大约为3000米的球体中,黑洞就会形成。如果要让地球成为黑洞,其直径或许不到1厘米。

  其实,不大可能存在质量比太阳还要小的黑洞,这是因为天体物理不允许小质量黑洞的形成。较小的恒星形成黑洞之前就会停止核反应,形成白矮星或中子星。当恒星的质量足够大,以至于中子之间的排斥力不足以抵抗万有引力时,黑洞才会形成,这样的黑洞通常不会小于三个太阳质量。

  引力波

  罗辑一家远远地就看到了引力波天线,但车行驶了半小时才到它旁边。这时他们才真正感受到它的巨大。天线是一个横放的圆柱体,有一千五百米长,直径五十多米,整体悬浮在距地面两米左右的位置。它的表面也是光洁的镜面,一半映着天空,一半映着华北平原。——《三体》

  万有引力是近代科学最早确定的自然界中的基本力。牛顿的万有引力理论比法拉第和麦克斯韦的电磁力理论早了一个半世纪到两个世纪,在解释天体运行、潮汐以及预言新行星方面,取得了了不起的成就。

  但是到了爱因斯坦时代,人们才发现牛顿理论并不完美,在原理上可以说完全不正确,因为它假设两个质量之间的超距作用,也就是说,假设相隔一定距离的两个物体之间存在着直接、瞬时的相互作用,不需要任何媒质传递,也不需要任何传递时间。这显然是不可思议的。

  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

  引力波是爱因斯坦广义相对论的预言。引力波的存在说明引力传播速度也是有限的,在爱因斯坦理论里面就等于光速。自从希格斯粒子现身之后,引力波是现代物理学预言中唯一还没有被证实的预言,虽然存在间接的证据。

  万有引力无所不在,可为什么引力波难以探测?唯一的理由,还是万有引力作用太微弱了。静态万有引力已经足够微弱了,只有当质量积累到形成如月亮和地球这么巨大的天体时,我们才会感到万有引力的存在,而引力波就更加微弱。

  一个振荡的电荷会产生电磁波,两个天体互相绕着运动能够成为引力波的来源。事实上,引力波就是这么被间接发现的。两个中子星互相绕着转动,辐射引力波导致中子星损失能量,之间的距离变小,转动的周期变小,这个间接观测完全符合爱因斯坦的理论,天文学家泰勒和赫尔斯因为这个观测,共同获得了1993年的诺贝尔物理学奖。

  在宇宙中,超新星爆发,黑洞形成,一颗恒星掉入黑洞,都会产生引力波,而且比较强。虽然泰勒和赫尔斯在1974年就间接地观测到了引力波,但由于引力波非常微弱,直到今天,科学家都还没有能够直接探测到引力波。人类有望在2016至2017年探测到引力波。

  宇宙之死

  在永远的膨胀中,所有的星系将相互远离……恒星将相继熄灭……宇宙将变成一座空旷的坟墓,所有的文明和所有的记忆都将被永远埋葬在这座无边无际的坟墓中,一切都永远死去。——《三体》

  在谈到宇宙的未来之前,我们首先应了解宇宙现在的状态。其实,我们不需要知道太多,只需要弄清楚两个重要的问题:

  第一个问题:宇宙的膨胀程度如何?是加速还是在减速?

  第二个问题:宇宙中的能量组分都有什么?

  在1998年以前,几乎所有人都相信宇宙虽然在膨胀,但膨胀在减速,将来的很多很多年之后,膨胀的速度可能无限趋近于零,也可能会降低到零,然后宇宙开始收缩变小。这是一个自然的想法,自从大约150亿年前发生的大爆炸以来宇宙一直在膨胀,但目前的膨胀速度已经比宇宙早期变小了很多,许多人认为宇宙的膨胀一直在减速,观测也似乎支持这个自然而然的想法。有趣的是,几乎没有人质疑过观测数据,尽管现在回头看以前的观测数据,并没有在严格的意义上告诉我们宇宙的膨胀在减速。

  为什么物理学家特别相信宇宙膨胀的速度在减小呢?这是因为主导宇宙的力是万有引力,即使是爱因斯坦的理论也不能改变这个事实。在万有引力的主导下,宇宙中所有天体之间的相对速度都会变小。

  爱因斯坦为了获得一个静止的宇宙引入了一个万有斥力。万有斥力只是宇宙加速膨胀的解释之一。从现代物理学的观点来看,他的理论相当于认为真空中存在某种永远不会因为宇宙膨胀而稀释的能量,这个能量的密度保持恒定。这种能量叫暗能量。

  暗能量的性质决定了我们宇宙的命运。这是因为,暗能量现在是主导宇宙的能量,它占宇宙中所有能量的60%以上,而我们肉眼能够看到的物质以及肉眼看不到的暗物质只有不到40%。

  我们稍微谈一下暗物质,它是暗能量之外占宇宙能量组分最大的。这种物质看不见摸不着,但天文学家在20世纪60年代,就发现它的存在了。它的存在导致星系和星系团的万有引力比可见物质引起的万有引力大得多,天文学家通过观测恒星围绕星系中心的运动速度,可以推断出暗物质要比普通物质多了5至6倍。

  不论是普通物质、暗物质,还是辐射,这些能量密度在宇宙空间膨胀下被稀释,而暗能量呢,在数十亿年之内没有明显的变化。也就是说,数十亿年到上百亿年之后,暗能量不仅主导宇宙,还远远高于其他能量份额。

  还有一种可能,暗能量密度其实在慢慢变大。如果是这样,暗能量密度会在有限时间内变成无限大,也就是说,万有斥力变成无限大。不需要专家我们都能推测将会发生什么,宇宙中所有空间和物质都会被撕裂——首先是银河系被撕裂,然后是地球被甩出太阳系,接着是月球被甩出地球的引力范围,然后地球本身被撕裂……直到每个原子,每个原子核,每个质子和中子都被撕裂。

  我们也许永远无法弄清宇宙在发生暴涨前的状态,但我们应该会知道宇宙的宿命,到底是一直膨胀下去,还是有一天会减速刹车,或者……发生大撕裂。

  宇宙死去之后及之外

  为了避免这个未来,只有把不同文明制造的大量小宇宙中的物质归还给大宇宙,但如果这样做,小宇宙中将无法生存,小宇宙中的人也只能回归大宇宙,这就是回归运动。——《三体》

  暴涨宇宙论的主要预言,已经被近20年的宇宙学观测——特别是微波背景辐射的观测所证实,也许在不久的将来就会被毫无异议地证实,例如这个理论所预言的宇宙最初一刻发出的引力波被观测到(2014年3月一个美国观测小组声称观测到了),提出这个理论的古斯的成就也许将被诺贝尔物理学奖所肯定。

  然而,宇宙学的终极问题之一是,宇宙暴涨的起源是什么?宇宙是唯一的吗?下面,我们从众多理论中挑选出两个介绍给大家:

  轮回说

  首先,我们要提到与佛教轮回相似的循环理论。佛教中的轮回说,不同的人有不同的理解,哪怕是学佛的人,解释也很不相同。佛家也有天地成败的“劫”,一劫到底有多长?有一种说法,一劫大约是四十三亿二千万年,虽然比现在的宇宙年龄短,却是一个量级的。

  宇宙学家早就提出过类似佛教轮回学说的宇宙膨胀-收缩-反弹再膨胀-再收缩……的说法,这种说法给宇宙起源提供了一个理由:宇宙在大爆炸之前是另一个宇宙,在另一个宇宙之前还有一个宇宙,等等,如此前溯无穷无尽。

  永恒暴涨论与多元宇宙

  这是一个在过去十几年中非常流行的理论。

  1983年,林德提出了一个令人非常吃惊的想法,他认为暴涨的起源几乎无所不在。他将这个模型命名为混沌暴涨论。在这个模型中,驱动暴涨是一个永远在做量子涨落的场。当这个场涨落到一些地方使得场所含的能量足够大时,暴涨就发生了。例如,即使在我们现在这个足够安静的宇宙中,这个场也无时无处不在涨落,万一它涨落出一个足够大的能量密度,那个区域就会发生暴涨,从我们这个母宇宙中产生出一个小宇宙,那个小宇宙剧烈地膨胀,很快,一个崭新的大宇宙就从我们这个母宇宙中产生了。

  如果世界真是这样的,那么,在我们这个宇宙之外,应该还存在很多很多大大小小环境完全不同的宇宙,甚至连物理规律也可以不同。这样的宇宙图景,叫多元宇宙。

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