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话说时空(上)
    时间:2016-6-21     点击率:15544

编者按:在爱因斯坦创立广义相对论的一百年纪念之际,从大洋彼岸传来了振奋人心的好消息:科学家终于直接探测到了来自宇宙深处的引力波信号。力学所林烈研究员撰写了《话说时空》,以生动的笔触介绍了人们关于时空研究的历程。本刊将分两期连载此文,以飨读者。

话说时空(上)

2016211,从大洋彼岸传来了振奋人心的好消息,科学家经过近百年的努力,终于直接探测到了来自宇宙深处的引力波信号[1]。一百年前,爱因斯坦在创立他的广义相对论时,就预言了这种引力波的存在。长期以来,科学家虽然经历了几代人的努力,想尽了各种办法,使用了异常精密的科学装置,但是始终没有结果。如今,几十年的付出终于得到了回报。显然,这次所取得的非凡成果,在世界科学史上也具有十分重要的意义。

1  LIGO激光干涉仪引力波天文台)测得的引力波信号变化曲线

图中上面的两条曲线是两个位于美国不同地点的引力波天文台分别测得的

曲线,最下面的图是将上面两条曲线拟合在一起,用于对比,只有两个天

文台同时测到相同的结果时,才有可能是引力波的信号。

从图1我们可以看出,来自太空的引力波信号,大约只维持了四分之一秒的时间,频率的变化范围大约从35250赫兹,它正处于声波的频率范围之内。这是离地球十三亿光年以外的一个遥远星系中,两个黑洞合并时,发出来的“喘息”声,是人类第一次听到了从宇宙深处传来的时空波动(引力波本质上就是一种时空的波动)的声音。此声音来之不易,人类为了听到这段不到一秒钟的声音,已经花费了数十亿美元、用去了近百年的时光,虽然代价昂贵,但意义深远。以前,有人曾经将这种时空波动产生的声音比喻为宇宙交响乐。现在看来,爱因斯坦所谱写的这首宇宙交响乐,已经正式登上了人类的历史舞台,帷幕已经拉开,精彩的演出即将开始。

从此以后,我们终于能够直接用科学仪器来探测引力波的信号了,这意味着人类对宇宙的探测和研究又增加了一种全新的方法和手段。同时,随着人们对引力波问题的深入研究,也必将加深人们对时空本质的认识,并促使人们进一步开展对和时空相关问题的研究。实际上,代科学的几次飞越式进步,都和人类对时空认识的提升密切相关。

绝对时空观的终结

时空是一个古老的话题。古人认为,上下四方曰“宇”,古往今来曰“宙”,因此在汉语中,宇宙一词也有时空的意思。不过,在近代科学出现以前,人们对时间和空间的认识仅仅停留在朴素的感观层面之上。他们根据自己的日常生活起居,看到了一个天圆地方、万物生长的神奇世界,感觉到了四季交替、月圆月缺、日出日落的不断变化。为此,他们创立了年、月、日以及季节、时辰等计时单位来度量万物随时间的变化;他们看到了巍峨雄壮的高山大川,也看到了细小卑微的石块和沙粒,他们发明了里、丈、尺、寸等长度单位,来衡量这些物体的大小。人们认为,时间无始无终,空间无边无际,时间和空间独立存在、互不相干。但时间和空间究竟是什么人们并不清楚,也不深究。

     2 我国古代的一种计时仪器——日晷

人类对时间和空间有一个较明确和严格的定义,应该是从伽利略、牛顿等人建立近代科学体系时才开始。牛顿曾说:“绝对的、真实的和数学的时间,由其特性决定,自身均匀地流逝,与一切外在的事物无关。”“绝对空间,其自身特性与一切外在事物无关,处处均匀,永不移动。”牛顿的这种时空观被称为绝对时间和绝对空间观(在本文中简称为“绝对时空观”)。在牛顿看来,时间和空间是独立存在的,它不随人们的意志为转移,也和这个世界上发生的任何事件无关。时间一分一秒地流逝,它既不能变快,也不能变慢,世界上发生的任何事件都无法改变它前进的步伐。空间就像一个大“舞台”,不管是谁在演出,演出什么节目,这个“舞台”不会改变。在这种时空观看来,时空就是世界上各种事物演化的一个“背景”,这个“背景”和事物本身及它的变化无关。因此,那个时代的科学家,他们只关心时空中的各种物理对象的变化,如大到宇宙中的各种天体,小到分子、原子。时空这个“舞台”及“背景”不是他们要研究的对象,而“主角”或“演员”是那些天体、分子、原子,这才是他们要重点研究的目标。牛顿的力学体系就建立在这个基础之上,近代科学就是以时空和物质分离为出发点发展起来的。

牛顿的这种绝对时空观,延用了两百多年,直到二十世纪初,物理学界出现了“两朵乌云”[2]1905年爱因斯坦发表了著名的狭义相对论,它的创立就是为了解决其中的“一朵乌云”。爱因斯坦解决的办法就是彻底摈弃牛顿的绝对时空观,建立新型时空理论。

在这之前,人们一直坚信牛顿的绝对时空观是唯一正确的选择。但狭义相对论推翻了这种观念。狭义相对论告诉我们:时间和空间本身都不是绝对不变的量,当物体的运动速度较小时,我们可以将时间及空间近似地看成不变量,但当物体的速度接近光速时,它们将会发生显著的变化,时钟将会变慢,物体的长度将会收缩,物体的质量将会增大。相对论告诉我们,时空就像一切物理客体一样,和其他物理客体之间也存在着相互作用,它不是凌驾于这个物质世界之上的虚无背景,而是物质世界的一个重要组成部分。而后,爱因斯坦又发展了广义相对论,的建立使我们对时间和空间又有了更深入一步的认识质量及能量的存在会弯曲它周围的时空。也就是说,物质的存在反过来会作用于它周围的时间和空间,时空是物质世界存在的某种体现,如果没有物质的存在,那么也就没有了时间和空间。

引力波就是物质或能量在变化时,引起它周围时空的某种波动。时间和空间本身还会弯曲?还会波动?这在相对论出现以前,也许人们是无法想象的。

今天,我们的时空观和古人相比,已经发生了翻天覆地的变化,但这种对时空认识的变化,却经历了一个极其漫长的过程。在爱因斯坦提出相对论以后很长的一段时间内,即使在科学界,也有许多人并不理解这种时空观的真实意义,他们对时空的相对性感到疑惑不解。

不过很早以前,在我国民间却有一种关于时空的奇妙说法,它和爱因斯坦狭义相对论给出的观念有着异曲同工之妙。这就是说,在我国出现时空并非绝对的观念,要比爱因斯坦的相对论早得多。我国一千多年前的古人,凭借着他们丰富的想象力,就已设想了一种相对的时空观念。在民间也早已流传着这样的说法:“天上方一日,人间已千年。”或者说:“山中方一日,人间已千年。”

下面,我们来介绍一个和这种奇特观念有关的故事。优美的古诗词是我国文学宝库中的瑰宝,也是流淌在每一个中国人血液中的文化基因。在初唐,就有文人开始创作词,到了宋代,词的成就已经达到了顶峰。据估计,词牌的名称大约有一千多个,在众多的词牌名称中,有一个词牌名为《阮郎归》。它的来历就和这种新奇的时空观有关。与此有关的记载,最早见于《太平广记》,它讲述了东汉时期阮肇和刘晨的故事。相传,有一次他们在天台山采药时迷了路,一时回不了家,只好露宿在山中,依靠采食山里的野果充饥。后来在寻找回家道路的过程中,偶遇了两位居住在山中的美女,被她们留在家里住了十天。但两人思家心切,请求回家,又被她们苦苦留住了半年。最后,当他们告别了深山中美女的住处,回到自己家中时,发现一切都已事过境迁、物是人非了。他们的兄弟姐妹、儿子女儿早已离开了人世,站在他们面前的是一群和他们从未谋面的陌生人,仔细询问才知道,这些人已经是他们的第七世子孙了。他们进山时还不可一世的东汉王朝也早已灭亡,人间已经几经沧桑,此时的天下,正被一个名为东晋的朝庭统治着。后来这个浪漫离奇的故事被人们改编成了一个词牌的名称,即《阮郎归》。也许为了使词牌的名称不至于太长,词牌中只提到了两位幸运儿之一的阮郎,而另一位刘郎,只好委屈地隐居幕后了。后来,据说那位阮郎也从此看破红尘、离家出走,隐居深山修道,最后不知所终。

3 风景如画的天台山

爱因斯坦的相对论告诉我们,如果我们乘坐高速飞船去太空旅行,那么经过一段时间的旅行后,当我们返回地球时,我们会比地球上的人年轻一些,年轻的程度和飞船的速度及我们旅行时间的长短有关。这和上面所说的传奇故事何其相似。阮郎的那些经历不过是我国古代的一个传奇故事,但根据相对论所预言的时空差,是一种有科学根据、且可实现的真实结果。如果有一天我们真的能坐上高速太空飞船去宇宙空间旅行,那么我们就会经历如阮郎那样的神奇生活。

4 嫦娥三号月球车

上世纪六十年代,美国人已经率先登上了月球。现今,包括我国在内的一些国家都在开展载人登月研究,下一步科学家还准备向火星进军。我国预计在2020年左右发射火星探测器,全面开展对火星的探测。人类在太阳系内旅行已经不是梦想,但要飞出太阳系,进行长时间、超高速(接近光速)的太空旅行还有许多困难。相对论告诉我们,一个物体的质量和它的运动速度有关,随着速度的增加,它的质量也随之增加,速度越快,它的质量越大,要加速它也就越困难。当一个具有质量的物体达到光速时,它的质量将趋向无穷大,因此,我们不可能将一个有一定质量的物体加速到光速。在强子对撞机中,我们为了加速质量很小的质子,使它的速度接近光速,就要消耗大量的能量。如果要加速一艘质量比质子大得多的飞船,使它的速度接近光速,此时要耗费的能量肯定是一个天文数字。当然,要实现这样的太空旅行,还要解决长途旅行中的许多具体问题,这对目前我们的科技水平来说,还有许多困难。不过凭借着我们人类的聪明才智及无限的创造能力,总有一天人类能够实现飞出太阳系、去银河系的其它星球旅行的梦想。

5 美国宇航局(NASA)规划中的太空载人飞行器

从牛顿时代至今,人们对时空的看法已经发生了巨大的变化,我们已摒弃了那种认为时空是独立于物质世界之外、不会改变的绝对时空观,时空并不是脱离物质世界的某种抽象的背景,它本身就是物质世界存在状态的一种体现。当然,牛顿的力学体系在某些情况下,仍然是我们今天解决问题的重要手段,但我们必须看到它的局限性及适用范围。

我们知道,宇宙起源于大爆炸,这种观点曾经受到过一些人的质疑,他们提出了这样一个问题:如果宇宙起源于大爆炸,那么大爆炸以前是么回事?上述这种时空观的确立,为此问题的解决提供了一个很好的理论依据。实际上,时空是物质和能量存在的一种体现,所以,如果宇宙确实起源于大爆炸,也就是说它起源于“无”,那么在大爆炸之前也就不可能存在时间和空间,在这种情况下讨论上述那个问题也就没有意义了。

从本质上来说,真正的、所谓空无一物的空间并不存在,真空不空,引力场、电磁场无处不在。虽然电磁场可以用某种手段来进行屏蔽,但是引力场是任何手段都无法屏蔽的,时空就是伴随着物质世界而存在的。绝对时空观的终结,相对论的建立,说明了我们人类对外部客观世界的认识又跃上了一个新的台阶。

 

注释

12015914,美国位于华盛顿州和路易斯安那州的两个激光干涉仪引力波天文台都分别捕捉到了一个类似于引力波的信号,后来经过反复核实和论证,确认这就是引力波的信号,这样他们于2016211正式对外发布了此消息,我国中央电视台在新闻联播中也作了相关报道。  

2、第一朵“乌云”是指,迈克耳孙—莫雷的实验否定了长期以来人们深信不疑的关于以太的观念实验结果表明,以太实际上并不存在,同时这也否定了绝对参照系的存在;第二朵“乌云”是指在研究黑体辐射量和频率的关系时出现的所谓“紫外灾难”问题。