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回复:店长推荐!科普第三弹之《广义相对论》!

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  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!


77楼2015-10-22 11:55
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    中午了,大家吃饭吧,楼主也去吃饭,下午继续!


    78楼2015-10-22 11:58
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      楼主回来了,继续更!


      79楼2015-10-22 13:25
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        关于广义相对论的问题,楼主暂时说到这里,对于理论的知识,我也有很多不明白的地方,其实楼主也只是爱好者,大家有什么问题,可以留言我们一起讨论,楼主尽量做到回复。
        再次感谢吧主对本帖的加精支持!@龙野游新 @上帝保佑女皇c
        感谢小吧@aszx98sohu 对本帖的支持!


        本楼含有高级字体87楼2015-10-22 14:10
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          这里对下贴的内容做个征求,大家想听哪些科普知识,在这里留言,楼主尽量做到科普。
          谢谢大家,下帖见!


          本楼含有高级字体88楼2015-10-22 14:12
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            是吗?你确定一定以及肯定?世事无常啊,还是量量比较放心。我说道。
              唉,不和你这个文盲计较了,量完看你还有什么话说。织女说着,纵身悬停在空中,玉臂轻舒,白光再现,神尺精准地绕盘沿一周,盘动尺不动,那个刻度静静地展示在织女眼前。这手法,叹为观止啊,咱俩等着观赏织女报完数以后收尺的Posse。
              然而,织女似乎石化了,她迟迟没有声音,尺也不收了。
              咱俩仔细观瞧,却见织女瞠目结舌:怎么不等于2πr,居然比2πr短?!
              不必怀疑精度,这是神尺。
              牛郎见老婆演砸了,尴尬地打圆场:咳咳,嗯嗯,肿么回事?圆周率不灵了?
              狭义相对论有一个已经被证明的预言:物体会沿着它运动的方向变短。那么,这个圆盘做圆周运动,其圆周就会变短,沿着圆心所做的圆,越靠外,速度越快,圆周变短的比例就越大。你神采飞扬地抢答道。
              牛郎织女和我用倾慕的目光看着你。
              那么,作为一个圆盘,它在半径不变的情况下,周长是怎么做到变短的呢?!
              答案是:空间弯曲。具体什么情况呢?
              我们所说的圆周率π,即圆周与直径之比,只在平面几何中有效。
              也就是说,你在平面上画个圆,再画出它的直径,这个圆周长与其直径之比,就是π(3.1415926535……无限不循环ing)。
              但是,如果我们把这个圆画在球面上,比方说画在足球上,再画出它的直径,你就会发现,圆周变短了,直径变长了,圆周与直径之比,就会小于π。
              不信?我们可以这样极端地想:在地球上画圆,以南极为中心,沿赤道画一个圆,在地球表面画出它的直径,应该是过南极的一条经线,两端到赤道截止,其长度是地球周长的一半,现在,这个圆的周长和半径之比就是2,小于π,是吧?
              
              在球面画圆。
              那么,有没有大于π的情况呢?
              有的。
              见过马鞍吧?就是相对的两边下垂、另两边翘起的面。在马鞍曲面上画圆,再画出它的直径,这个圆周与直径之比,就大于π。
              嗯,只要空间是弯曲的,圆周与直径之比就不等于π,周长自然就不等于2πr了。
              圆盘转动,产生狭义相对论的尺缩效应,那是由于空间弯曲了。
              原来,狭义相对论已经隐含了空间弯曲的结论!
              好吧,刚才说时间弯曲,现在又说空间弯曲,那么,到底是谁弯曲了呢?
              时空弯曲了。
              “时空一体”这四个字可不是随便说说的。时与空不是亲密关系,比如夫妻,可以拆成夫与妻。我们说过,时空是一体的,就相当于老婆,我们不能把她拆成两部分,一部分叫老,另一部分叫婆。
              因此,我们可以这样理解,从深层次上讲,时胀和尺缩效应,其实是时空弯曲这件事表现的两个方面。就好比闪电和雷声,实际上是电流在空气中传导所制造的两个表象。
              至此,广义相对论的基本原理就叙述完毕了。我们小小地回顾一下:
              1.弱等效原理:引力质量=惯性质量。加速度与引力等效。
              2.广义相对性原理:物理定律在一切参考系中都相同。
              根据以上原理:
              3.加速度可使光线弯曲,那么引力也可以使光线弯曲。
              4.圆周运动实际上是加速运动。
              5.由“光线弯曲”推出:空间弯曲。“圆周率失效”也可以推出空间弯曲。
              6.引力源于质量,也就是说,质量可使空间弯曲。
              8.引力越大、时间越慢、空间越弯曲。
              上面的都很简单,下面这条我们也应该不难理解:
              9.强等效原理:在时空中,一个点内的引力场,我们可以把它当做“局域的惯性参考系”。也就是说,可以用狭义相对论去描述引力场中的任何一点。
              你会发现,广义相对论的基本原理,原来如此简单。至少,不像想象中那样难以理解。为什么?
              那是因为,广义相对论是关于引力和时空关系的理论。我们已经接受了狭义相对论,崭新的时空观在我们的头脑中已经形成了概念,广义相对论的基本原理是很新奇,但对我们来说,已经不难接受了。
              接下来,我们就要追随着伟大的小爱,在基本原理的框架下,去寻找一个舒适、美丽的表达方式,把这一伟大的思想,变成一套完整的科学理论。


            112楼2015-10-26 09:55
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              引力波被证实了!记住这一天,2016.2.11


              来自Android客户端133楼2016-02-12 12:09
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