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廣義相對論很難?幾分鐘帶你簡單入門!

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今天我們將送出三本由圖靈新知提供的優質科普書籍《物理奇遇記》。

湯普金斯先生是一家大的城市銀行里的一個小職員。他對現代物理學感興趣,但像很多人一樣,物理理論的長篇大論讓他昏昏欲睡。而在夢境中,他進入了許多不同尋常的物理世界:有個世界的光速變得很小很小,有個宇宙的膨脹和收縮周期只有短短兩小時,還有個世界的普朗克常數變得很大很大,而在原子世界中,他則化身為一個電子……

就這樣,通過湯姆金斯先生在這些夢中物理世界的種種奇遇,喬治·伽莫夫在這部科普經典中向我們生動講解了相對論、宇宙學、量子理論以及粒子物理的諸多基本概念,讓我們得以更清晰地理解我們所實際生活的物理世界。

如何才能得到這本《物理奇遇記》呢?參與的方式非常簡單!只要你認真閱讀下面的這篇文章,思考文末提出的問題,嚴格按照[互動:你的答案]的格式在評論區留言,就有機會獲得獎品!(PS:格式不符合要求者無效)截止到本周四中午12點,點贊數前三名的朋友將獲得一本《物理奇遇記》。

【互動問答示例】

互動:這裡就可以自由發揮你的答案啦~

作者:Nola Taylor Redd

翻譯:螳吉呵呵

審校:山寺小沙彌

1905年,阿爾伯特·愛因斯坦斷定慣性系之間的物理定律應當完全相同以及真空中的光速和觀測者的速度無關。這些是狹義相對論的基礎,狹義相對論提出了物理學的新框架同時提出了關於時間和空間的新概念。

阿爾伯特·愛因斯坦 來源:wikipedia

之後愛因斯坦花費了十年時間嘗試把狹義相對論推廣到加速系,最終他發表了廣義相對論。廣義相對論提出,大質量的物體會引起時空的畸變,它自身也會感受到引力。

引力的拖拽

兩個物體會感受到對方給自己的吸引,這就是我們知道的引力。艾薩克·牛頓建立了運動三定律並量化了兩個物體之間引力的大小。兩個物體之間的引力大小取決於兩者各自的質量以及他們之間的距離。當地心將你向它拖拽,你也在拉拽地球。但是引力對質量較大的物體拖拽不明顯,你自身較小的質量使你覺得自身被牢牢固定在地面。不過牛頓假設引力是一種可以作用一段距離的物體所固有的力。

阿爾伯特·愛因斯在狹義相對論中斷定物理定律在所有慣性系中都是一樣的;無論觀測者以什麼速度運行,他測到的真空中光速都是一樣的。事實上,他發現時間和空間可以相互交織在一起形成連續的時空。某一觀察者眼中同時發生的事情在其他觀察者眼中可能發生在不同時刻。

質量使時空發生彎曲 來源:wikipedia

當愛因斯坦得到了廣義性對論的公式時,他意識到質量巨大的物體可以令時空發生彎曲。可以想像在蹦床的中心放置一個巨大的物體。這個物體會把布面往下壓使得它的表面出現凹陷。在蹦床邊緣滾動的球體就會向著中心的物體螺旋運動,就像引力在太空中吸引著行星周圍的石塊。

實驗證據

儘管實驗裝置不能直接看到或者測量到時空,但是時空彎曲所預言的許多現象已經被觀察到。

引力透鏡:在質量巨大的物體周圍,光線會發生彎曲。對於它後面的物體來說,這個物體就像是巨大的透鏡一樣。天文學家一般利用這種辦法研究超大物體背後的恆星和星系。

愛因斯坦十字 來源:wikipedia

愛因斯坦十字是位於飛馬星座的類星體,它是引力透鏡的典型例子。這個類星體距離地球大概80億光年,它位於一個星系後方大約4億光年處。在這個星系周圍有類星體的四個像,因為星系強大的引力場使類星體發出的光線在傳播過程中發生彎曲。

引力透鏡使得科學家可以看到一些非常酷的現象:超新星爆發之後,因為光線穿過引力透鏡的時候沿著不同的路徑,每一條不同的路徑會花費不同的時間,因此在經過星系的引力場放大之後,科學家可以觀測到四次超新星爆發。

水星運行軌道的改變:由於太陽巨大的質量引起的時空曲率,水星的軌道隨著時間在逐步改變。在幾十億年之後,它甚至有可能和地球相撞。

旋轉物體引起參考系拖拽:巨大物體,如地球的旋轉會使它周圍的時空發生彎曲和扭曲。2004年,NASA發射Gravity Probe B。這顆精確較准過的衛星發現其內部的陀螺儀隨著時間的改變會發生微小的偏移,這和愛因斯坦的理論並不矛盾。

「想像地球好像是浸在蜂蜜里,」Francis Everitt說。「當行星在旋轉時,他旁邊的蜂蜜開始打旋,在時空中也是這樣的情況。GP-B證實了愛因斯坦理論的兩個重要預言,對天文物理的研究具有深遠的影響」

引力紅移:電磁波在引力場中發生紅移。考慮汽笛發出的聲波,當汽笛朝著觀察者運動時,聲波被壓縮,但是當汽笛朝著遠離觀察者的方向行駛,聲波表現出紅移,這就是多普勒效應,同樣的現象也會發生在光波身上。美國的Robert Pound 和 Glen Rebka測量了哈佛大學傑弗遜物理實驗室的塔頂和塔底的兩個輻射源的相對紅移,確切地驗證了引力紅移的存在。通過這個試驗,他們精確測定了光從塔頂傳輸到塔底過程中能量的微小變化。

引力波:宇宙中猛烈爆發的事件例如兩個黑洞的碰撞,被認為可以產生時空的漣漪,也就是引力波。2016年,LIGO聲稱發現了引力波存在的證據。

2014年,科學家聲稱他們利用美國的BICEP2望遠鏡探測到了宇宙大爆炸時期遺留下的引力波。然而,更進一步的研究表明他們的數據受到觀測方向上的塵埃的影響。

「尋找早期宇宙的奇特記錄既困難又令人興奮。」Jan Tauberr說。

LIGO裝置圖 來源:wikipedia

LIGO在2015年9月14日首次發現引力波存在的確鑿證據。一組實驗設備,分別位於路易斯安那和華盛頓,實驗設備在引力波到達之前被建造、升級和校準。第一次的探測非常繁雜,它花費了科研團隊幾個月的時間去分析這些數據以分辨這是真實的信號還是僅僅是一個故障所引起的。

「我們的第一次探測非常幸運,因為它是如此明顯。」Jan在2016年的天文學會議上說。

第二個信號在同年12月26號被探測到,第三個疑似引力波的信號隨後被探測到。前兩個信號極有可能是引力波存在的證據,第三個信號卻有可能不是引力波。

兩次毋庸置疑的探測結果提供了一對黑洞相互吸引、碰撞的證據。隨著時間的流逝,Gonzalez期待有更多的引力波信號被LIGO和其他裝置探測到。

「我們可以檢驗廣義相對論,並且廣義相對論通過了檢驗」Gonzalez說。

互動問題

【互動問題: 智商太高是怎樣一種體驗?】

請大家嚴格按照 互動:問題答案 的格式在評論區留言參與互動,格式不符合要求者無效。

截止到本周四中午12點,點贊數前三名的朋友將獲得我們送出的圖書一本。

特別說明:由於快遞原因,本期的書籍3月1日之後才會寄出,獲獎的粉絲要耐心等待哦~

編輯:山寺小沙彌


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