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宇宙中的终极奥妙

宇宙中有着许多许多的奥秘,另人匪夷所思!今天跟小编一起来探讨宇宙中神奇的引力波。

专家小传:钟鸣,1973年生,广东湛江人。国防科学技术大学理学院物理系副教授、博士。联合国教科文组织和国际原子能机构下属的国际理论物理中心协联成员,大亚湾反应堆中微子实验组成员。从事高能物理理论研究,在强子物理、重整化群的性质以及引力的量子场理论等研究方向,发表SCI研究论文20篇,被引用近千次。

视点提示:2016年2月11日,美国国家自然科学基金会携加州理工、麻省理工的物理学家向全世界宣布:他们探测到被科学界期待已久的、由爱因斯坦提出的引力波。这个事件瞬间刷爆了网络和社交媒体,甚至演变成科学界的一场狂欢。引力波究竟为何方神圣?为何有如此大的魔力,引得全球科学家甚至无数网民为之竞折腰?

事件回放:引力波的前世今生

13亿年前,宇宙深处,一颗36倍太阳质量的黑洞和一颗29倍太阳质量的黑洞相互吸引、缠绕、旋转,象一对优雅的舞者,热情奔放地跳着探戈。在舞蹈中,它们不断地向外辐射能量,越走越近,越转越快。最后,一霎那间,它们激烈碰撞并结合在一起,成为一个62倍太阳质量的黑洞。损失掉的3个太阳质量的能量主要以引力波的形式向茫茫无际的宇宙辐射,其中的极小部分于北京时间2015年9月14日抵达地球,列队通过美国的激光干涉引力波观测平台(LIGO)。引力波会引起它通过的空间振动而伸缩,就象小球轻轻撞击弹簧一样。引力波的这个持续时间0.2秒的小动作正好被拿着激光干涉“望远镜”准备“检阅”它们的科学家发现。

至此,科学家们已经翘首期盼了它一个世纪。

1916年,爱因斯坦在广义相对论中第一次窥见了引力波的曼妙身姿。他认为当聚集成团的物质的形状或速度突然发生改变时,会扰动附近的时空,这种时空扰动以光速在宇宙中传播。

或者,你可以这样理解:如果在时空的湖面投下一粒石子,这粒石子必然将平静的湖面激起一片涟漪,时空会像波浪一样传递这种涟漪。因此,引力波还有一个诗意的别名:时空的涟漪。

但引力波的预言是如此大胆,大胆到科学家们无法接受,就连预言它的爱因斯坦都几次修改对引力波的判断,甚至否定它。科学家们激烈地争议引力波是否存在?是否携带能量?又是否以我们希望探测到的方式存在?

一直到1955年,费曼提出了著名的“粘珠”思想实验,对引力波存在与否的争议才基本尘埃落定。探测引力波开始被科学家们提上日程。

但引力波太微弱了。弱到什么程度呢?举例来说,地球和太阳这么大两个家伙组成的系统辐射出的引力波,总功率才大约200瓦。这基本上就是照亮一个房间的电灯泡的功率!以至爱因斯坦宣称:引力波是弱不可测的!

但这没有吓倒勇敢的科学家们。50年前,实验物理学家韦伯开拓了引力波探测的先河。40年前,天文学家泰勒和赫尔斯发现了脉冲双星、间接证实了引力波的存在,并因此获得诺贝尔奖。25年前,物理学家索恩和魏斯在美国国家科学基金的资助下开始建造激光干涉引力波天文台(LIGO),来搜寻来自太空的引力波信号。

那LIGO是怎样完成了这个看似不可能完成的任务的呢?

根据计算,宇宙中巨大天体激烈运动产生的“强”引力波在1000米距离上大约会有千分之一个原子核半径的变化。为了测量到这个变化,科学家利用激光干涉的原理,让两束完全相同的激光在两个互相垂直的长4000米的臂中跑来跑去,正常情况下,两个激光的信号相互抵消了;但如果有引力波经过,激光跑过的路程被引力波拉长或者压短,激光通过该边的时长就会发生变化,被记录下来。

LIGO的成功代表了人类科技的巨大进步,而这个巨大进步却仅是人类揭开引力波神秘面纱的一小步。

天外来客:带来宇宙诞生的秘密

这次直接观测到引力波,虽然仅是惊鸿一瞥,但科学家已经欢呼雀跃,并开始对引力波神秘面纱背后的“颜值”遐想万千。

——探索宇宙起源。电磁波、宇宙射线和中微子要在宇宙大爆炸之后一段时间才能产生,对它们的研究无法获取宇宙起源的信息。而宇宙大爆炸之时就会产生强的引力波,能帮助人类洞悉宇宙的起源和演化。

——探测暗物质。暗物质不发射电磁波,因此电磁波只能观测到宇宙中星球、星云等可以反射光的物质,但这类物质只占宇宙5%不到。由于只要有质量或能量就会辐射引力波,引力波成为目前直接研究暗物质的唯一途径。

——探索黑洞等大质量致密天体。由于引力波具有很强的穿透能力,可以帮助人们直接窥探到超新星爆炸、黑洞融合、伽马射线暴和其他重大天文事件的秘密。

受引力波这位“天外来客”的魅力吸引,世界许多国家已经开始了对引力波的探测和研究,涉及学科领域和前端技术十分广泛,包括物理学、天文学、宇宙学、天体物理、空间科学、光学等学科,以及精密测量、真空技术、洁净技术、航天技术、导航与制导、飞行器与轨道设计等先进技术。这些技术对于提升空间科学和深空探测的技术水平具有重要意义,一旦取得进展,将带来革命性的影响。

军事应用:科学还是科幻?

引力波的发现宣告了一个科学时代的开启,那么,拥有不菲学术身价的它,其应用前景如何呢?特别是对世界军事变革带来怎样的影响?

早在2008年,美国国防情报局就对难以捉摸的引力波是否可能被别国利用,从而给美国的国家安全带来威胁开展过调查。美国的一家公司还给国防情报局提交过一份项目申请书,希望开展利用强磁场将电磁波转变成强引力波的研究。

国防情报局要求贾森国防顾问团对该研究进行评估。贾森国防顾问团的理论物理学家经过严谨的理论计算,撰写了一份40页的报告,认为这种产生引力波的方法效率非常低,毫无现实意义。因为,即便地球上的所有发电站同时开机运行100亿年时间,才能产生一个仅有一百万分之一焦耳能量的引力波。如果想驱动一艘宇宙飞船以重力加速率飞行,需要消耗现在全世界总电力输出功率的1025倍。

看来,按照现有的引力理论和技术水平,人类根本无法产生足够强的、可以被加工和探测的引力波。现在,虽然经常有来自宇宙深处的强引力波光临地球,能否将其收集、储存、控制和加工这些引力波,作为人类的引力波源呢?以目前的技术,也很难找得到关住它的“笼子”。

不过,也不用操之过急。毕竟人类才探测到它,还不够了解它,对它的应用目前更是无从谈起。就像1887年电磁波被发现后,经过了一个多世纪后,应用电磁波技术的收音机、雷达、激光、卫星、GPS等才相继被发明和创造出来。

每一次基础科学的重大突破,都会轰轰烈烈地引起人类社会的一系列科技革命,改变人类的生产和生活模式,甚至人类战争形态。

未来,那些出现在科幻小说和科幻电影里、令人脑洞大开的引力波军事应用也许会人类发现和创造--

引力波星际通信。利用引力波具有超强穿透性、在传播过程中几乎不衰减、不受任何物体阻挡的特性,实现星系与星系之间的超远距离通信,实现海陆空的无界沟通。

引力波雷达探测。由于任何物质和能量都会辐射引力波,引力波雷达将让现在战场上的所有“可见光隐身”装备无处遁形,甚至还能通过发射特殊引力波进行主动成像,从而窥探地球甚至宇宙中的每个角落。

引力波反重力推进器。通过对引力波的研究掌握重力,从而消除甚至控制重力。实现星际飞船和所有军事装备的“无推进剂推进”,获得海陆空天甚至太阳系的无限机动能力。

而引力波最让人着迷的还是其“扭曲时空”的本领。比如,人类可以通过向飞行器发送引力波,改变飞行器上的时空尺度和性质,干扰飞行器的定位和导航,使其迷航。甚至可以利用引力波来建造“时空迷宫”。进入“时空迷宫”中的任何物体会自觉地沿着被引力波扭曲的空间轨道运动,它的落点完全受引力波的控制。不管是子弹、炮弹、导弹还是激光,引力波都可以扭曲它们的运动路径导致它们跑偏,甚至让它们“调转枪口”,让敌人搬起石头砸自己的脚。

关于引力波的这些奇思妙想,将激发人类不断地探索未知世界,推动科学技术的进步。

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来自:易道禅修  > 待分类1
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