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除了科普引力波,你还应该知道的常识

引力波是宇宙的涟漪。黑洞、中子星等天体在碰撞过程中有可能产生引力波,引力波扩散开,就是宇宙的涟漪。100年前的1916年,爱因斯坦发表了他的广义相对论,广义相对论的其他预言如光线的弯曲、水星近日点进动以及引力红移效应都已获证实,但爱因斯坦提出的引力波是宇宙诞生之初产生的一种时空波动,随着宇宙的演化而被削弱。一直在求证中,今天才得到证实。

引力波是在两个或多个庞大的星体碰撞时产生,两个相互绕行的黑洞被认为可以创造引力波,不过波纹会非常微小,但这些“宇宙的涟漪”在时空中畅通无阻,所以科学家通过建设精密的探测装置(激光干涉引力波天文台)能在地球上探测到它们。

引力波在宇宙大爆炸期间就已产生,这次探测到的引力波是由13亿光年之外的两颗黑洞在合并的最后阶段产生的。两颗黑洞的初始质量分别为29颗太阳和36颗太阳,合并成了一颗62倍太阳质量高速旋转的黑洞,亏损的质量以强大引力波的形式释放到宇宙空间,经过13亿年的漫长旅行,终于抵达了地球,被美国的“激光干涉引力波天文台”(LIGO)的两台孪生引力波探测器探测到。

引力波是宇宙膨胀的证据,如果我们探测到引力波,那么我们可以相当肯定的宇宙大爆炸曾经发生。因为引力波的发现可以让人类第一次“看到”宇宙是怎样形成的,从而揭开宇宙诞生之谜。引力波揭示了一些最根本的问题,即我们为什么存在,宇宙是如何开始的。


如何找到引力波:通过测量时空弯曲的变化,从宇宙深处传来的引力波有两种振动模式。无论是以哪种模式传过来,都会改变我们这里的时空弯曲。更具体一点来说,会改变我们这里两点之间的距离。比如,当水平方向的距离变小时,竖直方向之间的距离变大。而当水平方向的距离变大时,竖直方向的距离就变小。激光干涉仪可以探测到由这种距离变化而产生的干涉条纹的变化。

引力波到底有什么作用?过去,我们主要是通过电磁波来观察这个神奇的世界,这是看的方式。有了引力波,我们便又多了一个触角,可以通过听的方式。我们可以利用这个探针,触及到电磁波不能触及到的宇宙深处。从而使得我们可以飞到时间的起点,彻底揭开宇宙起源之谜。

请大家观看下面这个3分钟的视频,更形象易懂。




要全面了解引力波,尤其是一些宇宙现象,必须要懂得以下的一些常识。这是一个科技突飞猛进的时代,如果基本知识不了解,连看《星际穿越》等影片就看不懂。


宇宙空间内存在的一种超高密度天体,由于热力学上它是完全不反射光线的黑体,故名为黑洞。于1969年由美国物理学家约翰·阿提·惠勒命名。黑洞是质量足够大的恒星在“燃料”耗尽而“死亡”后,发生引力坍塌产生的。黑洞产生的引力场极为强劲,以至于任何物质和辐射在进入到黑洞的一个事件视界(临界点)内,便再无力逃脱。




物体进入黑洞是非常复杂的一件事,因为黑洞的引力过于强大,所以物体接近黑洞后,就被吸在了一个巨大的绕着黑洞旋转的盘上,这个盘叫吸积盘。通过释放引力势能,吸积盘上的物质转化为能量,因此吸积盘上是几百万高温的等离子体,同时放出大量的高能射线。


一般认为虫洞是连接宇宙遥远区域间的时空细管。虫洞就像多维空间隧道,像是大海里面的漩涡,无处不在但转瞬即逝。虫洞可以把平行的宇宙连接起来,并提供时间旅行的可能性。




举例来说,可以将一张纸条视作通常的空间,那么从位于纸条一端的一点到位于另一端的一点需要很长的距离,但是把纸条两端连接在一起,那么两点间的距离就很短了。虫洞的科幻意义巨大,但遗憾的是至今没有任何证据表明虫洞的存在。


奇点是时空中的一点,在该处时空曲率或其他的物理量都变得无限大,它具有一系列奇异的性质,无限大的物质密度、无限大的压力、无限弯曲的时空等。




大多科学家认为它是宇宙产生之初,由爆炸而形成宇宙的那一点。它具有所有物质的势能,而这种势能正是由大爆炸而转化为宇宙物质的质量和能量,我们可以想象,奇点是一种没有固定形状的、没有体积的不可思议的存在。


大家都知道,一条线是一维空间,一个平面是二维空间,一个立体是三维空间,而我们的世界是由时间支配三维物体形成的四维空间。超过四维空间的更高维度就被我们称为高维空间。影片中出现的高维空间主要是五维空间,也就是我们世界更高一级的空间。




五维空间到底是怎么样的呢?我们可以运用类比来推断。在四维空间,三维物体是一切物质的组成基础,而时间则是整个四维空间活动的基本,没有时间,一切都是静止的,就和三维空间没有区别。那么在五维空间,四维物体可能就是一切物质的组成部分。可能组成五维物体最基本的元素就是一整个四维空间,在这个元素中包括我们所有已知的世界。四维空间是五维空间的子集。


“弹弓效应”是一个物理名词,指的是小天体等借助大质量天体重力获得更大动能,这个概念被推广开来就是借助外界条件让自己获得加速度的意思。



也是电影中宇宙飞船飞行的一种必要手段。现在很多的探测卫星都采用弹弓效应来借助星球引力使自己加速,尽可能地节省燃料,同时,引力助推既可用于加速飞行器,也能用于降低飞行器速度。靠着这种方式,在星际间弹来弹去,最后到达目的地。


时间膨胀贯穿《星际穿越》整个剧情,电影中主角在进入太空后便遇到了时间膨胀,宇宙中主角们的时间和地球上的时间可以用“天上方一日,地上已千年”来形容,这样的时间错乱给电影增加了一丝悲凉和无奈的气氛。至于时间膨胀本身,则是一种物理现象。




在相对论中,空间和时间的尺度随着观察者速度的改变而改变。例如,向着我们以接近光速速度运动的一个时钟本身所标明的时间,比另一个与我们相对静止的时钟走得慢些。


有了时间膨胀效应,人们在以极高速运动的飞船上时,尽管外界已经经历了很长的岁月,自己却没什么老化,因为极大的速度会使飞船(和里面的所有物体)的时间减慢。也就是说,飞船的时钟走了一圈,地球上的时钟已经转了许多圈了。


宇宙是一个理论上的无限个或有限个可能的宇宙的集合,包括了一切存在和可能存在的事物。我们的宇宙之外还可能存在的与我们所认知的宇宙类似的其他宇宙,多元宇宙所包含的各个宇宙被称为平行宇宙,电影中男主角就遇到过无数个平行宇宙。




宇宙中有超过1000亿个星系。最大的星系有将近4000亿星体,我们所在的星系——银行系可以确定有1000亿星球,如果你要数星星,单单银河系的,一秒数一个,你也要花上3000年才数完;


“日”是太阳系里面最大块头的,它大约占据太阳系的总质量的98%(130万个地球都可以塞到太阳里面,太阳的表面温度有6000℃,而内部温度则高达15,000,000℃); 




地球和月亮的距离一年增加3.8厘米。正式由于这个原因地球自转在变慢,每隔100年地球自转就慢2秒。换言之,100年后的今天比现在的今天要多2秒。


木星是太阳系中最大的行星,同时也是自转最快的行星,在木星上一天只有9小时55分钟。


土星是太阳系中第二大的行星,同时还是太阳系中最明亮的星体,它的密度低到可以在水上漂浮。


大多数小行星位于火星和木星之间的轨道(小行星是40亿年前太阳系形成的副产品,这些小行星都是恐怖分子,任何一个都可能给地球带来局部或全球毁灭,不过平均要10万年才会撞击一次地球,通过仪器我们每天可以观测到2千万个流星,但是只有一两个流星会到达地球表面)。 


根据最准确的统计,目前发现14个黑洞(离我们最近的Cygnus X-1,有8000光年那么远,黑洞只会吸收穿过它势力范围内的物体,所以它们不会吞嗤整个宇宙,一个黑洞可以吸收其他小的黑洞,但距离必须足够的接近,黑洞也可能碰撞而合二为一,你不会看到黑洞,因为象所有物体一样,光线也被弯曲吸收)。


错误的流言:太空中万里长城是地球上唯一可以看到的人类建筑。在217公里的太空,航天飞机上的宇航员,会看到高速公路、大坝、飞机场、金字塔,甚至大型的车辆。事实上,万里长城比其他建筑可见性更低,尤其相比那些反光效果好,或者跟周围色差大的建筑。


北斗七星是星群而不是星座。北斗七星其实只是大熊座的一个小部分。同理,猎户座只是猎户星座的一支星群。


漆黑的宇宙,周边没有任何物体的情况下,温度大概是2.7开尔文(-270℃)。太空的温度应该是绝对零度(0开尔文),但由于背景辐射的缘故,温度有一点点微升。


外太空之死,如果人体突然暴露在太空,他的体验将是这样:a.由于周围真空,压力有差异,在肺部和消化系统的气体会突然膨胀(有趣的是,呼出气体反而大大增加了可以生存的时间,因为如果肺部破裂,气泡进入血液循环系统,死亡是瞬间的事);b.水会突然蒸发,意味着嘴、眼睛和软组织的水分会很快消息(有趣的是,由于真空,热量传递相对缓慢,所以被冻死不是最紧要的事情);c.直接暴露在太阳光或其他恒星的辐射下,会导致裸露的皮肤严重烧伤;d.在完全没有空气压力的情况下,肺将开始逆转工作(氧气将被迫从血液返回到肺部,这将加速窒息)



在象太空一样的真空中,两个干净、平坦表面的同类金属会立即瞬间黏附,只需要将它们轻轻合在一起(这就是冷焊接,或者说接触焊) 


宇航员在太空不会打嗝(因为重力过低,胃部气体不会从液体中分离,因此打嗝是不可能的)


在外太空,飘逸的液体都会变成球状(这是由于液体的表面张力以及低重力)太空中,你怎么叫都没人听到(因为没有空气传递你惨叫的声波)。             




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