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宇宙的波澜

2011年07月14日,星期四

~~~~~~~~~~~~~发表于 《博物》 2008年 第9期~~~~~~~~~~·
开篇: 我们倾听到的声音是一种机械波。但机械波绝不仅仅只是声音。“常常是水波离开了它产生的地方,而那里的水并不离开;就像风吹过庄稼地形成波浪,在那里我们 看到波动穿越田野而去,而庄稼仍在原地”这就是列奥纳多·达·芬奇眼中的机械波。在他那个年代,认识清楚机械波的本质已经是非常了不起的事,在之后的几百 年中,人类又认识了熟悉的光波、无从感知的引力波等等,方恍然大悟:原来世界是波动的世界。
太阳打冷颤——外星机械波
也许我们早已耳闻过世间千奇百怪的声音,但有两类声音我们无论如何也听不到,它们一个叫“超声波”,也就是蝙蝠和飞虫大战三百回合使用的武器,它的频率远 高于人类耳朵洞察的范围;另一个叫“次声波”,它的频率低于人耳的听觉范围,但我们对它却不陌生——刚刚经历过地震的我们知道大地是如何震荡的,在地震波 来临的时候就有伴有携带巨大能量的次声波。
虽然地球上的地震发生非常频繁,但无论从它们的剧烈程度还是密集程度来看,地球上的震动都远不及距离我们最近的那颗恒星——太阳。在我们眼中,太阳似乎永远都是一个安静的“气球”,每天只负责发出强烈的白光,给我们带来光明与温暖,然而实际上太阳时时刻刻都在剧烈震荡。
太阳因何如此狂躁不安?我们不妨设想一下地球上的海面,海的表面什么时候平稳过?太阳是由一种特殊的流体——“等离子体”组成。可以想象如果用手捏一个水 球和一个铁球,打上一拳,哪一个更容易被引发“地震”呢?无疑是水球。太阳上的这种震荡称为“日震”,它的能量来源和地震类似,源自内部能量释放,但不像 地震那样只持续很短的时间,作为一个有“弹性”的“水球”,它可以象弹簧一样保持持续的震动。
太阳到我们的距离非常遥远,它上面的微小震荡对我们不会有什么影响,然而天文学家却发现,日震波真是个好东西,我们可以利用它来看看太阳里面是个什么样 子。太阳是个“千层饼”,它的物理环境层层不同,各种波的状态到了每一层也会发生相应的变化。这就好像你在空气中走路的话可以行动自如,假如在水中行走的 话就会困难得多,在平静的湖水中行走和在波涛汹涌的海水中行走的感觉又不一样。最后当这些日震波穿越了不同的环境,终于冲到太阳表面时,人们就可以知道这 些波曾经“游历”的地方是什么样子,这就如同地质学家可以通过分析地震中的机械波来知道大地的分层结构是一样的——科学研究,方法总是类似的。
宇宙出彩虹——电磁波的传说
世界的美妙在于波动,也正因为波动,我们才能感知这个世界。在陆地上,我们可以自由交谈,在水中,人们说话也可以听见,但一到太空中,人们就听不到对方在 说什么了,因为声音的传播需要介质,空气、水、大地、金属都可以作为声音的高速路,但太空中几乎是真空的,声波无法传播,在太空舱外的宇航员只能借助另一 种不需要介质就能传播的波来聊天了,这便是电磁波。
上帝说,“要有光”,但光究竟是什么?就连牛顿、爱因斯坦、波尔也费了大脑筋,最后得出的结论是——光的本质就是一种电磁波,和我们收听到的广播一样。电 磁波的传播自由无阻,遥远的恒星把光传到我们这里,不用担心路上缺少“传输介质”。我们从火星给地球发短信,也不用担心信号因缺乏“传播介质”而丢失。
既然光也是波,那么就应该有沉厚的低频和尖利的高频,不过沉厚和尖利的感受是耳朵用来判别声波的方法,眼睛为了分辨不同频率电磁波,将它的频率赋予了“颜 色”的意义。当年牛顿用三棱镜造出了第一条“人造彩虹”之后,人们开始用这种“分解光线”的视角来重新审视我们的自然界。对于遥远的星光,人们最感兴趣的 就是谱写一套它的“光谱”,结果发现它们的“光谱”也如同一道道绚丽的彩虹,不过这些彩虹有的和太阳光谱类似,有的则偏蓝紫,有的则偏橙红。有了光谱,我 们就可以去看看遥远的恒星上都有什么宝贝。而光谱中比蓝色频率更高的紫外线、比红色光频率更低的红外线,我们却用肉眼看不到,道理如同我们无法聆听“超声 波”和“次声波”一样。

时空有波纹——宇宙的涟漪
虽然我们能听懂机械波的美妙,也可以看到电磁波的绚丽,我们却感受不到宇宙最深的颤音——引力波,或许不是因为它不存在,而是由于他们或者太遥远,或者太微弱,我们自身无法感知。
日常生活中,“引力波”这个词语几乎不被人们提到,但它却是当今整个科学界最神秘的概念之一。当伟大天才的爱因斯坦将“引力波”的概念展现在人们面前时, 人们不禁惊愕:这是什么东西啊!引力波,就是时空的波动。当遥远的地方两个超大质量黑洞碰撞,当池塘中一只青蛙猛然跃起,都会产生一种波动——引力波,通 过它,我们可以探测到更遥远的天体剧烈行为。
我们熟悉的机械波是以物质为媒介的;电磁波不以物质为媒介,但它本质上是物质。而引力波呢,它由物质产生,但它本身不是物质而是空间,传播也无须物质参 与。这如何理解呢?且慢,胡克有一句经典的“废话”:拉弹簧的时候用力越大,弹簧就线性变长,与之类似,伟大天才的爱因斯坦也说:按照广义相对论,有物质 时空就弯曲,我们可以让时空变形,就像我们能让弹簧变形一样。
“时空是弹簧,看你强不强。”究竟是谁造就了引力波?其实任何物体的整体加速运动,例如运动员的起跑,或者自身的不规则变化,例如摊了一个怪模怪样的 荷包蛋,都会产生引力波。但是这些引力波太微弱,我们无法探测到。产生明显的引力波需要两个要素,第一是密度要大,第二是运动要快。两个高密度的天体碰 撞、绕转就可以产生能量很高的引力波,比如中子星,从它上面挖火柴盒大小的一块,上百辆重型卡车都拉不动。可时空弹簧太“硬”了,即使这样大的能量也只能 对时空引起很小的扰动,因此即便这些巨大致密天体产生的引力波对当今科技也是一项挑战。
到现在,引力波还只是在概念上存在,还没有人真正探测到它。不客气地说,第一个“听到”引力波的人,诺贝尔奖八成就是他的了。
图说:大地上的LIGO
为了倾听到宇宙最微弱的颤音,人们想尽各种办法,比如建造地面上的巨型激光干涉仪来探测引力波,著名的激光干涉仪LIGO有两个长达数公里的“激光胳 膊”,当引力波来临,“激光胳膊”就发生变形。然而大地总是不安宁的,一只野兔从田里跑过,几个农民挥汗干活,还有经常发生的轻微地震都干扰了引力波的探 测,,所LIGO总是遇到种种困扰。看来在天上探测可能会更容易些。

图说:太空中的LISA
在LIGO之后,世界的科学家不惜血本,美国的NASA和欧洲ESA两大天文巨头共同合作空间引力波干涉仪项目,呼作LISA,它由三个探测器组成,呈现 为边长为5 百万千米等边三角形,位于地球轨道上工作,绕太阳周期为一年。这个三角形的“角”就是探测器,包括激光发射器和反射镜等,而“边”则是大功率的激光。 LISA将是引力波探测的曙光。

~~~~~~~~~~~~ 松鼠会最近出现了一篇发表于《科学世界》2011年7月的文章~~~~~~~~~~

了解世界的第三只眼

http://songshuhui.net/archives/56978

唐文没有提及 2011年4月LISA被砍掉的信息。

唐文说 有代表性的是美国“激光干涉引力波观测台”(LIGO),臂长2公里。

是让我有被致敬的感觉。

密码保护:奧伯斯佯谬

2011年05月18日,星期三

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骗人的宇宙——天文学中的佯谬

2010年07月22日,星期四

请翻阅《博物》2010年第6期查看图片和更多信息。(个人向编辑致敬!)

骗人的宇宙——天文学中的佯谬

开篇:

宇宙中的万物井然有序,但在科学家眼中,宇宙很多事情是不可理解甚至自相矛盾的,被称为“佯谬”。在一般人看来,这些纯属科学家在自己找别扭,但这些诡异的佯谬一直以来挑战着的人类认知,也是人类自我反省、进步的的结果。

Box:

从哲学和逻辑概念上,看上去错误而实际正确的命题称为佯谬。佯谬有两种,一种是理论和现实呈现出来的矛盾,例如理论上夜晚也应该是明亮的,而实际上确实黑的;另一种是命题的结论和出发点矛盾,例如罗素佯谬提到的:“理发师仅仅给那些‘不给自己理发的人’理发,那他会不会给自己理发?”天文中的佯谬大多来源于第一种,它主要由理论的不完备引起。 一些佯谬现在已经有了结果,也有的到现在也没有新理论可以解释。

黑色的夜晚,还是白色的夜晚?——奥伯斯“白夜”佯谬

众人:美丽的黑夜啊……

奥伯斯:谁说的?夜晚应该是白色的!

众人:这个人脑子有毛病吧?

奥伯斯:你们想啊,宇宙无穷大,每个方向上看去都有很多星星,就如同天上布满了灯泡,那夜晚不就是白色的吗?

众人:你瞎说……

宇宙无穷无尽,宇宙中的星星几乎到处都是,按理说它们会把夜晚照得和白天一样亮,但为何我们看到的却是茫茫黑夜?当1823年德国天文学家奥伯斯提出这个问题,几乎所有的人都陷入了泥潭,直至今日,这个问题依然没有掰扯清楚:是呀,宇宙中的星光都去了哪儿呢?

对于这个佯谬,可能有几个解释:宇宙并非无穷大,最遥远的星光跑到现在也没有跑到我们的视线中;很多星星在远离我们而去,因此看起来要暗弱一些;此外,宇宙中遍布的尘埃和气体阻碍了星光的穿行……虽然星星很多很多,但有了这一系列“变暗”原因,就意味着我们看到的夜晚永远是黑色的。

宇宙,远不止一个——薛定谔的“猫”佯谬

量子力学信仰者:按照量子理论,原子是否衰变,是个概率问题

薛定谔:是吗?

信仰者:必然的!

薛定谔:那,看看我的小猫吧,他在箱子里,里面有个毒气瓶,这个毒瓶的开关用原子跃迁的能量来控制。好了,十分钟过去啦,你告诉我,小猫近况如何?

信仰者:呃……按照量子理论,小猫死了43%……

天文物理学家喜欢拿动物开涮,比如20世纪的薛定谔,喜欢用猫阐释他对微观世界的理解:跃迁的原子的能量操控着一个装满毒气的瓶子,旁边的一只猫一脸无辜。原子是否发生跃迁,纯属概率事件,倘若不打开箱子,箱子里的猫是否会被毒死的命运完全不可知,只能由上帝掷出的色子判决。而我们只能判断这只猫只死了二分之一,或者百分之八十之类,而余下的部分,猫依然活蹦乱跳。也可以认为,在一个宇宙中,猫已经死了,而在另一个宇宙中,猫还活着。

一旦微观的量子理论运用到宏观,便会出现若干种奇怪的现象,比如汽车有一定概率犹如崂山道士般穿墙而过,而毫发无损。目前有些人觉得事实世界便是如此,多个宇宙并行也是可能的,也有人觉得量子理论还不够完美,必须解决它,否则我们只生活在一个充满概率的世界中。比如明天见面我们可以这样打招呼:你好啊?75%存活在这个宇宙中的同学!

宇宙归于沉寂?——麦克斯韦的“妖魔”佯谬

克劳修斯:我发现了非常牛的定律!

麦克斯韦:说说看?

克劳修斯:如果我们不去堆木头,那么木头永远散乱,如果我们不去盖房子,沙子永远是沙子,即使盖了房子不管它,房子也会变成沙子!也就是说如果不做功,世界上一切事物都是从“有序”到“无序”发展的!

麦克斯韦:妖精!看法宝!

克劳修斯:你太淘气了……

19世纪著名的物理学家克劳修斯说:如果不做功,那么一切都会变得混乱,宇宙的归宿也会是一片混乱。他的同行朋友麦克斯韦不服,设想了这样一个情景:一个屋子中充满了一定温度的气体,也就是说分子的平均速度是固定的,分子平均速度越快,气体温度越高。但是每个气体分子的快慢不一定,于是用一堵墙把屋子一分为二,中间留有一个小孔,一个妖精在那里把守。这个妖精聪明绝顶,可以分辨出分子的速度,如果飞来的分子速度快,就把它放行到屋子另一边;如果飞来的分子速度慢,就留在屋子这边。这样屋子两边的温度就一边高一边低,也就是说屋子里的气体变得有序了,但没有做功。

不过后来人们意识到,小妖精的判断虽然不能称之为做功,但确实为气体分子变得有序贡献了自己的力量,这个力量究竟是什么呢?于是“信息熵”的说法从此冒了出来。

外星人,一定存在却永远找不到——费米“外星人”佯谬

众天文学家:我们在一直寻找外星人,但毫无结果!

费米:地球绝不会特殊,因此外星人一定存在。

众天文学家:那是肯定的。

费米:我们找不到他们也就算了,他们为何不来找我们?

众天文学家:你很无聊啊!

20世纪的物理学家费米提出的这个佯谬实在让人绝望。有人觉得外星人太高等了,不屑于和我们打招呼,类似于我们看到蚂蚁。也有人与霍金的观点类似:外星人觉得我们是危险的,他们不敢和地球人联系!当然也有比较搞笑的观点,譬如所有外星人都忙于游戏不能自拔,于是忘记向外发射无线电信号,更不用说殖民宇宙了。

比较靠谱的一种说法是,外星人存在的时间,和我们存在的时间很难重合,即使重合了,也需要看看这个文明持续的时间是否足以让他们发现我们。就算最最巧合的事情发生:半人马座的比邻星周围真有“阿凡达”,那他们发现我们至少需要8年多。我们还是耐心等待吧。

青春永驻的秘诀——朗之万“双生子”佯谬

爱因斯坦:当物体接近光速运动时,时间就会变慢!

朗之万:是吗?

爱因斯坦:相对论是“自洽”的,也就是能自圆其说,应该没问题。

朗之万:如果一对双胞胎,一个以接近光速去旅游,回来后居然会比自己的同胞兄弟年轻?

爱因斯坦:恩,我要发财了!

让人永葆青春的方法不是雅诗兰黛,不是韩国整容术,而是以接近光的速度跑到天上去转悠,等再落到地面,便会发现比原先的同龄人要年轻。若是换成一对双胞胎,那么其中一位去转悠一圈再回来,就会成为一对年岁不一样的双胞胎——按照爱因斯坦的相对论来说,这是完全可以实现的。而问题在于,因为运动是相对的,双胞胎兄弟总会觉得对方在运动,自己静止,所以都感到对方比自己年轻——可见面一比,只有上天飞行的那个人才是真正的年轻。作为爱因斯坦的挚友,朗之万并不给他面子。

问题出在哪里呢?因为那个上天飞行的人需要回到地球上,所以经历了加速的运动,而正是这个加速的阶段,使得他的年纪变小了。

恒星也装嫩?——大陵五佯谬

天文学家:大的星星老得快,小的星星寿命长

观星者:不一定吧……

天文学家:怎么可能?

观星者:你看大陵五双星,那个快死了的星星个头很小,那个大个子的星星反而年轻,寿命长!

天文学家:你知道的太多了……

两个星星哥俩好,按照恒星演化理论来说,一般个子越大的越富有,拥有的核燃料越多,也就越容易挥霍自己的“财产”,死得也快,反倒是小个子的生活过得节制,把仅有的一点核燃料慢慢烧,活的时间也长。然而当人们观测大陵五这对星星的时候却发现,大个子的星星正值壮年,而小个子的星星已经离死不远,莫非这个大个子星星是个“守财奴”?

人们观测到这个与恒星演化理论相悖的现象后迷惑不解,被称为“大陵五”佯谬。实际上那个小个子星星原本是个更为巨大的星,越膨胀越大,也快要濒临死亡。不过当它看到它旁边的小星时,又忍不住“慷慨解囊”,以至于富了邻居,穷了自己。人们看它个子小,才产生了开始的那种误会。