《三體》中就有引力波的描述:神秘的引力波天線

2020-11-23 中國青年網

  一個振蕩的電荷會產生電磁波,兩個天體互相繞著運動能夠成為引力波的來源。事實上,引力波就是這麼被間接發現的。兩個中子星互相繞著轉動,輻射引力波導致中子星損失能量,之間的距離變小,轉動的周期變小,這個間接觀測完全符合愛因斯坦的理論,天文學家泰勒和赫爾斯因為這個觀測,共同獲得了1993年的諾貝爾物理學獎。

  在宇宙中,超新星爆發,黑洞形成,一顆恆星掉入黑洞,都會產生引力波,而且比較強。雖然泰勒和赫爾斯在1974年就間接地觀測到了引力波,但由於引力波非常微弱,直到今天,科學家都還沒有能夠直接探測到引力波。人類有望在2016至2017年探測到引力波。

  宇宙之死

  在永遠的膨脹中,所有的星系將相互遠離……恆星將相繼熄滅……宇宙將變成一座空曠的墳墓,所有的文明和所有的記憶都將被永遠埋葬在這座無邊無際的墳墓中,一切都永遠死去。——《三體》

  在談到宇宙的未來之前,我們首先應了解宇宙現在的狀態。其實,我們不需要知道太多,只需要弄清楚兩個重要的問題:

  第一個問題:宇宙的膨脹程度如何?是加速還是在減速?

  第二個問題:宇宙中的能量組分都有什麼?

  在1998年以前,幾乎所有人都相信宇宙雖然在膨脹,但膨脹在減速,將來的很多很多年之後,膨脹的速度可能無限趨近於零,也可能會降低到零,然後宇宙開始收縮變小。這是一個自然的想法,自從大約150億年前發生的大爆炸以來宇宙一直在膨脹,但目前的膨脹速度已經比宇宙早期變小了很多,許多人認為宇宙的膨脹一直在減速,觀測也似乎支持這個自然而然的想法。有趣的是,幾乎沒有人質疑過觀測數據,儘管現在回頭看以前的觀測數據,並沒有在嚴格的意義上告訴我們宇宙的膨脹在減速。

  為什麼物理學家特別相信宇宙膨脹的速度在減小呢?這是因為主導宇宙的力是萬有引力,即使是愛因斯坦的理論也不能改變這個事實。在萬有引力的主導下,宇宙中所有天體之間的相對速度都會變小。

  愛因斯坦為了獲得一個靜止的宇宙引入了一個萬有斥力。萬有斥力只是宇宙加速膨脹的解釋之一。從現代物理學的觀點來看,他的理論相當於認為真空中存在某種永遠不會因為宇宙膨脹而稀釋的能量,這個能量的密度保持恆定。這種能量叫暗能量。

  暗能量的性質決定了我們宇宙的命運。這是因為,暗能量現在是主導宇宙的能量,它佔宇宙中所有能量的60%以上,而我們肉眼能夠看到的物質以及肉眼看不到的暗物質只有不到40%。

  我們稍微談一下暗物質,它是暗能量之外佔宇宙能量組分最大的。這種物質看不見摸不著,但天文學家在20世紀60年代,就發現它的存在了。它的存在導致星系和星系團的萬有引力比可見物質引起的萬有引力大得多,天文學家通過觀測恆星圍繞星系中心的運動速度,可以推斷出暗物質要比普通物質多了5至6倍。

  不論是普通物質、暗物質,還是輻射,這些能量密度在宇宙空間膨脹下被稀釋,而暗能量呢,在數十億年之內沒有明顯的變化。也就是說,數十億年到上百億年之後,暗能量不僅主導宇宙,還遠遠高於其他能量份額。

  還有一種可能,暗能量密度其實在慢慢變大。如果是這樣,暗能量密度會在有限時間內變成無限大,也就是說,萬有斥力變成無限大。不需要專家我們都能推測將會發生什麼,宇宙中所有空間和物質都會被撕裂——首先是銀河系被撕裂,然後是地球被甩出太陽系,接著是月球被甩出地球的引力範圍,然後地球本身被撕裂……直到每個原子,每個原子核,每個質子和中子都被撕裂。

  我們也許永遠無法弄清宇宙在發生暴漲前的狀態,但我們應該會知道宇宙的宿命,到底是一直膨脹下去,還是有一天會減速剎車,或者……發生大撕裂。

  宇宙死去之後及之外

  為了避免這個未來,只有把不同文明製造的大量小宇宙中的物質歸還給大宇宙,但如果這樣做,小宇宙中將無法生存,小宇宙中的人也只能回歸大宇宙,這就是回歸運動。——《三體》

  暴漲宇宙論的主要預言,已經被近20年的宇宙學觀測——特別是微波背景輻射的觀測所證實,也許在不久的將來就會被毫無異議地證實,例如這個理論所預言的宇宙最初一刻發出的引力波被觀測到(2014年3月一個美國觀測小組聲稱觀測到了),提出這個理論的古斯的成就也許將被諾貝爾物理學獎所肯定。

  然而,宇宙學的終極問題之一是,宇宙暴漲的起源是什麼?宇宙是唯一的嗎?下面,我們從眾多理論中挑選出兩個介紹給大家:

  輪迴說

  首先,我們要提到與佛教輪迴相似的循環理論。佛教中的輪迴說,不同的人有不同的理解,哪怕是學佛的人,解釋也很不相同。佛家也有天地成敗的「劫」,一劫到底有多長?有一種說法,一劫大約是四十三億二千萬年,雖然比現在的宇宙年齡短,卻是一個量級的。

  宇宙學家早就提出過類似佛教輪迴學說的宇宙膨脹-收縮-反彈再膨脹-再收縮……的說法,這種說法給宇宙起源提供了一個理由:宇宙在大爆炸之前是另一個宇宙,在另一個宇宙之前還有一個宇宙,等等,如此前溯無窮無盡。

  永恆暴漲論與多元宇宙

  這是一個在過去十幾年中非常流行的理論。

  1983年,林德提出了一個令人非常吃驚的想法,他認為暴漲的起源幾乎無所不在。他將這個模型命名為混沌暴漲論。在這個模型中,驅動暴漲是一個永遠在做量子漲落的場。當這個場漲落到一些地方使得場所含的能量足夠大時,暴漲就發生了。例如,即使在我們現在這個足夠安靜的宇宙中,這個場也無時無處不在漲落,萬一它漲落出一個足夠大的能量密度,那個區域就會發生暴漲,從我們這個母宇宙中產生出一個小宇宙,那個小宇宙劇烈地膨脹,很快,一個嶄新的大宇宙就從我們這個母宇宙中產生了。

  如果世界真是這樣的,那麼,在我們這個宇宙之外,應該還存在很多很多大大小小環境完全不同的宇宙,甚至連物理規律也可以不同。這樣的宇宙圖景,叫多元宇宙。

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    引力波是時空結構中的漣漪,就像一艘穿越平靜海面的船在其後留下絲絲尾波一樣,宇宙中移動的「飛船」也會產生引力波。不同的是,引力波情況下的「飛船」卻是極度猛烈的物體,所引發的事件要劇烈得多,如黑洞合併、中子星碰撞、超新星爆炸等。所有這些都會在時空結構中產生波,隨著其漣漪在宇宙中的傳播而進行拉伸和擠壓。如下面動畫所示兩個黑洞碰撞的最後片刻所產生的引力波。
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    光電效應詳細描述了在光子世界中,更看重個體能力,光子是一份份的,波長越短,單個光子的能量越強。 當無線電波經過天線或通過天線時,電波產生的電場使天線內部的電子移動,將能量轉移到天線,從而產生電信號。 當光線進入數位相機時,光子會撞擊不同的像素點,並刺激相機內部的電子元件,將能量傳遞給它們,促使信號被記錄下來。 如果說電磁波可以依照光子傳輸能量,那麼引力波是如何輸出能量的?
  • 在科學發展的過程中,引力波是如何被發現的呢?
    13.4億年前,在距離地球非常遙遠的地方發生了一件大事,這可以算是宇宙中毀天滅地的大災難。不過它和地球上發生的任何災難都不一樣,不像是小行星撞擊地球那樣發生劇烈的爆炸,然後地震海嘯火山噴發,宇宙中的這一場災難發生的靜悄悄的。