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老和山下的小学僧:人类现在有没有可能是宇宙中最高等的文明?|2022-11-29

很可能是。

部分人猜测,外星文明已经都被超新星爆炸毁灭了。

值得担忧的是,距离地球大约 8000 光年,就有一颗巨大恒星,在今后的 50 万年内,随时有可能发生超新星爆炸。

而这,都和引力波有关。

首先,抛一个「我思故我在」的哲学话题。

我们平时所谓「看得见」,本质上是这个东西发光或反光,光线进入眼睛后,产生一系列生物反应,最终在大脑产生视觉信号,这就是「看得见」。

所谓「摸得着」,那是手指的分子与这个东西的分子足够近,分子间产生排斥力,使神经系统产生压力信号,让我们认为摸到了这个东西,实际上分子之间是不接触的。

我们看到的只是光,摸到的只是分子排斥力,而这个东西到底是否存在,严格的说,是不确定的。

更刁钻一点,如果有个技术能模拟各种各样场景的大脑信号,那这个大脑是分不清幻觉和现实的。

也许世界根本就不存在,是你的大脑信号一直在欺骗你。

这个滥话题有点扯蛋,科幻电影翻来覆去拍过好几遍,但换个场景,就有点意思了。

引力波的价值

人类观察宇宙,主要通过测量各种射线、紫外红外、可见光等电磁波,归根结底,还停留在「看得见」这个层面,而且是依靠「电磁波」才看得见。

万一有个东西不辐射电磁波,也不存在电磁相互作用,那我们就傻眼了!

对只能通过电磁波观察宇宙的地球人来说,这就相当于隐身了。

有人会说,这种没头没脑的假设,是毫无意义的钻牛角尖!

众所周知,任何有温度的东西都有辐射,而任何东西的温度又不可能达到绝对零度,也就是说,任何东西都有辐射,谁能说出一样没辐射的东西?

有吗?

别急,还真有,这就是暗物质。

虽然暗物质尚未证实,但绝不是空穴来风,不过这货今天是来跑龙套的,再多的镜头就不给了,过。

暗物质在与人类玩躲猫猫的过程中始终游刃有余,而宇宙中,又有多少像暗物质那样未被发现的东西?

人类科学发展至今,急需第二件工具,引力波正是不二之选!(好吧,其实除了引力波,我们也没有其他选项。)

引力波的预言

牛爷发现万有引力后,大家普遍认为引力的传播是不需要时间的,比如,太阳突然出现,地球就能瞬间感受到引力,太阳突然消失,引力也就跟着瞬间消失了。

这和我们普通人的理解差不多。

但这样的话,相对论的很多公式就对不上了,任性的爱因斯坦既然能把空间掰弯,把时间拖慢,把任何与相对论矛盾的东西都干掉,引力自然也不例外。

按照广义相对论洛伦兹不变性的推导,爱因斯坦预言,引力以光速传播。

比如,太阳突然出现,它的引力是以光速向外传播,地球将在 8 分钟后感受到引力,太阳突然消失,地球也是 8 分钟后感受到引力的消失。

这就是引力波的概念。

我们按「相对论」的高逼格,重新表述:质量发生变化,导致时空结构改变,时空结构的变化将以「波」的形式传播。

这个想法倒是蛮有创意的,但也没什么神奇之处吧?如果我们拿引力波和电磁波做对比,就会发现很神奇的事情。

电磁波是极易被干扰的,雷达波遇到金属网就懵圈了,可见光,拿个镜子就能反射,而宇宙短波射线,碰到大气层就认怂。

而引力,仿佛亘古不变,不可屏蔽,不会转向,执着的以恒定光速向外传播,无论你在太阳和地球之间干了什么事情,丝毫不会影响太阳对地球的引力,这才是真爱啊!

于是,脑洞大开的物理学家提出,引力可能是在更高维度传播的,不受三维空间的束缚。

你的小脑袋也不用去想象多维空间的样子,这是数学模型,身处三维世界的人类大脑是无法形成图案的。

说到这,有很多大仙开始算命了:宇宙不过是人家的一粒原子,空间有二百五十维……哥们儿,物理学家的理论都有严密的数学做背书,您可别一拍脑袋出个理论,再一拍大腿又出个预言。

玄学和科学的差别就是数学。

没有数学的物理模型,只能算童话故事。

引力波的测量

所以,非常抱歉,你得重新认识引力了。

电磁辐射消耗能量,所以物体散发电磁波会导致自身能量不断下降,因为能量守恒嘛。

同理,引力也在对外传播,那会不会有「引力辐射 」,也导致物体能量的减少?物理学家设计了一个异常宏大的实验方案。

首先是,间接证据:宇宙引力实验室

两颗质量不变的星星,相互绕着旋转,按照经典的理解,轨道半径是不会有任何变化的。

但按照相对论引力波 的理解,两颗旋转的星星,忽远忽近,使得引力忽大忽小,并以光速对外传播,这种「引力辐射」使双星的能量不断降低,进而导致双星运行轨道变短。

实验原理虽然简单,但即便拿 2 个地球那么大的物体做实验,数据仍然小到微不可察。

幸运的是,宇宙早就为我们准备了一个完美的「引力实验室」,1974 年阿雷西博 射电望远镜发现了一对脉冲双星 ,编号 PSR1913+16,为了强调这个「天然实验室」的重要意义,天文学家专门把「脉冲双星」这个名称保留给这对星星。

下面开始试验了。

某天,阿雷西博望远镜接收到了一个来自宇宙的微弱脉冲信号,意味着发现了一颗脉冲星 。

这其实没啥好得瑟的,但天文学家很快发现了异常,通常脉冲星频率极其稳定,精度堪比原子钟,但这颗脉冲星的脉冲周期前后偏差却有十亿分之 58 秒。

很明显,如果不是外星人的信号,那一定是有一颗伴星影响了电磁波传送。

人类已经有能力,把脉冲星的频率,测量的无比精确。

仅仅凭借这一个参数,天文学家犹如福尔摩斯一般,把这对脉冲双星的家底算了个底朝天:自转周期 0.059029995271 秒,公转周期 27906.98163 秒,还有诸如天体质量,轨道半径等等参数。

按照引力波的预言,这对脉冲双星因为引力辐射损失能量,应该会导致公转周期每年减少百万分之 75 秒,并在 3 亿年后合并。

天真的天文学家持续进行了多年的观测,最终,根据脉冲变化规律计算得:公转周期每年减少百万分之 76±2 秒,半长轴每年缩短 3.5 米,与相对论预言极其吻合!

啥也不说了,先给诺贝尔奖!

这是首次对广义相对论最精确、最全面的检验!

这下真是炸了锅了,引力竟是这般模样。

脉冲双星,提供了有力的间接证据,所以大伙都指望直接测量引力波。

于是,直接测量的「激光干涉引力波天文台 LIGO」,就来了。

说起来,引力波探测的原理异常简单。

前后放两块板,如果引力是瞬间传播的,那么这两块板会同时感受到引力,同时产生轻微的位移,两者间距不会有变化。

如果引力是光速传播的,那么前面的板先感受到引力,先产生位移,此时后面的板尚未感受到引力,所以两块板的间距就会发生变化。

直白点说,如果好端端放着的两块板,间距莫名其妙发生了一下变化,我们就认为探测到了引力波。

你还别嫌弃,从原理上讲,人类就这么点能耐。

说起来简单,但引力波引起的移动,可能只有千分之一质子大小的距离。

要测量这种尺度的位移,还是得费不少功夫。

先把一束激光分成 2 束,按相互垂直的方向发射出去,在各自顶端放一个反射镜。

每个管道长 4km,最后两束激光形成干涉条纹。

当引力波经过时,两个反射镜会先后受到干扰,先后产生位移,间距也就变了一下,干涉条纹就会发生变化。

除非这个挨千刀的引力波刚好从 45 度角过来。

虽然引力波探测的原理如此简单,但技术层面异常复杂,正如贵州 FAST,大有大的难处。

为了保证反射镜的抖动是引力波造成的,就要做很多防震措施,不然跺一跺脚,镜片就抖个不停。

为了最大限度的提高了信号的可信度,在远处再造一个一模一样的装置,两台引力波天文台分别位于美帝的两头,相距 3000km,所以你经常能看到两张背景不同的引力波天文台照片。

为什么要装 2 台呢?

如果是跺脚产生的振动,不会给两台装置同时留下一模一样的信号。

实际上,地球上的振动,都不可能在相距 3000km 的距离上同时产生一模一样的、如此微小的振动信号。

而来自十几亿光年之外的引力波,哪怕是相距 3000 万 km,引力场也是非常均匀的,这个很好理解。

美帝花 3.6 亿美刀做完这一切,守株待兔在那边等了 11 年,最终,一无所获。

于是,科学家又忽悠美帝再烧 2 亿升级系统,又苦苦等了 5 年,直到那个巨大巨大巨大的引力波撩动了反射镜,使镜子整整移动了 0.000 000 000 000 000 001(17 个 0)米,整个过程持续了整整 0.25 秒。

最后得到了如此美轮美奂的一张图:

 

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