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引力波及等效原理

(2019-09-29 17:38:26) 下一個

2015年9月14日,分別位於美國路易斯安那州和華盛頓州的兩個宇宙引力波探測器同時探測到了引力波,證實了愛因斯坦廣義相對論關於引力波的預言,全世界物理界都為之歡呼。

引力波到底是什麽?我願意以我的知識來澄清它。

我們知道,廣義相對論將萬有引力等效為對空間的扭曲。廣義相對論又說:在非球對稱的物質分布情況下,物質運動,或物質體係的質量分布發生變化時,會產生引力波。換句話說,因大質量的天體的運動,或其質量的增加和減少,天體對其周圍的某一點所在的空間的扭曲會發生強弱變化,這個強弱變化會以某個頻率,以光速向四周擴散傳遞,這個擴散傳遞的過程就叫做引力波。如果用相對論以外的概念來描述,引力波實際上就是引力的強弱變化的傳遞。

我們都已熟知了“黑洞”的概念。黑洞的質量如此之大,將其周圍的空間極度扭曲,以至於光線都不能從中逃逸,因此我們看不到它,所以稱其黑洞。或者,跳出廣義相對論理論,可以說,黑洞的引力如此之大,以至於使從其中發出的光線的速度為零。這就是說,在宇宙中,光的速度不是永恒不變的,它受引力的影響,巨大的引力會使光速變慢。比如,在A、B兩點之間,由於引力的增加,光速變慢,光線在A、B兩點傳遞時間要增加。愛因斯坦如果要這樣寫,那麽他的相對論就不能繼續下去了,因為已經沒有任何相對論的基礎了。

我們都會有這樣的經曆,我們所乘的車實際上是靜止的,但,我們旁邊的車開起來,我們會誤認為我們的車開動了。這是個錯覺,但是,我們需要跟著這種錯覺走進愛因斯坦的相對論中。

在引力的作用下,光速變慢。但是,現在我不考慮引力對光速的作用,而是認為引力的作用導致空間的扭曲拉伸,並且光速在任何時候都是永恒的,這就是相對論的實質。不論是從光速變慢,還是從空間拉伸的角度,最後結論都是一個,就是由此計算出來的A、B兩點間的光線傳輸的時間都是一樣的。這就是相對論的精髓。這就如同我上麵提到的我們的乘車經曆,無論是我們認為我們的車開動了,還是實際上是旁邊的車在開動,大家得出的結論都是一個:兩車之間發生了位移,有車開動了。這就是等效。如果大家能把我的這些話理解好,並且會運算微分方程的話,你現在就可以翻開愛因斯坦所著的相對論,任你馳騁了。

自上世紀50年代起,人們開始探測引力波。但是,很多的科學家探測的不得法,不合規律。比如,Joseph Weber 想通過引力波和探測棒放生共振來測引力波。我認為,Joseph Weber 的做法是錯誤的,他沒有理解好引力波的實質,把引力波等同於振動波。如我上麵所說,引力波的實質就是在A、B兩點之間光線傳輸時間快慢的問題,而不是振動的問題。

分別位於美國路易斯安那州和華盛頓州的兩個宇宙引力波探測器都是由兩個L形探測臂構成,臂各長4KM。探測器通過對比兩個臂上的光程差來探測引力波。這才叫畫龍點睛的實驗方法,點在要害上,因為由於引力波的作用,光在兩個探測臂上傳播所用的時間是不一樣的。

此次的探測結果揭示,距離我們地球13億光年的兩個黑洞相互融合。融合後增大的質量產生的引力波經過13億年的宇宙旅行,於2015年9月14到達地球。因為是兩個在不同位置的探測器同時測得同一結果,所以探測的結果可信度很高,完全排除了幹擾和噪聲的因素。

相對論理論的實質實際上就是一種等效的理論,用等效的方法來解釋宇宙的現象。

談到等效,我們很多學電子或電力工程的學子們都不會陌生。比如,等效電路、等效電阻等。一個由很多電阻以串聯和並聯相互交織組成的一段複雜電路,我們算出其電阻的總和R,然後用一個電阻為R的電阻將這段複雜的電阻電路替換掉,在這個R電阻兩端測得的信號和在那段複雜電路兩端測得的信號都是一樣的,這個R電阻就是那段複雜電路的等效電阻。這個等效電阻的作用就是要回避複雜電路裏的複雜的聯結。

相對論的作用就如同上麵所提到的等效電阻R。通過廣義相對論,人們隻考慮天體對時空的扭曲,而不需要花費時間用牛頓力學定律的套路去研究萬有引力和是否應該有作為萬有引力的反作用力的“萬有斥力”的問題。因為有相對論,對充滿複雜機製的宇宙的認知也變得簡單多了。從這個角度講,相對論又是個能將複雜問題簡單化的理論。等效的實質就是殊途同歸。

在中華文化係統裏,作為文化鼻祖的易經陰陽理論就是一個等效的理論,它通過物質的陰陽兩個方麵來解釋整個複雜的宇宙,而無需去進一步研究原子、分子等問題,繞過事物的複雜性,直接就能得出正確的結論。經過7千年的實踐檢驗,早已確定了陰陽理論的真理性,如,用陰陽理論,電被解釋為 :“陰陽相激為電”;地震被認為是:“陽伏而不能出,陰迫而不能蒸” 。我們知道,雷電就是一個高電位的積雨雲和一個低電位的積雨雲相互接觸時,高端能量向低端釋放的結果,高電位的積雨雲為陽和低電位的積雨雲為陰,陰陽相激釋放火花和聲音,讓我們感受到了雷公電母的存在,這就是雷電。又如,地震就是地球上的大陸板塊漂移運動,造成板塊之間的擠壓,積蓄迸發的能量,但是,由於地質物質重量壓製的原因,積蓄的能量暫時不能迸發,直至積蓄的能量高於地質物質的重量,破土而出,誘發地震。易經認為:陽代表能量(這裏代表大陸板塊擠壓能量);陰代表物質(這裏代表地質物質)。陰迫陽而不能蒸,不能使能量逐步釋放,導致能量積蓄,最後爆發成地震,這和現在科學解釋完全相符。又如,電流就是作為物質端的陰極向作為能量端的陽極輸送電子物質的過程。如果用開關將陰陽兩極分割,就是斷電;將陰陽兩極開通,就是給電,即,陰陽相激。或許,這中華的理論恰恰就是啟蒙愛因斯坦相對論的源泉。

作為易經文化一個分支傳承,中醫學,也叫漢醫學,通過它的陰陽五行學說挽救了無數條生命。中醫理論也是建立在等效基礎上的科學,它繞過現代醫學基礎學科方麵的知識,如生化學、微生物學、組織學、病理學等,直接通過陰陽五行學說來確診和治療疾病。在古老的中醫學中,還提到了青蒿抗瘧疾的作用。青蒿裏有青蒿素。屠呦呦從中醫學中獲得知識,挖掘青蒿素這一古老的資源,用幾乎一生的經曆來研究青蒿素的提純方法,因此獲得諾貝爾獎。

在數學中,也有等效手段的運用,如,微分,就是個等效近似運算,經過成千上萬人的演算驗證,確立了今天的微分理論。又如,高考和研究生考試都必考的題目:因式分解,就是通過重新組合數組所進行的等效運算。還有史豐收的速算法等,都屬等效算數運算的手段。

有電子工程和計算機學背景的人都知道,真值表是設計邏輯電路的必須工具。這真值表也是個等效的手段。

如果我的這篇文章能讓你懂得真正的引力波及等效的概念,那麽,和那些物理學等方麵專家所著的相關文獻相比,我的文章就是它們的等效文獻。

條條道路通羅馬,任何一條近捷、舒適、風光無限的通向羅馬之路都是我所需求的等效旅行路線。或許,在路的那一頭,我會撲捉到更多的引力波。

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評論
Stegy223 回複 悄悄話 魯九君的文章有些深奧,但有味道,讀一遍消化不了。對物理是外行,印象中沒人談過黑洞巨大的引力會將光速變慢至零 (:-) 關於引力與光線看到過:
"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."

魯迅九 回複 悄悄話 回複 'xiaoxitian' 的評論 : 這篇文章涉及的範圍廣一些,是和那篇關於相對論的文章相配合的,能理解多少算多少。本來還有一篇關於量子糾纏的文,先不發了,等一等,下一篇我要借助名人講講生活上的事。
xiaoxitian 回複 悄悄話 老九你的文章真是文獻了,看的我是一頭霧水,真是隔行如隔山,等有時間再多看幾遍,這樣就便於理解。
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