一篇文章,读懂刷屏的引力波

2016-02-15 10:24 来源:创事记 杨青山 我有话说
2016-02-15 10:24:46来源:创事记作者:杨青山责任编辑:战钊

  

一篇文章,读懂刷屏的引力波

  

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文/杨青山

  

科学家发现引力波的新闻刷屏了。先感叹几句:科学之瑰丽壮观,它所有的迷人之处,是简洁、优美、可以理解。这种超越人类经验的存在,超越感官可触及的东西,却能被人类认知。

  

探寻真理让人沉醉...For the greatest mind !

  

情怀抒发完了,接下来问题,引力波是啥,这一发现为何如此轰动?

  

看到围观群众纷纷不明觉厉,笔者朋友圈很多受过高等教育、拥有一流学历的人也在问同一个问题,不免感叹我们教育真的存在很大的问题。被习题和试卷禁锢的大脑,难以真正深入理解一个东西,没有热爱,创新又如何能萌芽?背诵课文不会萌生发现的喜悦,更不谈独立思考认知世界的快感。我们“权威”的教科书,我们以前“高高在上”的老师和教授,需要自省,甚至回炉。

  

第一个问题,爱因斯坦发现,光速不变,必然要求空间会“变”。

  

先普及一个常识,我们看见的太阳散发出来的刺眼的光,跟我们看不见的收音机、手机、卫星发射和接受的电磁波,其实是同一个东西。“可见的光”是频率在某个范围的电磁波。

  

近代研究电磁现象有一个重大发现,电磁波的传播速度是恒定的,也就是光速是一个固定的数值。无论是在火箭尾焰上出现的光,还是在一架列车上向外打手电筒,“光”这种东西居然不会因为处在运动状态下提高速度。

  

就是这么一个问题,别人都“习以为常”,却在爱因斯坦头脑中萦绕了多年。最后,他提出了一个大胆的假设,光速不变,是因为以光的视角看,它沿途经过的空间发生了折叠伸缩。

  

这是什么意思?当某个人要加速的时候,道路突然变长了,然后它到达某个地点的时间还是固定的。

  

第二个问题,引力是什么?

  

很多人对引力的课本记忆还停留在“重力”,重复了一千遍的“一颗苹果砸到牛顿脑袋上”的故事。

  

普通人对引力的理解,应该是“两个物体天生就有互相吸引靠近的力,叫做引力”。这要极需被纠正的常识,引力并不是一种“力”,它是一种属性,我们生存的宇宙空间(严格来说是时空,时间空间互相影响,不可分割)的一种几何特性。

  

一开始,我们认为空间是独立于任何东西存在的。就像一个空旷的舞台,没人的时候存在,有人的时候也存在,台上会有各种表演,或者堆满了各式“道具”,而无论上面发生了什么,都是表演者和道具的事,舞台不受影响;

  

理所当然,单纯依靠人类经验会认为,空间是我们栖身的地方,无论在地球还是在宇宙,“舞台”本身是永恒的独立存在。后来,科学家发现“舞台”并不是不受任何影响,“舞台”会因有质量物体的存在而“弯曲”。

  

空间会弯曲,而不是平整的?空间可以被“掰弯”,证据呢?

  

实验证据,日食观测

  

常识认为光线是沿直线传播的。光线发生“弯曲”,并不是光本身发生了弯曲,而是空间发生了弯曲,即光走的路是“弯”的。牛顿力学认为月球绕地球运转是因为月球受到地球引力的吸引,但广义相对论则认为是地球的质量扭曲了附近的时空,月球在弯曲时空以最自然的方式运行,走出了一条绕地球运转的曲线。就如火车沿铁轨运行一样,当铁轨变弯曲后,火车自然沿弯曲的铁轨运行。

  

1911年爱因斯坦预言,当恒星的光非常接近太阳时,因为太阳的引力将会有一个小小的偏离,并第一次提出这种恒星光线的弯曲是可以测量的。

  

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1915年爱因斯坦的广义相对论发表,并计算出星光在穿过太阳附近时所产生的偏折角度为1.75角秒。光线在引力场中的弯曲,广义相对论计算的结果比牛顿理论正好大了1倍,爱丁顿和戴森的观测队利用1919年5月29日的日全食进行观测的结果,证实了广义相对论是正确的。

  

数学理论,支持我们的空间是可以被弯曲的

  

欧几里得的《几何原本》在构建经典时空时有五个倚靠直觉的公设:

  

由任意一点到任意一点可作直线。

  

一条有限直线可以继续延长。

  

以任意点为心及任意的距离可以画圆。

  

凡直角都相等。

  

同一平面内一条直线和另外两条直线相交,若在某一侧的两个内角的和小于两直角,则这两直线经无限延长后在这一侧相交。(平行线公设)

  

第五条定义平行线的公设有些拗口。很多人就想用着前四条更基本的直觉观念去证明第五条,结果罗巴切夫斯基和高斯先后发现,前人的证明多是错误的循环论证,平行线公设无法由前四条推理证明。

  

1820年代,俄国喀山大学教授罗巴切夫斯基在证明第五公设的过程中,他走了另一条路子。他提出了一个和欧氏平行公理相矛盾的命题,用它来代替第五公设,然后与欧氏几何的前四个公设结合成一个公理系统,展开一系列的推理。但是,在他极为细致深入的推理过程中,得出了一个又一个在直觉上匪夷所思,但在逻辑上毫无矛盾的命题。最后,罗巴切夫斯基得出两个重要的结论:

  

第一,第五公设不能被证明。

  

第二,在新的公理体系中展开的一连串推理,得到了一系列在逻辑上无矛盾的新的定理,并形成了新的理论。这个理论像欧氏几何一样是完善的、严密的几何学。

  

这种几何学被称为罗巴切夫斯基几何,简称罗氏几何。这是第一个被提出的非欧几何学。后来黎曼引入新的公设取代第五条平行定理,引出了黎曼几何(或称椭圆几何)。人们最终发现,欧式几何、罗氏几何、黎曼几何这三种几何学,都是常曲率空间中的几何学,分别对应曲率为0、负常数和正常数的情况。黎曼曲率等于1、-1和0的空间分别是黎曼球空间、罗巴切夫斯基空间和欧氏空间。欧氏空间可看作黎曼空间的特例。

  

黎曼统一了黎氏几何,罗氏几何,欧氏几何,并且预见,物质的存在可能造成空间的弯曲。为爱因斯坦的广义相对论准备了数学基础。

  

更到后来,人们还发现。

  

线的长短是一个几何问题吗? 以洛仑兹变换和狭义相对论来看,线的长短是相对的,和速度有关,不是单纯的几何问题。

  

线的弯直是一个几何问题吗? 按照人类经验,光线走两点之间最短路线,两点之间最短路线是直线,所以光线就是直线。但是,实验证明,光线在引力场会弯曲,所以,直线的概念并不纯粹是几何问题,还和物质的性质有关。

  

普通人会惊讶,我们看到的、感受到的、理所当然认为的许多日常观念,漏洞百出。

  

第三个问题,引力波不是一般意义上的“波”,而是空间持续的扭曲震荡。

  

空间可以被扭曲,因为有质量物体的存在。那超大质量物体,可以把空间扭曲到什么程度?

  

黑洞这种理论预言存在的天体,可以把空间扭曲成一个“无底洞”,任何东西只要“掉进去”就再也出不来。

  

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如果两个黑洞,互相旋转,持续不断扭曲周围的时空,就可以引发时空震荡。而时空震荡,就是新闻里说的引力波。

  

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一句话解释,引力是空间“被掰弯”的程度,数学定义叫曲率,而弯曲的程度受物质质量的影响,两个超大质量的物体互相旋转,周围被弯曲的空间就会发生持续的拉伸和收缩震荡。今天刷屏的新闻,就是这种震荡传到地球,正好被精密的LIGO装置探测到。

  

到这里,不知道各位看懂了没。看懂了,就顺手转发考验考验小伙伴吧。

[责任编辑:战钊]

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