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引力波的发现证实了爱因斯坦最后一个科学预言

(2017-10-16 09:20:18)
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杂谈

引力波的发现证实了爱因斯坦最后一个科学预言


         这不是科幻,更不是灵异,十三亿年前,在遥远寂静的深空,两个质量远大于太阳的黑洞发生了碰撞,引发时空涟漪,如同一石击起千层浪般,黑洞撞击引发的时空波浪就是引力波,它以光的传播速度向四围扩散。2015年9月14日,座落在美国的激光干涉引力波天文台的科学家们,终于捕捉和探测到这13亿年前两黑洞撞击传来的引力波!这无疑是震惊世界的伟大发现,由于引力波信号极其微弱且无法直接探测,所以自爱因斯坦在1915年预言引力波存在至今经历了100年,物理学家们一直在探索和验证引力波,艰辛漫长的探索历程现在终于有了结果,至此爱因斯坦创立的广义相对论所提出的四个科学预言均得到实验物理学的证实。
    今年10月3日,瑞典皇家科学院将2017年度物理学诺贝尔奖授予发现引力波的三位美国科学家,他们分别是:麻省理工学院教授莱纳.魏斯,加州理工学院教授基普.索恩和巴里.巴里什。用激光干涉方法来探测引力波的全新思维和构想首先由魏斯提出,得到广义相对论和引力波研究权威,著名天体物理学家索恩教授肯定并与之共同设计研制出激光干涉引力波探测器,其原理和制作过程是:将一束激光用分光镜分成夹角为90度的两束激光,然后分别在距两束激光原点4公里处用反射镜将两束激光反射产生干涉,注意!这是两束同波长同频率的单色光,此时假如引力波通过此地这装置,则会在引力波作用下改变激光干涉波频率,波长和传播方向,而这一切只有引力波能做到。且在激光波谱中留下引力波的丰富信息,譬如产生引力波能量源大小,星球的类型,质量,传播距离等等。当时这三位科学家和他们的团队为使实验做到精准和可靠,他们将完全相同的两台激光干涉引力波探测器分别设立在华盛顿州和亚利桑纳州,结果两地同时观测和捕捉到的引力波信息完全一致。从2015年9月14日发现引力波到现在的两年时间里,欧洲和美国的引力波探测装置已四次捕捉到引力波的信息。这里蕴涵着几千名科学家多年的心血和汗水。
 引力波的发现证实了爱因斯坦最后一个科学预言
                两黑洞撞击并合成一个黑洞引发时空涟漪—引力波

引力波的发现证实了爱因斯坦最后一个科学预言
           2017年度诺贝尔物理学奖获得者:魏斯,索恩,巴里什

引力波的发现证实了爱因斯坦最后一个科学预言
                    星旋转引发时空涟漪

   为了对引力波有个完整的了解,有必要回顾下历史,十九世纪,由于牛顿发现了万有引力定律,在此基础上科学家们建立起完整的牛顿经典力学体系,能完美地诠释宏观物体相互作用和运动规律。加之麦克斯韦尔建立了电磁场理论和方程,至此对自然界存在的两种力—引力和电磁力有了完整的理论和计算方法。到十九世纪末,甚至有学者认为,物理学大厦已构建得非常完美,发展也就到此为止了。可到了二十世纪初,物理学却又打开了两扇大门:由于核内放射性的发现和原子核内部结构的揭示,一个神奇魔幻的微观世界呈现在人类面前,微观世界基本粒子的相互作用和运动规律并不遵从牛顿力学定律,从而一门堑新的学科应运而生,那就是量子力学。而物理学的另一扇门由爱因斯坦打开,爱因斯坦创立了狭义相对论和广义相对论。
    爱因斯坦的广义相对论说通俗点就是将时间,空间和引力场联系在一起并用数学模型求证出三者关系式,求解引力场方程得出一系列结论,预言引力波存在就是结论之一。这些结论可简要陈述为:时空是弯曲的,在引力场作用下可延伸和压缩,这一切取决于引力场作用大小,而引力场又取决于运动物体的质量。譬如一个大质量的星球引发时空凹陷,小质量星球则在凹陷边缘围绕大星球旋转,如同太阳和地球一样。两星体碰撞或作环绕运动会引发时空振荡,而时空振荡的传播就是引力波。就如同声音引起空气的振动,而这种振动在空气中传播就是声波一样。引力场不但能引发时空扭曲,也能引发光或电磁波传播路径的弯曲和偏转,这一现象的直接结果是造成引力透镜效应。天文学家利用引力透镜现象可观测到被遮挡的天体,甚至能观测到某些星球背面的状况。
    相对论和牛顿力学最大区别在于对时间,空间和引力的认知上,牛顿力学将时间看成是绝对的,均匀的,不断流逝的过程,把空间形容成一个无穷大的空箱子,所有的星体在其中运行。而把物体间的引力认为是超距作用,无论相隔多远,均在瞬间完成。牛顿力学的数字基础是“欧基理德”几何学,而相对论则是“黎曼”几何学(即高维度曲面空间几何学)。人们很容易理解牛顿力学对时间,空间和引力的描述,那是因为人们对周围世界的客观感受就是这样。而对爱因斯坦的相对论却难于理解和想象,这是自然的。加之广义相对论所用的数学模型和推导极其艰深复杂,在上世纪二十年代能吃透广义相对论的科学家还真是屈指可数。
   引力波的发现在当今科学界是个重大事件,它证实了广义相对论最后一个科学预言,说明爱因斯坦所创立的理论是无可置疑的。更为重要的意义在于引力波将成为人类认识宇宙起源和演化进程的有力助手。由于引力波的传播以光速进行,且不受任何物体,射线和环境的阻隔,它将成为探索更深度宇宙的有力工具,正如人类的耳朵能聆听各种美妙音乐,能辨识不同音频高低音一样,引力波将给人类传来宇宙中形形色色天体演化的信息。未来引力波天文学将成为极具发展前景的学科。        科学巨人爱因斯坦离世已62年了,他对科学的贡献可说是无与伦比的,他的思维和创立的理论是超前的,我甚至觉得他早来到这个世界半个世纪,他的很多科学论断和预言,在他去世后多少年才陆续被实验物理学所证明。他得诺贝尔奖,是因为他发现并论证了光电效应,而他主研项目狭义相对论和广义相对论,则因当时无法验证而未获诺贝尔奖。他在物理学的很多领域都卓有建树,而且他提出的很多论点和预言仍处于当今物理学的前沿。如奇幻的量子纠缠现象是他首先预言的,又如他在解引力场方程时提出有可能存在时空旋涡,成为连通两个遥远时空的通道,被称为虫洞的就是“爱因斯坦—罗森桥”。这些都是物理学的热门话题,象量子纠缠现象将被应用于量子通信和量子计算,而时空穿越是当今影视作品的热门,或许在遥远将来的某一天,穿越时空成为现实。

引力波的发现证实了爱因斯坦最后一个科学预言
               大质量星球引发时空凹陷小星球则沿凹陷边缘旋转                   
引力波的发现证实了爱因斯坦最后一个科学预言
                               大质量天体引发时空凹陷

引力波的发现证实了爱因斯坦最后一个科学预言
                         两黑洞靠近时产生的引力波


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