以2017諾貝爾獎引力波為例淺析物理學對于人類文明的推動作用

曹笑乾

(榆林高新完全中學,陜西榆林 719000)

1 引言

北京時間2017年10月3日17點45分,備受關注的2017年諾貝爾物理學獎正式揭曉。本次的獲獎者分別是雷納.韋斯,巴里.巴里什(Barry Clark Barish),基普.索恩(Kip S Thorne),以表彰他們對于引力波探測的杰出貢獻。引力波的探測進一步證實了物理學中廣義相對論的重要性,而廣義相對論對于人類文明發展的推動作用是翻天覆地的。因此,2017年諾貝爾物理學獎頒給這三位對引力波探測裝置L I G O的決定性貢獻者是眾望所歸的。

2 引力波的發展歷程

2.1 廣義相對論的理論基礎

19世紀末牛頓力學和麥克斯韋的電磁理論趨于完善,正當人們慶祝“物理的大廈已經落成,所剩的只是一些修飾工作”時,又發現了經典物理理論不能解釋的現象,被稱為物理學天空中的兩朵烏云。人們發現許多現象是經典時空理論解釋不了的,因此,對原有的經典時空理論產生了懷疑,迫切需要一種新的有效的時空理論去解釋這些現象。

狹義相對論的基本假設是光速不變原理和狹義相對性原理。即,在任何慣性系中,真空中的光速都相同以及一切物理規律在慣性參考系中都是等價的。有了這兩條基本假設后,狹義相對論預言了牛頓經典時空理論中一些沒有的效應,如時間膨脹、長度收縮、質能方程等。后來,愛因斯坦試圖將萬有引力納入相對論的框架之中,嘗試了幾次都沒有成功后,他意識到狹義相對論不能容納萬有引力定律。于是,他將狹義相對論推廣到廣義相對論,促進了廣義相對論的誕生。

廣義相對論是在狹義相對論的基礎上提出的關于萬有引力本質的理論。狹義相對論只適用于慣性系的情況,而廣義相對論適用于包括非慣性系在內的一切參考系。愛因斯坦在1916年提出的第二種相對性理論認為,引力是由空間——時間彎曲的幾何效應的畸變引起的,因而引力場影響時間和距離的測量。相對論的時空基礎都是空間三維加上時間一維,即四維的黎曼時空。不同的是,狹義相對論的時空背景是平直的四維時空,而廣義相對論的時空背景是彎曲的四維黎曼時空。因此,在廣義相對論的理論基礎上,愛因斯坦預言了引力波的存在。

2.2 預言引力波的存在

我們先簡單介紹引力波的概念,在物理學中,引力波是指時空彎曲中的漣漪,通過波的形式從輻射源向外傳播,這種波以引力輻射的形式傳輸能量。上面提到,因為廣義相對論認為時間空間是有幾何效應畸變彎曲的,所以這種時空的彎曲產生的波動就是引力波,并且可以輻射能量。

用質能方程解釋引力波輻射的能量從何而來。時空并不會無緣緣故地彎曲,產生引力波主要是由于黑洞合并。黑洞,是廣義相對論中的一種宇宙天體,黑洞的質量和引力都很大,使得視野內的逃逸速度大于光速,因此光都無法從黑洞中逃出,我們只能看到沒有光的黑洞。在宇宙中,由于黑洞的質量和引力極大,會使黑洞周圍的時間和空間產生彎曲。而當兩個黑洞合并成一個黑洞時,質量會比之前兩個黑洞的質量加起來小。根據質能方程E=mc2,減少的質量會以引力波的形式輻射出能量。只要探測到引力波的引力輻射能量就可以證明引力波的存在,從能進一步驗證廣義相對論的正確性。

2.3 探測引力波的能量

引力波的探測非常困難。廣義相對論中早就預言了引力波的存在,但遲遲沒有探測成功就是因為引力波非常難以探測。根據公式,探測引力波所需要的精度相當于在一公里的長度上,探測一個小于原子半徑的長度變化量,因此,探測引力波對儀器精度的要求非常高。而如此大的探測難度主要是由于光速非常大以及萬有引力常數非常小。

引力波的探測歷程曲折又充滿智慧,其中不乏許多國家優秀的引力波探測計劃。第一個從實驗層面,對引力波直接探測做出偉大嘗試的是韋伯,他設計了一種共振棒。探測原理是：當引力波來臨時,共振棒的設計頻率和引力波的振動頻率一致就可以通過共振探測到引力波。這種共振棒有很大的局限性,首先,共振棒只能設計一個已有頻率,如果引力波有許多不同頻率的振動組成,共振棒就無法探測。其次,引力波會產生時空畸變,共振棒做得越長,引力波在該儀器上作用的變化量也越大。雖然用共振棒來直接測量引力波的實驗失敗了,但是韋伯作為這一領域的第一人仍然激勵了許多物理領域的杰出科學家投身于探測引力波的偉大事業中。其中最杰出的便是2017年諾貝爾物理學獎的三位獲得者,他們中兩位是L I G O的聯合創始人。L I G O的全程是激光干涉儀引力波天文臺,是美國的加州理工學院主導,與麻省理工大學合作的引力波探測項目。它的原理就是我們高中物理中曾學過的邁克爾干涉儀。當引力波經過時,干涉儀的雙臂長度會有微小的變化,導致產生光程差,再在通過精密測量技術,在各種噪聲中將微弱的信號捕捉出來就能夠實現對引力波的直接探測。2015年9月14日,精度升級的LIGO捕捉到了黑洞融合時產生的引力輻射信號,這是人類第一次成功探測到引力波。L I G O的成功探測極大地激發了各國對引力波探測項目的興趣。除美國的L I G O外,現有的引力波研究裝置還有位于德國的GEO600,位于意大利的Virgo和日本的KAGRA。而我國對于引力波的探測項目也進行地如火如荼,目前,我國主要有三個大型引力波探測項目,分別是中科院的“太極計劃”、中山大學的“天琴計劃”以及中科院物理高能所的“阿里實驗計劃”。目前,人類已經分別于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觀測,在最近一次引力波的觀測中,位于美國和意大利的三座天文臺同時觀測到了這種黑洞融合現象。

3 物理學對于人類文明的推動作用

3.1 經典物理學構建了人類文明的框架

經典物理學主要包括牛頓力學和麥克斯韋電磁理論,它們對于推動人類現代文明具有重要意義。

牛頓力學的內容主要包括牛頓三大定律,它開辟了一個人類科學發展的新時代。牛頓力學的廣泛傳播與應用對人們的觀念與自然科學的發展都產生了重大影響,因此也在很大程度上推動了人類文明的進步。具體來說,牛頓的經典力學使人們的科學觀念發生了巨大改變,人們開始用力學的尺度衡量自然事物,嘗試用力學理論解釋自然中的一切現象,而不再僅僅相信自然現象是神所為,這開啟了人們對于自然科學的探索。因此,除了觀念的改變,牛頓力學也對自然科學的研究方法產生了重要影響。人們開始用理論計算與實驗的方法去研究自然現象,而不再是憑空臆測就爭辯勝負。但由于經典力學的局限性,牛頓力學作為經典力學的一個重要分支也對人類文明發展產生了一些消極作用,如當時的科學家以為牛頓經典力學就是整個物理學,對于新的無法解釋的現象沒有進一步的改進思考。

麥克斯韋電磁理論是對基礎的電學和磁學的經驗理論的概括和統一。自人類發現電現象、磁現象、電磁感應等之后,麥克斯韋將這些理論完美統一的總結到一起,直接推動了科學技術的發展,標志著“第二次工業革命”的到來。電動機、發電機的發明使人類進入電氣時代。而電磁理論的另一直接影響就是電話、電報的產生使人們的信息交流相比以前更加方便快捷,人類對于自然的支配能力大大增強,物理學對于人類文明的推動作用顯而易見。

3.2 量子理論推動了人類文明的發展

經典物理學能夠解釋生活中遇到的絕大數自然現象,但當我們將問題更進一步指向微觀粒子或宏觀宇宙時,經典物理學的局限性就暴露出來了。19世紀末20世紀初,物理學處于新舊交替的時期。生產技術的進步導致物理學中出現一系列新的實驗現象,但由于經典物理學的局限,卻不能夠解釋這些現象。比較著名的便是計算黑體輻射時的紫外災難,于是催生出量子理論的產生。普朗克首先提出能量不是連續的而是量子化的,一份一份的存在。這在當時的物理學中無疑是一個重大的發現,而后來也被證實這種假設非常正確,能量子的概念成為了近代物理學最重要的概念之一,在物理學發展中具有劃時代的意義。而隨后愛因斯坦也在光電效應中提出了光量子的概念,近代物理學由此開啟。

量子力學并非遙不可及,而是與生活中的文明技術息息相關,電腦的C P U設計涉及量子理論,激光通信的實現依靠量子理論,照明用的L E D也是依據量子理論設計制造的。可以說,量子理論極大地推動了現代科技的進步,推動了人類文明的發展。

3.3 相對論擴展了人類文明的認知

相對論以新的基本假設創建了新的時空關系。物理學界許多經典力學不能解釋的現象可以用相對論的時空理論來解釋,從而也驗證了相對論的正確性。相對論認為在超光速的情況下,時間是可以倒流的。相對論認為,時空存在彎曲,并且可以以引力輻射的形式將能量輻射出來,即引力波。相對論的每一個推論幾乎都刷新了人類的原有認知,人類不再局限于認識身邊低速運動的物體,而是向更遠的宇宙望去。仰望星空,腳踏實地。利用相對論中的質能方程于生活中,我們可以產生核裂變、核聚變,也許這將成為以后能源供應的主流方式。原子彈的發明也源于相對論,它對于推動“二戰”結束具有重要影響。物理學對人類文明的推動作用體現在方方面面。

4 結語

物理學并非一成不變的,而是一直在發展、完善、修正。從牛頓力學和麥克斯韋電磁理論到量子理論和相對論,每一次物理學上的重大進展都能帶來人類文明飛躍性的改變。物理學是人類科技的基礎,科技的進步實實在在地改變了人們的觀念和生活方式,對人類文明具有明顯的推動作用。

[1] 韋伯.廣義相對論與引力波[M].科學出版社,1977.

[2] 陳思奇.應用物理學對人類文明的推動作用--以工業革命為例[J].探索科學,2016(12).

[3] 程守洙,江之永,胡盤新.普通物理學(第五版)[M].高等教育出版社,1998.