当前位置: 观测器 >> 观测器优势 >> 引力到底有多弱我们如何统一量子物理学和相
接上章,就目前来讲,有一种方法是用实验检验宇宙作用的规律,再想出一些理论解释我们看到的现象。在理想的情况下,我们希望有这样一个方式,它既能检验广义相对论,也能够检验量子力学效应。如果他们其中有一个是对的,我们希望能在这个实验里把它对比出来。比如说如果我们观测到两个有质量的物体相互交换引粒子,那就证明引力它必然是一种量子现象,那么在宇宙中有没有这样的地方,它既符合广义相对论对超大质量的描述,也符合量子力学对超小空间的描述呢?
还真有,一个是黑洞内部,另一个就是宇宙大爆炸的起点。可是这两个场景研究起来都非常困难,黑洞我们可以进去,但是进去就出不来了。而宇宙大爆炸的起点,又离我们非常非常遥远。我们可能经常听说,科学已经研究到宇宙大爆炸刚开始的十的负多少次方秒了,那人们为什么这么较真儿,一定要无限地逼近宇宙大爆炸的那个起点呢?这是因为我们要通过对他的研究,来尝试统一量子物理学和相对论。另外一个比较有可能观测到的东西就是黑洞的碰撞,让两个超大质量的黑洞相互碰撞,这就是在量子层面探测引力所需要的。
当然了,这并不是说我们操作两个黑洞来让他们互相碰撞,目前我们还没有这个能力,只不过因为宇宙本身它的空间太大。我们可以在很多方向、很多距离上找到正在发生的各种各样的事情,只要耐心寻找,就几乎可以找到任何你想要的东西。比如说正在碰撞的黑洞,当两个黑洞彼此靠近的时候,双方都想要将对方吞噬,他们会彼此旋转,越转越快,进入一个死亡的螺旋。在这个合并的过程中,可能会有引粒子向四面八方发射,我们要做的就是看到这些引粒子。当然这并不容易,黑洞碰撞,即便产生了引粒子,也肯定是非常不容易被发现的,引力非常的微弱,所以即便有一个引粒子在你身边飞过,你都察觉不到它。中微子可以穿过一光年后的铅,但是和粒子比起来,中微子和这个世界的作用力就算强得多得多了。人们通过计算发现,即便是在黑洞这样强放射源的附近,我们也需要像木星那么大的一个接收器,才能够每十年探测到一个引粒子,前提是引粒子真的存在才行。
说完了黑洞碰撞检测的方法,我们再说另外一种方法,就是找到一种情况,或者说设计一个实验,让两种理论给出不一样的预言。我们可以通过这种矛盾来检验两个理论哪个是对的,哪个是错的。比如说探索黑洞的内部,广义相对论告诉我们,在黑洞内部存在一个叫做起点的地方,在那个点上,物质的质量、密度非常的高,引力场的强度趋近于无穷大,时空也会弯曲成人们根本没法想象的形态。广义相对论认为这种起点是可以存在的,但是量子理论不这样认为,根据量子理论的基本原理,物体它不可能小到只有一个孤立的点,因为在量子理论中,当一个空间变得非常小的时候,它的不确定性就会变得非常的大。所以在这种情况下,两种理论肯定有一个是错的。
如果我们能知道黑洞内部它到底是什么样子,我们就能得到一个非常重要的线索,从而理解量子力学和引力是怎样相互作用的。当然这个设想实现起来难度那更是高得吓人了。且不说我们能不能活着逃出来,光是进入黑洞的过程,我们就可能已经被撕得粉碎了。还有没有另外的可能呢?还有就是这两年非常热的引力波,大质量的两个黑洞在互相合并、加速运动的时候,或使周围的时空产生一个涟漪,就像两艘快艇在水里面互相绕着对方旋转的时候,会像周围发散水波一样,这种时空的波动就叫做引力波。
简单来说,运动的质量对空间产生了一定的扰动,这个扰动也会像波纹一样传播开去。当引力波经过的时候,沿着它路径方向的每一个物体都会被拉伸和扭曲,一个圆会瞬间变成一个椭圆,一个正方形会变成一个长方形,但是这种变形也几乎是不可能被观测到的。引力波能引起的时空扭曲大概是原来物体尺寸的十的二十次方分之一。换句话说,如果你手里有一根棍子,它的长度是十光年,那引力波能让它缩短多少呢?答案是缩短一毫米,这个效果是很难测量的。这里就要说到人类的智慧了,科学家建造了一个实验室,取名叫LEGO,中文名叫激光干涉引力波天文台。它的基本原理是由两个相互垂直的、四公里长的管道组成。科学家利用激光测量两个管道顶端的距离变化,当引力波经过的时候,会在某一个方向拉伸空间,而在另一个方向压缩空间,虽然我们测量的精度,无法通过激光的往返直接测量这个管道长度的变化。但是我们可以测量激光在每个管道中反射很多次之后,再叠加产生的这个干涉条纹的变化,来精确地测量出空间是不是被拉伸或者压缩了。
LEGO这个项目花费了6.2亿美元和数十年的观测,终于在年,人类识别了首个引力波的信号。这个发现完美的证实了爱因斯坦引力会弯曲时空的理论。但是不幸的是,我们没法得出引力是如何在量子视角下发生作用的,因为引力波不等同于引粒子。这就好比我们证明了恐龙是存在的,但是并不能证明我们找到了一种叫恐龙粒子的东西。无论怎么说,引力波的发现是人类科学的重大进步,相当于我们作为一种整体的生物长出了一种新的器官,它能够探测原来我们这个物种完全没法探测到的东西。在十光年的棍子会缩短一毫米这样的精度下,我们居然能够测量出来。那么前面我们说的观测宇宙大爆炸的起点,以及探测黑洞的内部,谁又敢说是百分之百不可能的呢?
说了这么多,我们最终的结论就是引力还是很特别,关于他为什么这么特别,我们还是不知道。也许引力本来就是特殊的,我们科学家希望找到一个大一统理论,让所有的力都遵循一个最基本的原则,但也许这个宇宙就是这样规定的,没有人规定引力必须和其他作用力相似,我们也不一定非要用同一套理论来解释所有的力。我们对于宇宙大部分的原理都还不清楚,很多时候我们的假设会被推翻,或者某种理论只适用于某种特殊的情况,没准引力就和我们之前看到所有的东西它本来就不一样,可能它并不特殊,只是我们的宇宙就是这样来设定的,我们的目的是理解这个宇宙。就应该避免先入为主的假设它应该是一个什么样子。
目前存在着一种猜想,他用额外的维度来解释引力为什么这么弱?引力的强度很弱,因为它被稀释到了其他维度的空间里,形成了一些我们看不见的、微小的环路。如果你把其他的维度也考虑进来的话,引力强度就会变得和强核力、弱核力、还有电磁力一样的强。总之,揭开引力的神秘面纱对于理解我们所在的宇宙非常重要。引力是唯一可以在宏观尺度上发挥作用的力,这意味着它是决定宇宙形状和宇宙最终命运的关键作用力。我们也是通过对引力的研究,发现了暗物质以及暗能量的。
引力可以弯曲时空这一个事实也带来很多让人兴奋的结果,因为光速的限制我们很可能永远没法访问太阳系以外的恒星系,因为它们之间的距离和我们航行的速度决定了,以人类的寿命是不足以让我们走到那么远的地方去的。比如流浪地球里,光是去到离我们最近的半人马阿尔法星座,我们就要花掉年的时间。银河系那么大,还有那么广阔的天地供人们去探索,人类当然是不甘心的。在大刘的小说三体里就提出了一个非常疯狂的假设,在宇宙中某些高级的文明里,他们使用的既不是化学能,也不是核能,而是通过引力折叠空间而进行超远距离的星际航行。如果我们能够解开引力的谜团,或者我们就可以主动地去弯曲时空,比如制造出一个虫洞,如果这能实现,那么我们就可以真的在整个银河系里进行殖民了。
好了,关于引力我们就聊到这里,如果喜欢记得点点
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