《三体》中的物理学

8月23日,我国著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。

betway体育app 1

在科幻小说《三体》中,用到了大量的物理学设定。我国著名物理学家、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ABC,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。

最大恒星级黑洞

黑洞

2019年11月28日,中国的天文学家通过郭守敬望远镜,发现迄今为止最大恒星级黑洞。这个发现必将带来了研究黑洞的一场革命,相信在未来,科学家还会发现许多不同尺寸的黑洞。

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》

从300多年前,一直持续至今。科学家从预言黑洞可能存在,一直到发现黑洞,再到给黑洞成像,最后到如今,科学家发现了超越理论而存在的黑洞。

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。

关于黑洞的研究持续了上300多年,那这300多年来都发生了什么呢?

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。这个边界就是著名的黑洞视界。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。

今天,我们就来聊一聊:人类探究黑洞的历史。

betway体育app,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。

要了解黑洞的历史,我们可以借用“断代”的方法,这样更有利于记忆。我认为,关于黑洞的断代,大概可以分为两段,前黑洞时代和黑洞时代。

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。

如果要给黑洞的探究史立一个公元纪年,那公元元年大概就是史瓦西从爱因斯坦广义相对论场方程中得到的黑洞解。

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。

因此,前黑洞时代应该是从牛顿万有引力开始,持续到史瓦西预言黑洞的存在。黑洞时代应该是从史瓦西预言黑洞之后一直持续至今。前黑洞时代

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。

我们先说前黑洞时代说起。1687年,近代科学之父牛顿发表了他一生中最重要的著作《自然哲学的数学原理》。

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。

在这本著作中,牛顿提出了著名的万有引力定律,这个定律告诉我们,物质之间存在着彼此吸引的力,这个力和两个物体的质量成正比,和两个物体之间的距离的平方成反比。

引力波

而在这本书中,牛顿得到了著名的逃逸速度公式,这个公式在高中的物理课上是经常会见到的。但我们该如何理解这个逃逸速度呢?

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》

其实牛顿这本书里就已经给我们提供了一个理解逃逸速度的思想实验,这个思想实验叫做:牛顿大炮。关于牛顿大炮,我们要先搞清楚一个问题,那就是地球实际上是一个类球体,可以近似看成一个球。

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。

基于这样的认知,我们就可以得到在大尺度上,地面实际上是个曲面。假设我们有一个理想的大炮,这时候大炮向前开炮,那一般来说,这个炮弹的路径就会是一条抛物线。

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。

但我们要知道的是,会形成抛物线的原因是炮弹有一个水平速度,同时竖直方向上受到了重力,所以在竖直方向上有位移。

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。

但我们要知道,从大尺度上,地面是曲面,因此,也是有向下的趋势。如果炮弹的速度足够快,那就可能出现,地面向下的趋势等同于炮弹下落的位移量。于是,炮弹就可以贴着地球表面飞行了。卫星其实利用的这个原理,而炮弹打出时的速度被我们称为第一宇宙速度,是7.9km/s。

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。

如果炮弹的速度足够快,那就有可能摆脱地球的引力。我们把恰好能摆脱地球引力的速度称为第二宇宙速度,也被称为逃逸速度,这个速度是11.2km/s,可以利用上文中的逃逸速度求出来。这里补充一点,不同的天体的逃逸速度是不一样的。

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。

到了18世纪,当时有一位数学家叫做拉普拉斯,他就提出,宇宙当中会不会存在逃逸速度是光速的天体?拉普拉斯的这个想法应该说是人类最早对于黑洞的构想。不过,当时的观测手段并没有办法观测到黑洞,这事也就没有引起很大的关注。

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。

到了19世纪,爱因斯坦提出了相对论。我们都知道,相对论分为狭义相对论和广义相对论。

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。

爱因斯坦在狭义相对论统一了时间和空间,将两者并称为时空。后来,他基于狭义相对论,提出了引力的本质是时空的弯曲。比如:月球之所以绕着地球转,是因为地球压弯了时空,月球沿着时空的测地线在运动。

宇宙之死

在广义相对论中,爱因斯坦给出了著名的广义相对论引力场方程。这个方程实际上是一组很复杂的偏微分方程。爱因斯坦一开始并不认为这个方程可以在短时间解出来。

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》

可万万没有想到,没过几个月,也就是1916年,还在一战战场上的物理学家史瓦西得到了一个精确的解。这个解如今被我们称为没有转动黑洞的史瓦西解。

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:

黑洞时代

相关文章

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

网站地图xml地图