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引力波已被证实,外星人离我们还有多远

  2017年10月16日,全球多国科学家同步举行新闻发布会,宣布人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波,并同时“看到”这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。


  很多同学听到这则新闻时是非常懵的,因为并不知道发现引力波是啥,有何重大意义。但我们都知道,在物理学中,有机械波、电磁波(光波)、物质波以及引力波这些概念。“波”既被用来表示一种运动的形式,也被当作存在的形式。下面小猿就为大家分析一下这些波的含义。让同学们在理解物理知识的同时,了解引力波的发现对我们生活的意义。

  1.机械振动与机械波


  固体经历微小形变时,振动和转动有某种一致性。举例来说,缝纫机上踏板来回振动会转化为传动轮的转动,传动轮的转动又转化为缝纫针的上下振动。振动与转动之间的转换,正是工业文明的基础。

  振动波被当作经典物理中谈论波的基础,甚至成了波的化身,但它们远远不足以反映机械波的复杂性。比如,1834年英国科学家发现水渠中行驶的船头总有一个高高的浪头。此现象涉及的浅水波概念被称为孤立波。

  2.光的波动说


  光充满宇宙。牛顿认为光是由颗粒组成的。雨丝里有一个个的小雨滴,那光线也可能是由分立的颗粒组成的,只是颗粒个头太小不易分辨而已。荷兰的惠更斯比较水波的形象和烛光摇曳的影子,认为光应该是水波那样的波,这就是光的波动说。此时的光是一种波,是某种物质的振动。

  3.麦克斯韦与电磁波


  1861-1862年间,英国人麦克斯韦在总结前人电磁学研究的基础上,提出两个具有重要物理意义的发现:

  1)电磁场可以是波;

  2)电磁波的波速等于光速,这意味着光是电磁波。


  1887年,德国人赫兹在实验装置电路旁用一根导线连着的两个锌球之间引起了电火花,这说明电磁场从线路中溢出来了。这个实验被看作是第一次产生了电磁波,不过同样重要的是,它第一次让人们注意到了光电效应。既然实验产生了电磁波,且速度就是光速,得出光是电磁波的结论也就水到渠成了。

  今天的观点是:电磁波是场,它本身就是存在,它凭借自身向远处传播。

  4.光的粒子说、物质波与量子力学波函数


  1900年,普朗克成功拟合了黑体辐射的实验曲线;1905年,爱因斯坦更进一步,解释了光电效应的实验结果。提出明确的频率或波长概念,其能量和动量则分别是hν和h/λ。常数h被称为普朗克常数。普朗克常数,便是量子力学的标签。

  光是波还是粒子的观念,还激发了法国人德布罗意的灵感:如果光既是(水)波又是粒子,那么作为粒子的电子是否也是波,或者说也会表现出波的行为?1924年,德布罗意提出了物质波的概念:电子这样的粒子也是波,相应的波长和频率由粒子的能量E和动量p给出。这便涉及傅里叶分析。

  5.傅里叶分析


  傅里叶级数是法国人傅里叶在研究传热问题时得到的。圆周运动上叠加圆周运动是很容易得到各种可能不是很光滑的图形的,包括棱角分明的三角形——这是数学的威力。在近2个世纪的发展后,傅里叶分析的研究领域已从直线群、圆周群扩展到一般的抽象群。

  傅里叶分析作为数学的一个分支,无论在概念或方法上,都广泛地影响着数学其它分支的发展。数学中很多重要思想的形成,都与傅里叶分析的发展过程密切相关。

  6.相对论与引力波


  19世纪末由于牛顿力学和麦克斯韦电磁理论趋于完善,一些物理学家认为“物理学发展实际已经结束”,但当人们运用伽利略变换解释光的传播等问题时,发现一系列尖锐矛盾,对牛顿经典时空观产生疑问。

  牛顿时空理论(或伽利略变换)中的时间,无法在现实世界中实现。对此,爱因斯坦提出物理学中新的时空观——光速不变原理,并发现可与光速相比拟的高速运动物体的规律,创立狭义相对论。狭义相对论作为区别于牛顿时空观的新的平直时空理论,已经被许多高精度实验所证实。


  此后,爱因斯坦决定把狭义相对论也应用于引力问题,为此要把狭义相对论加以推广,形成广义相对论。狭义相对论只适用于惯性系,它的时空背景是平直的四维时空,而广义相对论则适用于包括非惯性系在内的一切参考系,它的时空背景是弯曲的黎曼时空。

  广义相对论认为,引力不仅是空间中的点之间的效应,还包括在空间和时间中的点之间距离的几何的畸变引起的,因此(敲黑板)——引力场能够影响时间和距离。

  随后,广义相对论预言了引力波的存在,但直到2015年,人类才首次探测到引力波。现在,它已经被直接观测所证实!


  爱因斯坦是这样描述的:“引力波以光速迅速扩散,充满整个宇宙。”引力是由于质量所引发的时空扭曲所造成,任何有质量的物体加速运动都会对周围的时空产生影响,时空在伸展和压缩的过程中,会产生振动,这些振动就是引力波。这些波动,我们可以想象为将一块石子投入水中所掀起的涟漪,因此,引力波也有一个好听的名字,叫做“时空涟漪”。

  通过“时空涟漪”,我们将开启一扇宇宙天窗,窥探藏身于宇宙深处的秘密,与亿万星系的生灵建立起光年以外的联系!无线电在星际通信中算是非常落后的技术,引力波的独特稳定性,决定了它才是超远距离通信的基础。在可行性上,如果真有外星生命,它们可能会倾向于用引力波来和其他星球文明进行通信。这意味着——以后真的可以跟外星人直接联系了!这是人类以前从未有过的,科学的新时代即将到来!


  以上便是从经典力学的机械波到广义相对论的引力波的诸多波概念。但是,真实的物理世界中,一根金属丝除了会象三角函数那样来回伸缩,它还会永久变形甚至断裂;水面上除了贝塞尔函数那样的圈状波纹以及用双曲函数描述的孤立波,也有能打翻大船的湍流;电磁场除了会优雅地振荡着飞越真空,它还能击穿空气产生闪电……

  科学无止境,既有知识外,还有太多的物理学奥秘等待我们去发现。大家还有哪些学习方面的问题呢,跟小猿说说。
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