以2017诺贝尔奖引力波为例浅析物理学对于人类文明的推动作用

2018-11-29曹笑乾

中国科技纵横 2018年2期

曹笑乾

(榆林高新完全中学,陕西榆林 719000)

1 引言

北京时间2017年10月3日17点45分,备受关注的2017年诺贝尔物理学奖正式揭晓。本次的获奖者分别是雷纳.韦斯,巴里.巴里什(Barry Clark Barish),基普.索恩(Kip S Thorne),以表彰他们对于引力波探测的杰出贡献。引力波的探测进一步证实了物理学中广义相对论的重要性,而广义相对论对于人类文明发展的推动作用是翻天覆地的。因此,2017年诺贝尔物理学奖颁给这三位对引力波探测装置L I G O的决定性贡献者是众望所归的。

2 引力波的发展历程

2.1 广义相对论的理论基础

19世纪末牛顿力学和麦克斯韦的电磁理论趋于完善,正当人们庆祝“物理的大厦已经落成,所剩的只是一些修饰工作”时,又发现了经典物理理论不能解释的现象,被称为物理学天空中的两朵乌云。人们发现许多现象是经典时空理论解释不了的,因此,对原有的经典时空理论产生了怀疑,迫切需要一种新的有效的时空理论去解释这些现象。

狭义相对论的基本假设是光速不变原理和狭义相对性原理。即,在任何惯性系中,真空中的光速都相同以及一切物理规律在惯性参考系中都是等价的。有了这两条基本假设后,狭义相对论预言了牛顿经典时空理论中一些没有的效应,如时间膨胀、长度收缩、质能方程等。后来,爱因斯坦试图将万有引力纳入相对论的框架之中,尝试了几次都没有成功后,他意识到狭义相对论不能容纳万有引力定律。于是,他将狭义相对论推广到广义相对论,促进了广义相对论的诞生。

广义相对论是在狭义相对论的基础上提出的关于万有引力本质的理论。狭义相对论只适用于惯性系的情况,而广义相对论适用于包括非惯性系在内的一切参考系。爱因斯坦在1916年提出的第二种相对性理论认为,引力是由空间——时间弯曲的几何效应的畸变引起的,因而引力场影响时间和距离的测量。相对论的时空基础都是空间三维加上时间一维,即四维的黎曼时空。不同的是,狭义相对论的时空背景是平直的四维时空,而广义相对论的时空背景是弯曲的四维黎曼时空。因此,在广义相对论的理论基础上,爱因斯坦预言了引力波的存在。

2.2 预言引力波的存在

我们先简单介绍引力波的概念,在物理学中,引力波是指时空弯曲中的涟漪,通过波的形式从辐射源向外传播,这种波以引力辐射的形式传输能量。上面提到,因为广义相对论认为时间空间是有几何效应畸变弯曲的,所以这种时空的弯曲产生的波动就是引力波,并且可以辐射能量。

用质能方程解释引力波辐射的能量从何而来。时空并不会无缘缘故地弯曲,产生引力波主要是由于黑洞合并。黑洞,是广义相对论中的一种宇宙天体,黑洞的质量和引力都很大,使得视野内的逃逸速度大于光速,因此光都无法从黑洞中逃出,我们只能看到没有光的黑洞。在宇宙中,由于黑洞的质量和引力极大,会使黑洞周围的时间和空间产生弯曲。而当两个黑洞合并成一个黑洞时,质量会比之前两个黑洞的质量加起来小。根据质能方程E=mc2,减少的质量会以引力波的形式辐射出能量。只要探测到引力波的引力辐射能量就可以证明引力波的存在,从能进一步验证广义相对论的正确性。

2.3 探测引力波的能量

引力波的探测非常困难。广义相对论中早就预言了引力波的存在,但迟迟没有探测成功就是因为引力波非常难以探测。根据公式,探测引力波所需要的精度相当于在一公里的长度上,探测一个小于原子半径的长度变化量,因此,探测引力波对仪器精度的要求非常高。而如此大的探测难度主要是由于光速非常大以及万有引力常数非常小。

引力波的探测历程曲折又充满智慧,其中不乏许多国家优秀的引力波探测计划。第一个从实验层面,对引力波直接探测做出伟大尝试的是韦伯,他设计了一种共振棒。探测原理是：当引力波来临时,共振棒的设计频率和引力波的振动频率一致就可以通过共振探测到引力波。这种共振棒有很大的局限性,首先,共振棒只能设计一个已有频率,如果引力波有许多不同频率的振动组成,共振棒就无法探测。其次,引力波会产生时空畸变,共振棒做得越长,引力波在该仪器上作用的变化量也越大。虽然用共振棒来直接测量引力波的实验失败了,但是韦伯作为这一领域的第一人仍然激励了许多物理领域的杰出科学家投身于探测引力波的伟大事业中。其中最杰出的便是2017年诺贝尔物理学奖的三位获得者,他们中两位是L I G O的联合创始人。L I G O的全程是激光干涉仪引力波天文台,是美国的加州理工学院主导,与麻省理工大学合作的引力波探测项目。它的原理就是我们高中物理中曾学过的迈克尔干涉仪。当引力波经过时,干涉仪的双臂长度会有微小的变化,导致产生光程差,再在通过精密测量技术,在各种噪声中将微弱的信号捕捉出来就能够实现对引力波的直接探测。2015年9月14日,精度升级的LIGO捕捉到了黑洞融合时产生的引力辐射信号,这是人类第一次成功探测到引力波。L I G O的成功探测极大地激发了各国对引力波探测项目的兴趣。除美国的L I G O外,现有的引力波研究装置还有位于德国的GEO600,位于意大利的Virgo和日本的KAGRA。而我国对于引力波的探测项目也进行地如火如荼,目前,我国主要有三个大型引力波探测项目,分别是中科院的“太极计划”、中山大学的“天琴计划”以及中科院物理高能所的“阿里实验计划”。目前,人类已经分别于2015年9月、2015年12月、2017年1月和2017年8月完成了四次引力波的观测,在最近一次引力波的观测中,位于美国和意大利的三座天文台同时观测到了这种黑洞融合现象。

3 物理学对于人类文明的推动作用

3.1 经典物理学构建了人类文明的框架

经典物理学主要包括牛顿力学和麦克斯韦电磁理论,它们对于推动人类现代文明具有重要意义。

牛顿力学的内容主要包括牛顿三大定律,它开辟了一个人类科学发展的新时代。牛顿力学的广泛传播与应用对人们的观念与自然科学的发展都产生了重大影响,因此也在很大程度上推动了人类文明的进步。具体来说,牛顿的经典力学使人们的科学观念发生了巨大改变,人们开始用力学的尺度衡量自然事物,尝试用力学理论解释自然中的一切现象,而不再仅仅相信自然现象是神所为,这开启了人们对于自然科学的探索。因此,除了观念的改变,牛顿力学也对自然科学的研究方法产生了重要影响。人们开始用理论计算与实验的方法去研究自然现象,而不再是凭空臆测就争辩胜负。但由于经典力学的局限性,牛顿力学作为经典力学的一个重要分支也对人类文明发展产生了一些消极作用,如当时的科学家以为牛顿经典力学就是整个物理学,对于新的无法解释的现象没有进一步的改进思考。

麦克斯韦电磁理论是对基础的电学和磁学的经验理论的概括和统一。自人类发现电现象、磁现象、电磁感应等之后,麦克斯韦将这些理论完美统一的总结到一起,直接推动了科学技术的发展,标志着“第二次工业革命”的到来。电动机、发电机的发明使人类进入电气时代。而电磁理论的另一直接影响就是电话、电报的产生使人们的信息交流相比以前更加方便快捷,人类对于自然的支配能力大大增强,物理学对于人类文明的推动作用显而易见。

3.2 量子理论推动了人类文明的发展

经典物理学能够解释生活中遇到的绝大数自然现象,但当我们将问题更进一步指向微观粒子或宏观宇宙时,经典物理学的局限性就暴露出来了。19世纪末20世纪初,物理学处于新旧交替的时期。生产技术的进步导致物理学中出现一系列新的实验现象,但由于经典物理学的局限,却不能够解释这些现象。比较著名的便是计算黑体辐射时的紫外灾难,于是催生出量子理论的产生。普朗克首先提出能量不是连续的而是量子化的,一份一份的存在。这在当时的物理学中无疑是一个重大的发现,而后来也被证实这种假设非常正确,能量子的概念成为了近代物理学最重要的概念之一,在物理学发展中具有划时代的意义。而随后爱因斯坦也在光电效应中提出了光量子的概念,近代物理学由此开启。

量子力学并非遥不可及,而是与生活中的文明技术息息相关,电脑的C P U设计涉及量子理论,激光通信的实现依靠量子理论,照明用的L E D也是依据量子理论设计制造的。可以说,量子理论极大地推动了现代科技的进步,推动了人类文明的发展。

3.3 相对论扩展了人类文明的认知

相对论以新的基本假设创建了新的时空关系。物理学界许多经典力学不能解释的现象可以用相对论的时空理论来解释,从而也验证了相对论的正确性。相对论认为在超光速的情况下,时间是可以倒流的。相对论认为,时空存在弯曲,并且可以以引力辐射的形式将能量辐射出来,即引力波。相对论的每一个推论几乎都刷新了人类的原有认知,人类不再局限于认识身边低速运动的物体,而是向更远的宇宙望去。仰望星空,脚踏实地。利用相对论中的质能方程于生活中,我们可以产生核裂变、核聚变,也许这将成为以后能源供应的主流方式。原子弹的发明也源于相对论,它对于推动“二战”结束具有重要影响。物理学对人类文明的推动作用体现在方方面面。