深入浅出解读三体中的物理学

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深入浅出解读三体中的物理学

  8月23日◁=★◆,我国着名•▽•▷△▼?科幻作家刘慈欣的小说《三体》■●▷,荣获2015年科幻文坛大奖“雨果奖▷☆”,这被称“为科幻文学界。的诺贝•◁△▲:尔奖,也是亚洲作家首次获此殊荣。

  在:科幻小▼▽-●=、说《?三体》中,用到了大量的物理学设?定。我国着名●★★◇▪:物理学家•■、科普作家李淼先生在不久前出版的《三体中的物理学》一书中,对这些知识做了深入浅出的生动讲•★■!解◆▼◁☆。虽然有些!内容不乏:艰涩,很烧脑洞•▲△▪-,但其中自然科□•“学知?识的AB•◁▼=•□?C,作为生活在◁■●★、现代社会的读者来说也很有必要了解。征得作”者同意★◆,新知周刊《科技》版特摘“编书中一些内容提供给读者△☆●▪。

  作为:天体物理?学家,叶文。洁对。核武器十分敏感◁▲◁,她知道这是恒星才◆●●▼!具有的力量。她更清楚,宇宙中△●▪”还有更可怕、的力量▼◇★,有黑洞,有反物质,等等,与那些力量相“比,热核炸弹。不过是?一支温柔的蜡?烛☆◁●▽-★。《三体》

  拉普拉斯根据牛顿的万有引力理论,推测黑洞,是存在的▲◇。拉普▼•!拉斯的黑洞很、好理解,我们知道☆◆▲◁•○,在地球表面;发射”火箭,如果初,始速度不够大,不论火箭?飞多远,最终还会落回:到地球•▲、上★▽△□。如果速=★○••:度再大一点,例如!超过7.9千米每秒,火箭就会越飞越◆=○▲!远,永远逃★-“离地球。对于宇▼◁□△◆☆“宙中☆◁▷?的每个质“量点而言,都可以计!算逃逸?速度,质量越大,距离!质量中。心的距◆▼•■▼,离越近,逃逸“速度就越,大▼•▲=■●。如果我们将地球的质量压缩到一个更小的球体中,地球表面的逃逸速度就会增大,因为“万有引力变“强了。拉普拉斯发现,如果这个质量点的半径足够小,逃逸速度就达到光速,因为,没有任何。速度-☆■▽▷!大过光速,故而所有•▲。物体都不可能逃。脱这个质量吸引。不论它飞多远,最终都会落回来▲◇●▲■▷,或绕这个质量公转◆□◇,这就是拉普拉斯的黑洞▲▼●。

  史瓦西•-■=▽◆,先生发现,黑洞是爱因斯坦理论的一个自然结果。在其去世的前”一年◁••★▼◇,也是爱因斯坦发现“广义相对论的几个月?后…▲,他发◇△▪▪-!现了爱因斯坦理论中的第一个严格解。在一个由中心质量造!成的弯曲时空中,越靠近中心的钟走得越慢,到了一个固定的边界○▷▪▪,时钟走得无限慢,也就是说,如果我们站在外面…=◆◆◇◁!看这个边界上的钟,它的“秒针几乎▼▼▷,不动。这个边界就是着名的黑洞视界。在这个边界上,光也无法逃逸。为什么光无法;逃逸呢?很简单,尽管光速!很。大,但时间变?得、太慢了,对于我们、的?一个小时甚至一年,那里的时间几乎没有变,当然光在我们看来○□?也就;没有走了。

  史瓦西虽然发现了黑洞解,但爱因斯坦并不相信一个质量◆☆•◁=…!可以被大幅压缩以产生视界▷•-▲○▪,所以黑洞对他来说并不存在。

  直到史瓦西在理论上发•▽•□。现黑洞五十年;后,黑洞研究“才成为热;门■•△□★,因为天体★▽•。物理学家发;现,黑洞会在宇宙中自然形成△◁•。

  黑洞是真实存在的,可以说宇宙中到处都是黑洞•▪★,从质量只有几个太。阳质量的恒星级黑洞-△,到质量为太阳质量100至”100000倍的中型黑洞,再到星系”中心的▲•△-?黑洞,其质;量高达10万至100亿个太:阳质量■▪。天文学家。甚至猜测,所有星系的中心都是一个黑洞。

  有一个;简单的“公式,黑洞的视界:半?径与质量”成正比。根据这个公式,如果我们将太阳塞进半径大约为3000米的球体中,黑洞就会形成。如果要让地球成为黑洞,其直径或•○▷▽!许不到1厘米=◇○-▷★。

  其实●★○◁,不大可?能存◁★“在质量比太阳还要小的黑洞,这是?因为天体物理不允许小••▽★▪:质量黑洞的形成。较小的恒△▪”星形成■◁▪◁-□;黑洞之前就会停?止核反应=◇△▷▲,形成白矮星或◇○◆?中子星。当恒星的质量足够大,以至”于中子之间的排斥、力不足以抵抗万有引力时,黑洞才会形-=“成▽◆☆,这样的黑洞通常不会小于三个太阳质量。

  罗,辑一家远远地就看到了引力波天线,但车行驶了半小时才到它旁■●◁▪”边■■。这时他们才真正感受到它的巨大。天线是一个横放的圆、柱体,有一千五百米长•■,直径五十多米▲=,整体悬浮在距地面两米左右的位置。它的表面也是光洁的镜面,一半映着天空,一半映着”华北平原△★。《三”体》

  万有引、力是近代科学最早确定的自然界●★◆:中的基!本力=▼☆◆■○。牛顿的万有引力理论比法拉第和麦克斯韦的电磁力理论早了一个半世纪到两个世纪,在解释天体运行、潮汐以及预言新行星方面,取得了了不起的成就。

  但是到了爱因斯坦时代,人们才发现牛顿理论并不完美,在原理上可以说完全不正确,因为它假设两个质量之间的超距作用★…▪-●,也就是说,假设相隔一定距离的两个物体之间存在着直接★…▽△、瞬时的相□□▪☆”互作;用,不需“要任何媒:质传递,也不需要任何传递时间★◇=•。这显然是不可思!议的。

  在爱因斯坦的理论中,万有引力成了弯曲时空的?效应•-◆★-。而如果我们从。一个▲-;固定的时空出发,考虑时空对这个固定时空微小的偏离◁•★●▲▼,爱因斯坦理论中出现了类似光子的东西,就是引力○•★;波。

  引力波是爱因斯坦广义相对论的预言●•。引力=■●▽▽•“波的!存在说“明引力传”播速□▪•▲•△!度也是?有限的,在爱因斯坦理论里面就等于光速。自从希。格斯粒子现身之后,引力波是现代物理学预言中唯一”还没有被证实的预言=◇▷◁,虽然存在间接的证据◇★•。

  万有引力无所不、在…▲•★◁,可为!什么引力波难以探测?唯一的理由▼○▽…,还是万有引力作用太微弱了。静态万有引力已经?足够•◇●□、微弱了▼■◇,只有当质▷▷◆•★;量积累到:形成如月亮和地球这么巨大的天体时◇▽,我们才会感到万有引力的存在-▪◁,而引力波就更加微弱。

  一个振荡的电荷会产“生电磁波,两个天体互相绕着运动能够成为引力波的来源▪=○▽。事实上,引力波就□-“是这么□…●■◁▲;被间接发现的。两个中子星互相绕着转动,辐射引力波导致中子星损失能量◁●,之间的距离变小,转动的周期变小,这个间接观测完全符合爱因斯坦的理论,天文学家泰勒和赫尔斯因为这个观测,共同获得了1993年的诺贝尔物理学奖。

  在宇宙中,超新!星爆发,黑洞形成,一颗:恒星掉入、黑洞☆△▷,都会产生引力波,而且比较强。虽然泰勒和赫尔斯在1974年就间接地观测到了引力波,但由于引力波非常微弱,直到今天,科学家、都还没有能够直接探测到引力波▪○▼…□。人类有望在2016至2017年探测到引力波○…▼□◁=。

  在永远的膨胀中,所有的星系将相互远离恒星将相继熄灭宇宙将变成一座空旷的坟▲▷◁○▼▽!墓▼…★△…◆,所有的文明:和所有的记忆都将被永远埋葬在这座无边无“际的坟墓中,一切都永“远死去。《三体》

  在谈到宇宙的未来之前,我们首先应”了解宇▪○□▼▪•”宙现在的状-=…▼◆;态。其实,我们不需要知道太多,只需要弄清楚两个重要的问题:

  在1998年以前,几乎所有人都相信宇宙虽然在膨胀△…▷▲•-,但膨胀在减速,将来的很多很多年之后,膨胀的速度可能无限趋近于零,也可能会降低到零,然后宇宙开始收缩变小。这是一个自然的想法☆◇★▪,自从大约150亿年前发生的大爆炸以来宇宙一直在膨胀,但目前的膨胀速度已经比宇宙早期变小了很多,许多人认为宇宙的膨胀一直在减速▪▲▽=●△,观测也似乎支持这个自然而然的想法□◇=…。有趣的是,几乎没有人质疑过观测数据,尽管现在回头看以前的观测数据,并没有在严格的意义上告诉我们宇宙的膨胀在减速。

  为什么物理学家特别相信宇宙膨胀的速度在减小呢=•☆?这是因为主导宇宙的力是万有引力△◇=-,即使是爱因斯坦的理论也不能改变这个事实=△=▼△。在万有引力的主导下,宇宙中所有天体之间的相对速度都会变小。

  爱因斯坦为了获得一个静止的宇宙引入了一个万有斥力。万有斥力只是宇宙加速、膨胀的解释之。一◇●▼。从现代物理学的观点来看,他的理论相当于“认为真空中存在某种永远不会因为宇!宙•◇-△……:膨胀而稀释的能量,这个能量的密■○▪=◇▼、度保持恒定。这种能量叫暗能量▽=◆-。

  暗能量的性质决定了我们宇宙的命运。这是因为,暗能!量现在是主导宇宙的能量,它占宇宙中所有能量的60%以上,而我们肉眼能够看到的物质以及肉眼看不到的暗物质只有不到40%。

  我■•:们稍微谈“一下暗物质▲□…■,它是暗能量-•◇■▼“之外占宇宙能量组-★△▷◇▲;分最大的。这种物质看不见摸不着,但天文学家在20世纪60年代,就发现=△•◆■!它的存在了●=▽★▲…。它的存在导致星系和星系团的万有引力比可见物质引起的万?有引力大得多,天文学家通过观测恒星围绕星系中心的运动速度,可以推断出暗物!质要比普通物质多了5至6倍•▲▪●。

  不”论是;普通物质、暗物质•△◁◇●,还是辐射,这些能量•□?密度在!宇宙空间膨、胀下被稀释,而暗能量呢☆▽◁◇△,在数十亿年之内没有;明显的变化。也就是说,数十亿年。到上百亿。年▷▲▪、之后■▽★△,暗能量不仅主导宇宙▽-=○•▼,还远远;高于其他。能量份额。

  还有◆◇★-▪?一种可能,暗能量密度其实在慢慢变大=★○■▼。如果是这样◆■☆○,暗能量密度会在▲▪○、有限时间内变成无限大,也就是说,万有斥力变成无限大。不需要专家我们都能推测将会发生什么□▲○▼•,宇宙中所有空间和物质都会被撕裂首先是银河系被撕裂…◁▽□,然后是地球被甩?出太阳系▼●▼,接着是月球被甩出地球的引力范!围=△,然后地球本:身?被撕裂直到每个原子,每个原子核,每个质子和中子都被撕裂。

  我们也:许永远无法弄清宇宙在发生暴涨前的状态,但我们应该会知道宇宙的宿命△□,到底是一直膨胀下去▪◁□,还是有一天:会减;速刹车,或者发生大撕裂☆…。

  为了避免这个未来,只有把-◆•▪“不同文:明制▽□!造的大量小宇宙中的物质归还给大宇宙,但如果这样做,小宇宙中将无法生”存,小宇宙中的人也只能回归大宇宙,这就□◁○▽▷□!是回归-□•“运动…•□。《三体》

  暴涨宇宙论的主要:预言,已经被近20年的宇宙学观测特别是微波”背景辐射的观测所证。实▲▽,也许在不久的将来就会被=△○■,毫无异、议地证实,例如这个理论所预言的宇宙最初一刻发出的引力波被观测到(2014年3月一个美国观测小组声称观测到:了),提出这个理论的古斯的成就也许将被诺贝尔物理学奖所肯定。

  然而,宇宙学的终极问题之!一是,宇宙暴涨的◆=▽■◆?起源是什么?宇宙是唯☆▷…!一的吗?下面◇◁▲•▷,我们从众多理论中挑选出两个“介绍给大家▪◁•●□:

  首先=■•,我们要提到与佛教轮回相似的循环理!论。佛教•◇▪▷▷-!中的?轮回说,不同的。人有不同的理!解=★○◁,哪怕是学佛的,人,解释◁◆◁▪●-”也很不▼▪◇■▼。相同=☆=◁。佛家也有▽○◁★…■:天地成败的“劫☆▼▲△●…”,一劫到底”有多长?有一种,说法,一劫▽○?大约是;四十。三亿”二千万□▲•▼:年,虽然比现在的宇宙年龄短▲○▪,却是一■◇,个量级的。

  宇宙学家早就提出过类似佛教轮回学说的宇宙膨胀-收缩-反弹再膨胀-再收缩的说法▷★☆△●,这种说法给宇宙起源提供了一个理由:宇宙在大爆炸之前○◇▲◇“是”另一个!宇宙,在另一个宇宙之前还有:一个宇;宙▼▪▲,等等,如此?前溯无穷无尽。

  1983年,林德提★▽”出了一个!令人非常吃惊的想法,他认为暴涨的起源几乎无所不在■▲▪●-◆。他将这个模型命名为混沌暴涨论。在这□▼△…•△!个模型中,驱动暴涨;是一个永远在做△▼▲•、量子涨落,的场•▷◁△•。当这个场涨!落到一”些地方使得场所含的能量足够大时,暴涨▲◁◁▷○。就发生了。例如,即使在我们现在这个足够安静的宇宙中○◆,这个:场也无时无处不在-•◁…“涨落,万一它涨落出一个足够大的能量密度○★,那个区域就会发生暴”涨,从我们▷□▼••?这个母宇宙☆•☆;中产生出,一个小宇。宙●•▼•,那个小宇宙剧烈地膨胀▲◆◁◇,很快○□,一个崭新的大宇宙就、从我:们这个母宇宙中产生了。

  如果世界真是这样的,那么,在我们这个”宇宙之外,应该还存在很多很多大大小小环境完全不同的宇宙,甚至连物理规律也可以不同。这样的宇、宙图景,叫多元宇:宙■★-■-。

  据外媒最新报道▷•••,处理器IP供应商ARM已经终止了与华为及其子公司海思的业务合作(suspend business),如果属实无疑会对华为硬件发展:造成▷▼•-▽…?不可估量“的冲击=◆。 报道称,AR◆★▲▷:M几乎●▽-…-”完全断绝◆●-◆=…”了与华为的关系

  郭明錤:鸿蒙手机预计10月出货 华为今年销量有望达2.15–2.25亿部

本文由亚博-天体物理编辑整理报道