纵深深入分析引力,人是怎么死的

2019-10-12 13:18栏目:奥门新萄京娱乐场
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本文为2018年8月12日“我是科学家”第二期线下活动——向未知出发| 张帆 演讲实录:

第三十二章:深度剖析引力,引力波与电磁波和电磁场的关系

金属球和羽毛的落体实验和引力波有什么关系?意大利面又和引力磁又有什么关系?引力波不仅是2015年的大新闻,更是一代又一代物理学家大胆猜测、严谨验证的成果。虽然我们无法亲身前往神秘的宇宙深处,但科学家们却抓住了那远方的信使,让我们有机会探究宇宙未知的奥秘。北京师范大学天文系副教授张帆,将用小实验和风趣幽默的比喻为大家介绍了引力波的相关知识。

关于引力和引力场的本源是时空,是我们上一章所讨论的。这一章要回答的问题是引力与电磁力的关系。

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先来回答第一个问题,引力波与电磁波会发生相互作用吗?? 要回答这个问题首先要明白什么是引力波,什么是电磁波。以及它们的特点。

我很羡慕唐立梅老师,他们能够去南极那么远、那么好的地方,像我们这种搞理论的,只能窝在家里面靠猜,在座的哪位小朋友特别宅的,将来推荐向我们这方向发展。

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我是北京师范大学天文系的张帆,我们那里有一个叫做引力波宇宙学实验室,我是其中的成员。今天我过来给大家讲一讲关于引力波的事情。

引力是一种时空性质,对一切有质量的物体产生作用。

首先就是引力波,问一个问题,有多少人已经听说过这件事了:关于2015年已经成功探测到引力波、2017年拿到诺贝尔奖?其中有多少人已经读过无数关于引力波的科普,已经都受不了了?那你是不是已经明白引力波背后的物理机制,觉得再听也是浪费时间?没举手,OK,行,那我今天还能讲。我今天试试做一个实验,看看能不能用图片讲一点背后的物理的机制。

引力波是一种时空涟漪。

引力波是一个什么东西?它是我们所在的时空——时间和空间本身的波动,本身形状的变化,是在爱因斯坦的广义相对论下面才有意义的一个东西,它是验证广义相对论最后一块拼图。

电磁波是由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波,是以波动的形式传播的电磁场,具有波粒二象性。电磁波是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动,其传播方向垂直于电磁场。电磁波在真空中速率固定,速度为光速。见麦克斯韦方程组。

原因是什么?要搞明白这个,所以我们必须得要先学习广义相对论。

电磁力是电荷、电流在电磁场中所受力的总称。也有称载流导体在磁场中受的力为电磁力,而称静止电荷在静电场中受的力为静电力。

奥门新萄京娱乐场 3爱因斯坦的相对论,你了解多少?

上面是关于引力和电磁李的相关基本定义。从探测引力波的过程,我们可以得到引力波有两个个非常重要的特点。

广义相对论小课堂

下面五分钟的时间我要讲一讲广义相对论。

首先给大家先看一个视频。

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这是个宇航员,能看得出来他在月亮上是吧?他背后是一个登月舱。他在干什么你们能看得见吗?看不见正好,我再来做一次这个实验。

奥门新萄京娱乐场 5张帆现场演示实验。

我现在把这两个球放在同样的高度,它们一个沉一个轻,我让它们同时开始下落,最后认为这个重的先落地的举手,没有人;那我现在换一个羽毛,大家认为同时落下的举手,也没有人。大家生活经验都好丰富。那为什么羽毛没有同时落下?因为羽毛有空气阻力。

如果我们到月球上,到没有空气的地方,是不是羽毛和球就应该同时落下了?这个宇航员他右手拿的是一个锤子,左手拿的是一个羽毛,放下的时候,真的是同时落下的。

奥门新萄京娱乐场 6张帆现场演示实验。

奥门新萄京娱乐场 ,爱因斯坦在看到比这个在萨斜塔做的实验的时候,想的是它们俩个同时下落意味着什么?意味着这两个东西不论它的质地是怎么样,内部结构是怎么样,它带不带电荷,有任何结构上的区别,引力对它们的作用是完全一样的——同样的加速度,同样落到地上,同样时间落到地上,这一点和其他的力是完全不一样的。

爱因斯坦最喜欢做的就是思维实验,因为他穷。大家要知道在早期,人们认为实验物理学是光荣的,是贵族才能干的事情,而理论物理学是穷人在家里YY做的事情。所以最开始的理论物理学家是受歧视的。爱因斯坦做的思维实验是怎么样呢?想象你在一个封闭的空间里面,比如一个电梯间,同时让这两个球下落的时候,它们两个同时砸到地面了。

一种可能性是这个电梯间是放在地球上的,这两个球是由于引力的作用加速下降同时落地;另一种情况是电梯间实际上是在宇宙里面,同时有一个宇宙飞船拽着这个电梯间加速向上走,那这两个球也会同步的向下走,同时落在地面上。

所以你没有办法区分引力的效果,和一个参照物在加速运动的效果,这个参照物就是你的周围的这个电梯间的墙。
爱因斯坦把它拔高到一个更加抽象的角度,说“我把所有其他的力都带进来,把所有可能的实验都囊括进来,我仍然没有办法区分引力和一个加速运动的参照系之间的区别”。这就有一个特别重要的后果了,物理是一门实验科学,在任何实验当中都没办法区分这两个的话,它们就是一样的。所以爱因斯坦当时就得出了一个结论:引力不是力,但是引力体现了的是时空本身的几何结构的弯曲,它是一个弯曲的一个时空。所以换句话说,爱因斯坦的广义相对论把引力几何化了。

在广义相对论之下将引力几何化了之后,会有非常有意思的现象,比如说光也会受到影响,它也没办法走直线了。在牛顿的引力下面,光如果没有质量的话是不受引力的,但在广义相对论之下,你就有了这种奇特的叫做引力透镜的现象。

奥门新萄京娱乐场 7黑洞相互旋转产生引力波

比如说上面这张图,中间实际上是两个黑洞在互相环绕,这两个黑洞互相环绕的时候扭曲了周围的时空,所以从那些时空里面过来的光,也就是背景的星光,它走的是一个弯曲的路径,就好像这个光在一个透镜里面的效果是一样的,所以你看到所有的东西都已经扭曲了。

这张图不是艺术家的想象,当然也不是实景拍摄——实景拍摄的话摄影师早挂了。它是大型计算机通过理论数值模拟计算出来的。我们发明那么多超级计算机,比如太湖之光,干嘛用的?可以干这个用。计算出来这些时空之后,就可以看那些光究竟在里面怎么走。

在有了这个能力之后,人总是要干一些无聊的事情。比如下面这张图。

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想象你自己站在月球上看地球,在地球和月球之间有一个超光速飞船通过,上面这张图是你看到的情景,其中红点表示超光速飞船。

但是它是有问题的——你是没有办法穿过去虫洞,除非有反引力的特别物质在这撑着(让它不会闭合)。我们现在不知道这种物质有没有存在,十有八九不存在。这个也是一样,你需要反引力的物质才能够把这个超光速飞船造出来。所以我才说是无聊的事情,但是好玩。

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引力波

我们知道广义相对论了,那广义相对论跟引力波有什么关系?

在广义相对论下面,时空有一个几何形状,那个几何形状取决于物质的分布。地球弯曲了地球周围的空间,所以地球周围的东西才会往下掉;如果地球本身的状态发生变化了,比如它本来一直停止的,突然就这么跑了(但是事实上不行了,不然我们全都从地球上掉下去了),那这个地球状态改变的信息是什么传播出去的?就是通过波传播出去的,引力波。

奥门新萄京娱乐场 10电磁场动图

上图这个是电磁,这是一个电荷红点,当它停在中间,在远处的电磁场现在都指向它;如果它动起来了以后,远处的电场线必须跟着指向它,那远处这些电场线怎么知道我需要改变我的运动状态了呢?就是通过电磁波,是电磁波把这个信息传递出去的。

同样的原理,引力波也是一样。当源头处,比如说两个黑洞在这里互相绕转,开始是两个洞,后来变成了一个洞。这些关于这个黑洞状态的变化的信息,是怎么传递给远处,让远处知道这些变化?就是通过这些引力波?

所以引力波是广义相对论里面特别重要特别基础,必须存在的一个东西。

如何研究引力波?

我们知道它重要,我们怎么来研究它?还是从电磁学里面找思路。

电磁学里面有个特别重要的东西,就是电场线、磁场线。我把磁场线画出来了以后,就知道如果放一个磁铁在那个磁场线的地方,它会沿着磁场线的方向指向;如果是电场线的话,我放一个电荷,它会沿着那个方向加速,对吧?你可以通过画这些线来研究这个电磁波的发射是什么样的。

奥门新萄京娱乐场 11电磁波示意图。

左边这个是电磁波,这一圈一圈走掉的是电场线。下面这张图就可以更清楚地看到电磁波是怎么产生的,向右边那张图右上角。如果有两个电荷,你中间会有个电场线连接它们,电场线因为必须要脚踏着电荷。但是如果这两个电荷逐渐互相接近,最后中和掉了,你没有电荷了,你的电场线就没有地方落脚了,它自己就只能闭合成一个圈,没有根基的,什么就就跑掉了。跑掉的这个东西就是电磁波,左边的这个就是电场线,从一个电偶极子发射出来的电磁波。

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在引力场里面也可以画线。

奥门新萄京娱乐场 13左边是引力电,右边的是引力磁。

上图左边是引力电,右边的是引力磁,它和电磁没有直接的关系,只是一个类比。中间红的这个东西是一个黑洞,在黑洞附近,时空的每一点,例如那个箭头指的地方,有三条叫做引力电的线。

根据它的特性不同,你可以把它画弄成蓝色或者是红色。蓝色和红色是什么意思呢?你如果有一个人把自己沿着红色的方向站着,你会被拉长,沿着蓝色的方向你会被压扁。你们都听说过,如果一个宇航员掉到黑洞里,他会被拉成面条,就挂了,那是沿着红的那个方向进去的时候;你如果是横着(沿着蓝色方向)进去的话,你实际上是被压扁了的。

这在科幻片里面被提到得到如此多,以至于已经有一个词来描述:spaghettification。Spaghetti就是意大利面的细面条,一般是配番茄酱,当然你加这老干妈其实更好吃,但是意大利人吃不了辣的,所以他会扁你。

还有一件事情就是这个fusilli,就是拧成麻花的这个意大利面。它生的和煮过头的只有一秒之差(你要错过了那一秒把它煮过头了,意大利人就扁你)。那我为什么要把这个东西放在这呢?在一个旋转的黑洞周围,也有这些引力磁的线。你如果把一个人沿着红线放进去,周围的时空会拧你,沿着这个方向拧你,把你头和脚反方向拧。你如果是蓝色的线,它就逆过来拧。

所以掉到黑洞的时候,人的死法是很多种多样的,这个取决于你瑜伽的水平——你有可能是被拧死的,也有可能是被抻死的。你别看我这么胖,我其实瑜伽很好,我多半是被抻死。

奥门新萄京娱乐场 14两个黑洞碰撞了之后,形成一个单一的黑洞。

左边这边是两个黑洞碰撞了之后,形成一个单一的黑洞。那个黑洞在那晃,就会产生引力波,发射出来这个像甜甜圈一样东西,就是引力磁的场线。它和下图这个电磁场形成类比。

奥门新萄京娱乐场 15电磁场示意图。

1.引力波应变效应,即当一个引力波通过一个观测者的时候,因为应变(strain)效应,观测者就会发现这个时候时空被扭曲。当引力波通过的时候,物体之间的距离就会发生有节奏的增加和减少,这个频率对应于这个引力波的频率。这种效应的强度与产生引力波源之间距离成反比。人类就是靠这种效应测到的引力波!

如何探测引力波?

那怎么来探测引力波?

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引力波到远处了之后,就形成了那样子一个局面,这是它的波前,也就是一个波发出来到远处最前面那个闪的那个部分。在那个上面,每一点有三条线(它垂直方向没有任何的影响,所以就没有画),在沿着面的平行的方向,有蓝线和红线。还记得蓝线和红线作为引力电一个抻一个压,所以如果有两个尺子是垂直摆放着,当引力波过来的时候,它会压其中一个方向,而抻另一个方向;因为波是会变化的,过一会蓝的和红的都反过来了,它就压这个,抻那个。

所以探测引力波最简单的办法,就是用激光干涉仪,测的就是两个臂之间的臂长的差别。美国人造了,在Louisiana(路易斯安那州),就是吃海鲜乱炖的那个州,它有4公里长,是非常震撼的。当地民风淳朴,就是他看到这么震撼的东西,他第一反应是我要拿枪打它,当时也造成了巨大的困扰。

除了美国这两个以外,其它地方欧洲也有一个,然后日本有一个叫做KAGRA,这个是我非常喜欢的,它在一个山的下面,神冈山下面,就是测中微子那个地方。我为什么那么喜欢它?就是因为它的名字叫KAGRA,一看就是日本人起的。为什么?因为“Godzilla(哥斯拉)从东京湾登陆,KAGRA从西岸登陆夹击日本”,一听就是日本的。

我今天就讲到这。

奥门新萄京娱乐场 17张帆演讲现场。

2、引力波能够几乎不受任何介质阻挡的穿过行进途中的天体。

以上两个特点是电磁波所不具有的特点。比如说电磁波在行进过程中会被星际物质所影响。最常见的例子,就是太阳光,紫外线可以被云层反射,吸收等等。

而且最最重要的一点是引力,引力场都是时空性质。引力波是时空涟漪。而电磁力,电磁波,电磁场不是时空性质,电磁力是时空中的一种基本力,一种电磁现象。

所以我说引力是宇宙中最根本的力!说引力不是基本力的观点是错误的。比如韦尔兰德引力假说,就认为引力不是基本力,是突发力。

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综合上面的观点,显然引力波不会与电磁波发生纠缠和作用。也不会和电磁场发生纠缠和作用。

可是有的同学这时候不服气了,站起来问了一个问题:光是一种电磁波,可以被大质量物体偏转。甚至在黑洞附近,光是无法逃逸的。这不就是引力使得电磁波偏转吗?不就是引力对电磁波有作用吗?那么引力波和电磁波不也会发生作用吗?

首先是这样的,引力波和引力是两个概念。引力是一种时空性质。引力波是时空的涟漪,说白了就是时空剧烈震荡的表现,不是一种性质。

性质是与生俱来的,不管什么条件,什么环境下都存在。引力波出现和表现是需要条件的,对于它的探测更是难上加难。所以引力波和电磁波是不发上纠缠和作用的。

接着来回答引力和电磁波有纠缠和作用吗? 这个时候上面的问题就变的严肃起来了,任谁都不敢忽略这个问题。

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