张轩中的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/zhangxuanzhong

博文

(相声版引力波)给高中生说说引力波的事 精选

已有 5362 次阅读 2016-2-23 14:35 |系统分类:科普集锦


作者:张轩中/吴宝俊来源:蝌蚪五线谱 发布时间:2016-02-23
各位同学如果想在未来从事引力波方面的研究,那么报考中国科学院大学,将是提前接触这一前沿领域的绝好机会。

  本剧本特约创作者:张轩中(蝌蚪五线谱)     吴宝俊(中国科学院大学)

  2016年初最轰动的科学新闻无疑是美国的激光干涉引力波探测装置LIGO首次直接探测到了引力波。这一事件引起了大众媒体的广泛关注,引力波被认为是继电磁波之后能推动人类文明再上一个新台阶的基本工具。

————————————————-相声开始了——————————————

  张轩轩:想给各位准备考大学的高中生讲讲引力波的事情。

  吴宝宝:顺带做个赤裸裸的招生广告。

  张轩轩:其实引力波主要涉及的物理知识都已经在高中物理课程里讲过了。

  吴宝宝:但是认真听过讲的人估计不太多。

  引力波与万有引力什么关系?

  张轩轩:翻开高中的物理课本,可以看到讲述 “万有引力”的一章。为什么会有引力波呢?基本上可以说与万有引力有关。万有引力在质量小的物体之间并不明显,比如大家一起坐在教室里,彼此之间其实也有万有引力的吸引,但这个吸引力太小,根本感觉不到。

  吴宝宝:确实没有漂亮女同学的吸引力大。

  张轩轩:然而,如果是对宇宙天体来说,彼此之间的万有引力要大得多,而且起到了决定性的作用。

  吴宝宝:这时候女同学的吸引力可以忽略不计了。

  张轩轩:在两个黑洞之间的万有引力是很强的(如果黑洞之间的距离不远的话),这是因为万有引力是与两个天体的质量的乘积成正比的,而黑洞的质量一般至少在2倍太阳质量以上,所以如果两个黑洞靠近,它们之间的万有引力很强这是可以理解的。

  吴宝宝:两个黑洞靠近?就像张飞遇见李逵,那是真黑啊。

  张轩轩:那是相当的黑……在高中物理中,我们学过“圆周运动”,也就是说,当万有引力提供向心力的时候,我们可以计算出圆周运动的速率。那么,我们把这个知识点应用到两个黑洞的时候,就可以算出一个黑洞绕着另外一个黑洞做圆周运动时候的速率——这个速率比较关键,因为它会告诉我们第一个黑洞绕第二个黑洞转一圈所花的时间(用圆的周长除以速率就可以知道这个时间的大小,在高中物理课本中,把这个时间称为“周期”)。

  有了“周期”,我们取“周期”的倒数,就可以得到“频率”。表面上来,这是一个黑洞绕另外一个黑洞做圆周运动的频率,但实际上,这个频率差不多就是黑洞辐射出来的引力波的频率的1/2。

  吴宝宝:为什么是1/2?这事儿不能说太细,有感兴趣的同学欢迎报考中国科学院大学,在继续深造中满足好奇,茁壮成长。

  引力波要用到相对论的知识吗?

  张轩轩:因为黑洞与黑洞之间的万有引力实在很强,当两个黑洞靠得特别近的时候,你可以算出黑洞的速率已经接近了光速。在接近光速的时候,我们需要在万有引力的基础上加一点“狭义相对论”的知识(这个知识在高中物理的选修课里也是学过的)。

  狭义相对论要求,一个物体的运动速度不能超过光速。那你猜黑洞做圆周运动的速度能不能超过光速呢?

  吴宝宝:我猜,能?

  张轩轩:你再猜。

  吴宝宝:那我猜不能。

  张轩轩:我们可以设想一下,黑洞的速度越来越快,眼看就要超过光速了,但是,这个黑洞的惯性质量就会越来越大(根据狭义相对论可以知道速度越大,惯性质量就越大),所以到黑洞的速率真的要接近光速的时候,惯性质量会变成无穷大,而无穷大的东西在物理上都是不可能的,因此,我们就可以知道,黑洞的速率不可以超过光速。

  而且,根据爱因斯坦的广义相对论(这个在高中物理选修课里也有所涉及,大家可以去翻书找一下),黑洞存在其实是一种时空的弯曲,这种时空的弯曲也会改变时空本身的形状,时空本身好像是一块钢板,虽然看起来很硬,但也是有弹性的,但两个黑洞相互绕转到接近光速的时候,这个钢板就会震动起来,而震动会传播出去——时空的这种震动会带走的能量,向外传播,就是引力波。

  吴宝宝:就好比张飞和李逵练相扑,他俩在擂台上绕圈,整个擂台也会跟着震。

  LIGO的激光干涉又是什么

  张轩轩:大家在高中物理中也学过光的干涉,两个同频率的单色光是可以发生干涉现象的,这说明了光的波动性。

  LIGO所利用的就是光的干涉,它是一个L形的光路,当引力波过来的时候,这个L形的光路的长度会发生变化,所以光所走过的路径长短也会发生变化,这种变化可以通过激光干涉检测出来。

  所以反过来说,如果检测到了光的干涉信号的变化,就可以反推出引力波已经过来了。

  发现引力波,是终结还是开始?

  吴宝宝:实验上成功观测到引力波,这是否代表着一个领域或一项工作的完结?

  张轩轩:科学与技术的进步永无止境,我们在发现一个新事物,证实一项伟大预言的同时,也必定会遇到新的问题,开启新的探索旅程。所以,探测到引力波对于人类的科技而言,绝不是一个领域的完结,而恰是一个全新的开始。

  吴宝宝:这就好比,追到女孩子,结婚以后,并不意味着全剧终。毕竟日子还得往下过,还得面对新的生活。

  张轩轩:你知道的太多了。

  中国科学院大学的引力波研究

  吴宝宝:下面进入广告环节。

  目前,在中国也有引力波探测的计划,其中一个计划就是由中国科学院大学副校长吴岳良院士和中科院力学所胡文瑞院士为首席科学家的“太极计划”:

  太极计划自2008年就已初步启动,并于2016年2月16日正式与公众见面。

 

222

  中国科学院大学前身是中国科学院研究生院,秉承科学院科教融合的理念,由研究院所承办基础学院,实验与理论研究实力雄厚,为“太极计划”的实施奠定了基础。因此,各位同学如果想在未来从事引力波方面的研究,那么报考中国科学院大学,将是提前接触这一前沿领域的绝好机会。

  张轩轩:蝌蚪五线谱也鼓励广大有志青年,勇敢追求自己的理想,为人类科技进步贡献自己的力量。




人类首次探测到引力波
http://blog.sciencenet.cn/blog-3044428-958067.html

上一篇:要警惕:媒体热炒民科与引力波
下一篇:[专访吴岳良]对中国引力波探测项目的观察手记

19 姬扬 罗会仟 田云川 武夷山 王春艳 周林 吴宝俊 黄永义 李颖业 刘钢 张越 史晓雷 陈敬朴 朱林 王勇 余昕 shenlu ZYHDZ decipherer

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (11 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备14006957 )

GMT+8, 2019-6-25 06:14

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部