引力波
爱因斯坦由引力场方程推导出波动方程,预言了引力波的存在。引力波是横波,以光速传递。它是怎样产生的呢?
前面说过,质量会使空间弯曲。那么,当大质量物体的速度或质量突然发生改变时,比方说两个黑洞对撞,就会扰动周围的时空,产生时空涟漪,向外辐射,这就是传说中的引力波。为了便于理解,我们完全可以用“投石击破水中天”来类比。
还有另外的情况,当被加速的质量在失去能量的时候,也会发射出引力波。这和物体降温辐射出热是一个道理。其实这个过程互为因果,我们也可以反过来说,热辐射使物体降温,引力波辐射使运动的质量失去能量。
什么意思呢?举个例子:
还记得双星吧,我们拿高密度、大质量、近距离的双星做例子,这样的双星系统轨道周期很短,只有几天(地球轨道周期是365天+),甚至更短,互绕的速度非常快,也就是说,动量非常大。
如果它俩永远这样绕下去,也就罢了,但是,被瞬息万变的世界搞得麻木不仁的我们深知,没有什么永恒,这个系统必然会走向衰落,直到灭亡。
当它们的轨道衰减的时候,能量必然随之耗损。
但是,根据热力学第一定律,能量是守恒的,双星系统的能量,耗损到哪里去了呢?对了,这就是刚才说到的——以引力波的形式,散播到宇宙中去了。
我们知道,宇宙中并不缺少这样的系统,也不缺少大质量天体对撞之类的活动,那么,也就不缺少引力波。如果这个真的有,应该很好探测吧?
事实恰恰相反,探测引力波,比登天还难,甚至比探测中微子还难。主要原因有二:
一是非常弱。有人计算,一根长20米,直径1.6米,重500吨的圆棒,即使以每秒28转的濒临断裂的极限速度转动,所发射的引力波功率也只有2.2×10^-19瓦,这个功率弱到无法察觉。所谓“弱爆了”,说的就是它。那么,上面说的双星系统,以及大质量天体对撞所产生的引力波,应该很强吧?没错,可是距离太远,再大的基数也架不住广袤时空的耗散,我们可以用引力大小与距离平方成反比来帮助理解,由于传播距离导致的衰减,遥远星体传到地球的引力波强度,还是微乎其微。
二是尺度大。由于产生条件和传递距离等原因,引力波只有在宇宙大尺度下,才能显现出来。这很好理解,我们坐在神九里鸟瞰地球海面,很容易感受到海面的曲率,但是身在海水中的一条鱼,就无法感受到海面的曲率。如果把引力波比作大海,那么,地球就是海里的那条鱼。
那么,引力波会对物质造成什么样的影响呢?
引力波是时空涟漪,它能够畅通无阻地穿过物质,却不会使物质发生改变。就像我们的每次会议都很顺利很成功,却都和没开一样。但引力波经过时,能够让物质随着时空涟漪产生波动,也就是拉伸和收缩,引力波过后,恢复正常。就像会上的讲话,左耳进右耳出,然后一切如常。
物质的拉伸和收缩又怎么理解呢?举个例子吧,我们先忘掉皮鞋,把美丽的果冻比作时空,把里面的果肉比作物质,那么,果冻发生波动时,果肉也会随之波动,固态物质的所谓波动,实质上就是拉伸和收缩过程。
既然有拉伸和收缩,是不是就容易检测了呢?
当然不是。无论什么,必须达到一定的量,才可以被检测到。当然,这个量的大小,与检测它的技术手段是密切相关的。
由于上述原因,即使是大质量黑洞相撞这样的大动作,其引力波传到地球上,也只能造成大概10^-18米/千米程度的改变。直观地说,它会使帝国大厦的高度改变一个质子宽度的百分之一!
一个质子有多宽呢?它大概是一个原子宽度的千分之一。
原子多宽也不好想象?好吧,我们把一根头发的宽度平均分成一百万份,其中一份,大概就是一个原子的宽度了。
呃,这个帝国大厦,那个质子的百分之一……我随便在大厦里跺一脚,它的颤动也不止这些吧?这个太难测了,那个还是不要测了吧?东鞋西毒南地北钙已经够我们喝一壶的了,还搞什么引力波?洗洗睡了吧!
爱因斯坦由引力场方程推导出波动方程,预言了引力波的存在。引力波是横波,以光速传递。它是怎样产生的呢?
前面说过,质量会使空间弯曲。那么,当大质量物体的速度或质量突然发生改变时,比方说两个黑洞对撞,就会扰动周围的时空,产生时空涟漪,向外辐射,这就是传说中的引力波。为了便于理解,我们完全可以用“投石击破水中天”来类比。
还有另外的情况,当被加速的质量在失去能量的时候,也会发射出引力波。这和物体降温辐射出热是一个道理。其实这个过程互为因果,我们也可以反过来说,热辐射使物体降温,引力波辐射使运动的质量失去能量。
什么意思呢?举个例子:
还记得双星吧,我们拿高密度、大质量、近距离的双星做例子,这样的双星系统轨道周期很短,只有几天(地球轨道周期是365天+),甚至更短,互绕的速度非常快,也就是说,动量非常大。
如果它俩永远这样绕下去,也就罢了,但是,被瞬息万变的世界搞得麻木不仁的我们深知,没有什么永恒,这个系统必然会走向衰落,直到灭亡。
当它们的轨道衰减的时候,能量必然随之耗损。
但是,根据热力学第一定律,能量是守恒的,双星系统的能量,耗损到哪里去了呢?对了,这就是刚才说到的——以引力波的形式,散播到宇宙中去了。
我们知道,宇宙中并不缺少这样的系统,也不缺少大质量天体对撞之类的活动,那么,也就不缺少引力波。如果这个真的有,应该很好探测吧?
事实恰恰相反,探测引力波,比登天还难,甚至比探测中微子还难。主要原因有二:
一是非常弱。有人计算,一根长20米,直径1.6米,重500吨的圆棒,即使以每秒28转的濒临断裂的极限速度转动,所发射的引力波功率也只有2.2×10^-19瓦,这个功率弱到无法察觉。所谓“弱爆了”,说的就是它。那么,上面说的双星系统,以及大质量天体对撞所产生的引力波,应该很强吧?没错,可是距离太远,再大的基数也架不住广袤时空的耗散,我们可以用引力大小与距离平方成反比来帮助理解,由于传播距离导致的衰减,遥远星体传到地球的引力波强度,还是微乎其微。
二是尺度大。由于产生条件和传递距离等原因,引力波只有在宇宙大尺度下,才能显现出来。这很好理解,我们坐在神九里鸟瞰地球海面,很容易感受到海面的曲率,但是身在海水中的一条鱼,就无法感受到海面的曲率。如果把引力波比作大海,那么,地球就是海里的那条鱼。
那么,引力波会对物质造成什么样的影响呢?
引力波是时空涟漪,它能够畅通无阻地穿过物质,却不会使物质发生改变。就像我们的每次会议都很顺利很成功,却都和没开一样。但引力波经过时,能够让物质随着时空涟漪产生波动,也就是拉伸和收缩,引力波过后,恢复正常。就像会上的讲话,左耳进右耳出,然后一切如常。
物质的拉伸和收缩又怎么理解呢?举个例子吧,我们先忘掉皮鞋,把美丽的果冻比作时空,把里面的果肉比作物质,那么,果冻发生波动时,果肉也会随之波动,固态物质的所谓波动,实质上就是拉伸和收缩过程。
既然有拉伸和收缩,是不是就容易检测了呢?
当然不是。无论什么,必须达到一定的量,才可以被检测到。当然,这个量的大小,与检测它的技术手段是密切相关的。
由于上述原因,即使是大质量黑洞相撞这样的大动作,其引力波传到地球上,也只能造成大概10^-18米/千米程度的改变。直观地说,它会使帝国大厦的高度改变一个质子宽度的百分之一!
一个质子有多宽呢?它大概是一个原子宽度的千分之一。
原子多宽也不好想象?好吧,我们把一根头发的宽度平均分成一百万份,其中一份,大概就是一个原子的宽度了。
呃,这个帝国大厦,那个质子的百分之一……我随便在大厦里跺一脚,它的颤动也不止这些吧?这个太难测了,那个还是不要测了吧?东鞋西毒南地北钙已经够我们喝一壶的了,还搞什么引力波?洗洗睡了吧!