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引力波及等效原理

(2019-09-29 17:38:26) 下一个

2015年9月14日,分别位于美国路易斯安那州和华盛顿州的两个宇宙引力波探测器同时探测到了引力波,证实了爱因斯坦广义相对论关于引力波的预言,全世界物理界都为之欢呼。

引力波到底是什么?我愿意以我的知识来澄清它。

我们知道,广义相对论将万有引力等效为对空间的扭曲。广义相对论又说:在非球对称的物质分布情况下,物质运动,或物质体系的质量分布发生变化时,会产生引力波。换句话说,因大质量的天体的运动,或其质量的增加和减少,天体对其周围的某一点所在的空间的扭曲会发生强弱变化,这个强弱变化会以某个频率,以光速向四周扩散传递,这个扩散传递的过程就叫做引力波。如果用相对论以外的概念来描述,引力波实际上就是引力的强弱变化的传递。

我们都已熟知了“黑洞”的概念。黑洞的质量如此之大,将其周围的空间极度扭曲,以至于光线都不能从中逃逸,因此我们看不到它,所以称其黑洞。或者,跳出广义相对论理论,可以说,黑洞的引力如此之大,以至于使从其中发出的光线的速度为零。这就是说,在宇宙中,光的速度不是永恒不变的,它受引力的影响,巨大的引力会使光速变慢。比如,在A、B两点之间,由于引力的增加,光速变慢,光线在A、B两点传递时间要增加。爱因斯坦如果要这样写,那么他的相对论就不能继续下去了,因为已经没有任何相对论的基础了。

我们都会有这样的经历,我们所乘的车实际上是静止的,但,我们旁边的车开起来,我们会误认为我们的车开动了。这是个错觉,但是,我们需要跟着这种错觉走进爱因斯坦的相对论中。

在引力的作用下,光速变慢。但是,现在我不考虑引力对光速的作用,而是认为引力的作用导致空间的扭曲拉伸,并且光速在任何时候都是永恒的,这就是相对论的实质。不论是从光速变慢,还是从空间拉伸的角度,最后结论都是一个,就是由此计算出来的A、B两点间的光线传输的时间都是一样的。这就是相对论的精髓。这就如同我上面提到的我们的乘车经历,无论是我们认为我们的车开动了,还是实际上是旁边的车在开动,大家得出的结论都是一个:两车之间发生了位移,有车开动了。这就是等效。如果大家能把我的这些话理解好,并且会运算微分方程的话,你现在就可以翻开爱因斯坦所著的相对论,任你驰骋了。

自上世纪50年代起,人们开始探测引力波。但是,很多的科学家探测的不得法,不合规律。比如,Joseph Weber 想通过引力波和探测棒放生共振来测引力波。我认为,Joseph Weber 的做法是错误的,他没有理解好引力波的实质,把引力波等同于振动波。如我上面所说,引力波的实质就是在A、B两点之间光线传输时间快慢的问题,而不是振动的问题。

分别位于美国路易斯安那州和华盛顿州的两个宇宙引力波探测器都是由两个L形探测臂构成,臂各长4KM。探测器通过对比两个臂上的光程差来探测引力波。这才叫画龙点睛的实验方法,点在要害上,因为由于引力波的作用,光在两个探测臂上传播所用的时间是不一样的。

此次的探测结果揭示,距离我们地球13亿光年的两个黑洞相互融合。融合后增大的质量产生的引力波经过13亿年的宇宙旅行,于2015年9月14到达地球。因为是两个在不同位置的探测器同时测得同一结果,所以探测的结果可信度很高,完全排除了干扰和噪声的因素。

相对论理论的实质实际上就是一种等效的理论,用等效的方法来解释宇宙的现象。

谈到等效,我们很多学电子或电力工程的学子们都不会陌生。比如,等效电路、等效电阻等。一个由很多电阻以串联和并联相互交织组成的一段复杂电路,我们算出其电阻的总和R,然后用一个电阻为R的电阻将这段复杂的电阻电路替换掉,在这个R电阻两端测得的信号和在那段复杂电路两端测得的信号都是一样的,这个R电阻就是那段复杂电路的等效电阻。这个等效电阻的作用就是要回避复杂电路里的复杂的联结。

相对论的作用就如同上面所提到的等效电阻R。通过广义相对论,人们只考虑天体对时空的扭曲,而不需要花费时间用牛顿力学定律的套路去研究万有引力和是否应该有作为万有引力的反作用力的“万有斥力”的问题。因为有相对论,对充满复杂机制的宇宙的认知也变得简单多了。从这个角度讲,相对论又是个能将复杂问题简单化的理论。等效的实质就是殊途同归。

在中华文化系统里,作为文化鼻祖的易经阴阳理论就是一个等效的理论,它通过物质的阴阳两个方面来解释整个复杂的宇宙,而无需去进一步研究原子、分子等问题,绕过事物的复杂性,直接就能得出正确的结论。经过7千年的实践检验,早已确定了阴阳理论的真理性,如,用阴阳理论,电被解释为 :“阴阳相激为电”;地震被认为是:“阳伏而不能出,阴迫而不能蒸” 。我们知道,雷电就是一个高电位的积雨云和一个低电位的积雨云相互接触时,高端能量向低端释放的结果,高电位的积雨云为阳和低电位的积雨云为阴,阴阳相激释放火花和声音,让我们感受到了雷公电母的存在,这就是雷电。又如,地震就是地球上的大陆板块漂移运动,造成板块之间的挤压,积蓄迸发的能量,但是,由于地质物质重量压制的原因,积蓄的能量暂时不能迸发,直至积蓄的能量高于地质物质的重量,破土而出,诱发地震。易经认为:阳代表能量(这里代表大陆板块挤压能量);阴代表物质(这里代表地质物质)。阴迫阳而不能蒸,不能使能量逐步释放,导致能量积蓄,最后爆发成地震,这和现在科学解释完全相符。又如,电流就是作为物质端的阴极向作为能量端的阳极输送电子物质的过程。如果用开关将阴阳两极分割,就是断电;将阴阳两极开通,就是给电,即,阴阳相激。或许,这中华的理论恰恰就是启蒙爱因斯坦相对论的源泉。

作为易经文化一个分支传承,中医学,也叫汉医学,通过它的阴阳五行学说挽救了无数条生命。中医理论也是建立在等效基础上的科学,它绕过现代医学基础学科方面的知识,如生化学、微生物学、组织学、病理学等,直接通过阴阳五行学说来确诊和治疗疾病。在古老的中医学中,还提到了青蒿抗疟疾的作用。青蒿里有青蒿素。屠呦呦从中医学中获得知识,挖掘青蒿素这一古老的资源,用几乎一生的经历来研究青蒿素的提纯方法,因此获得诺贝尔奖。

在数学中,也有等效手段的运用,如,微分,就是个等效近似运算,经过成千上万人的演算验证,确立了今天的微分理论。又如,高考和研究生考试都必考的题目:因式分解,就是通过重新组合数组所进行的等效运算。还有史丰收的速算法等,都属等效算数运算的手段。

有电子工程和计算机学背景的人都知道,真值表是设计逻辑电路的必须工具。这真值表也是个等效的手段。

如果我的这篇文章能让你懂得真正的引力波及等效的概念,那么,和那些物理学等方面专家所著的相关文献相比,我的文章就是它们的等效文献。

条条道路通罗马,任何一条近捷、舒适、风光无限的通向罗马之路都是我所需求的等效旅行路线。或许,在路的那一头,我会扑捉到更多的引力波。

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评论
Stegy223 回复 悄悄话 鲁九君的文章有些深奥,但有味道,读一遍消化不了。对物理是外行,印象中没人谈过黑洞巨大的引力会将光速变慢至零 (:-) 关于引力与光线看到过:
"Light is affected by gravity, but not in its speed. General Relativity (our best guess as to how the Universe works) gives two effects of gravity on light. It can bend light (which includes effects such as gravitational lensing), and it can change the energy of light."

鲁迅九 回复 悄悄话 回复 'xiaoxitian' 的评论 : 这篇文章涉及的范围广一些,是和那篇关于相对论的文章相配合的,能理解多少算多少。本来还有一篇关于量子纠缠的文,先不发了,等一等,下一篇我要借助名人讲讲生活上的事。
xiaoxitian 回复 悄悄话 老九你的文章真是文献了,看的我是一头雾水,真是隔行如隔山,等有时间再多看几遍,这样就便于理解。
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