给人类打开第三只眼的引力波|王木头讲科学

作者:风中的自由
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发布时间:2017-11-15 15:56:10

本文由公众号 “把科学带回家” 提供

给孩子最好的科学教育

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今天是王木头讲科学的第19期节目。

给人类打开第三只眼的引力波|王木头讲科学

来自北京大学的木头哥哥是把科学带回家的明星主持人,他最擅长给孩子讲有趣的科学。

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在很多神话或是幻想小说中都有一种人,他们有第三只眼,也被成为天眼。这只眼和普通的眼睛可不一样,有着一种特异功能。它根本不屑于去看见光线,而是可以看到用眼睛无法看到的异世界,比如灵魂或是潜藏着的能量。

这些当然是人们幻想出来的了,一点也不科学,可是对于科学家们来说却期盼着拥有这样的能力。

给人类打开第三只眼的引力波|王木头讲科学

人有5种感觉,看得见东西,听得见声音,尝得出味道,闻得出气味,感觉得到东西以及冷热痒痛,这是人类了解外界环境的基础。对于我们普通人来说这完全是足够的了,可是对于科学家就不够了。本来,如果只是研究身边甚至任何地球上的事情,这5种感觉还是可以应付的,但是人的好奇心可不只是身边,还想去了解地球之外的宇宙,它到底有多大?是什么时候诞生的?未来将会如何?

研究宇宙的事情,本来就不太够用的5种感觉,更是被直接废掉了4种。触觉和味觉,总是需要我们接触东西才可以。可是宇宙如此广阔,动不动就是上千万光年的距离,又怎么可能接触到呢?人到过最远的地方也不过是月球,也只是光线1秒钟到达距离。

给人类打开第三只眼的引力波|王木头讲科学

听觉和嗅觉虽然也可以让人远远地感觉到,但是它们的传播都依赖于空气,而宇宙中没有空气。而且它们的传播速度是如此之慢,连很多人造机器都可以快过它们,即使能在宇宙中传播,等到了地球所带来的信息估计也就没有什么用处了。

只有眼睛还有用,因为只有光可以穿越无尽的空间来到地球,告诉我们宇宙原来是什么样子。于是长久以来,如何可以从光中发掘出更多的信息就成了人们研究宇宙的一个很重要的方向。

最开始,远古的人们只能利用自己的眼睛去观察着天空中的太阳、月亮和星星。除了太阳和月亮,所有的星星都只是一个小亮点。这时候的人们只能是看看这些小亮点在空中如何从一个地方运动到另外一个地方,然后寻找其中的规律。这时候就发现,天空好像一个球形的玻璃罩,几乎所有的星星都是固定在玻璃罩上,只有几个特别的淘气鬼,它们是跑来跑去,这就是行星,而那些不动的嵌在玻璃罩上的就是恒星了。

然后到了伽利略时代,它用望远镜指向了夜空,经过这种特殊设备的放大,星球更多的细节被发现了。金星像月亮一样是有阴晴圆缺的,木星有着4个卫星,土星像是长了耳朵。还能看到更多原来看不见的昏暗的星星。而且紧接着牛顿出现了,在牛顿万有引力定律的帮助下,科学家们可以通过星球运行的轨迹计算出这些星球有多重。

给人类打开第三只眼的引力波|王木头讲科学

再然后,科学家们发现了温度和发光的颜色的关系,我们前面第16次的内容里面讲过,温度越高释放出来的蓝色的光就越多。于是终于明白了,为什么天空中的恒星有的颜色偏红色,比如天蝎座的心宿二,有的偏蓝白色,比如天狼星。这是因为它们表面的温度不同,偏红色的温度低,偏蓝白色的温度高。

以前是没有办法直接根据恒星看起来是亮还是暗来了解它们到我们之间的距离的。虽然距离越远越暗,越近越亮,但是,如果这颗星球本来就不怎么亮,即使距离我们近,看起来也是暗暗的。现在我们可以通过它的颜色来分辨出它的温度,而温度高低和它的亮度是有关的,所以根据星球的颜色和亮暗可以知道这颗星球的距离。

科学家们当然不满足这些,他们还想知道其他遥远的星球上面都是由什么物质构成的。派宇宙飞船去采集样本是不可能了,所以就需要另想办法。这次立功的是我们前面讲过的三棱镜,通过它把其他星球照射过来的光散开,然后就可以了解到这颗星球上都有什么元素,是氢原子会多一些呢,还是其他的原子多一些。

给人类打开第三只眼的引力波|王木头讲科学

大家还记得爱因斯坦在解释光的波粒二象性时说到的,电子吸收光子之后具有了更多的能量,然后就会从低的轨道跳到更高轨道。其实反过来也是会发生的,电子从高处的轨道跳到更低的地方是会释放出能量的,这个能量会以光子的形式发射出去。

不同种类的原子有着不同数量的电子层数,所以不同种类原子它的电子在轨道上跳跃的可能性也不是同的,也就是说它们释放出来的光子能量不同。比如一个只有2层轨道的原子,电子只能是从第2层跳到第1层这一个可能,也就是只会放出一种光子。而如果有3层轨道的话,就会有从3层跳到2层再从2层跳到1层,这是2种光子。这还不是全部,还可以从3层直接跳到1层,这又会是一种光子,一共有3种光子。

我们虽然没办法直接采集遥远星球上的物质分析有哪些原子。但是它们释放的光子是可以穿过宇宙到达地球的。怎么分辨它们呢?大家应该还记得能量高的光子波长短,能量低的光子波长长,换句话说就是他们是不同颜色的光子。分辨出不同颜色的光,我们是有办法,即使它们到达地球的时候是混合在一起的,只要让它们经过三棱镜,不同颜色的光就会分散开来,这样就可以发现其中隐含的秘密。根据这些颜色中隐含的信息,科学家就会比较轻松地先反推出电子轨道的信息,然后再反推出那里都有什么元素,甚至还能知道各有多少。这就是恒星的光谱,如果每颗恒星都是一个人的话,那么光谱就相当于是他们的指纹信息。

其实真实情况下看到光谱会是另一个样子。大家可以看一下下面这个图,是太阳的光谱,距离我们最近的恒星。

给人类打开第三只眼的引力波|王木头讲科学

这个光谱是在连续色块间夹杂着一些暗条纹。这是因为真实情况下,恒星内部巨大的密度和剧烈的核反应会把电子跳跃放出的光谱间隙给抹平,变成一个连续的光谱。可是光子从恒星内部发射出来,还会经历过外部的气体大气层。这里也是有原子组成的。当连续光谱的光子照射到这些原子中的电子时,它们就会经历一个相反的过程,吸收光子从低轨道跳到更高轨道。也就是说,这些原子会释放的光子也是它们会吸收的光子。所以我们在图中看到的那些暗条纹,其实就是我们所需要的光谱,代表了恒星中的元素都吸收了那些光。这就是恒星指纹真实的样子。

研究光谱可以算是把可见光发挥到了极致,科学家们可是不满足于此。我们也知道可见光只是一种电磁波,所以从更大范围的电磁波中寻找信息也是他们所努力的方向。接收无线电波的射电望远镜,之前的内容也提到过接收红外线的,紫外线的,还有x射线和伽马射线的望远镜,都是这种努力下的成果。

看似我们研究宇宙的手段丰富了,了解宇宙信息更多了,但是途径却还是如此的单一,至此我们对宇宙所有的了解,全部来源于电磁波,它是唯一的。

这样给研究宇宙带来了麻烦,这就代表着对于电磁波失效的那些东西,我们将会一无所知。比如,我们知道最久远的信息是宇宙微波背景辐射,它也是电磁波。它给我们带来了宇宙诞生时的很多信息。说是宇宙诞生,其实它产生的时候已经是宇宙大爆炸发生后38万年了。在它之前,宇宙如此地稠密让任何光都无法传播出来。电磁波失效了,这就代表了这38万年间发生了什么,我们几乎是一无所知的。

给人类打开第三只眼的引力波|王木头讲科学

全天的宇宙微波背景辐射

还有,充满宇宙四分之一的暗物质,它们的含量如此之大,是我们可以看到的普通物质的5倍,但就是因为它们不和任何电磁波发生关系,所以我们对它们也几乎是一无所知的。

如果没有新的手段,像幻想小说中描述的那样能打开第三只眼的话,我们对这些未知的事情不论过多久依然是一无所知。而广义相对论中预言的引力波,就非常有可能成为这样的第三只眼。引力波是空间自身的压缩和膨胀,这就代表了没有任何东西可以阻挡它的传播。宇宙大爆炸后到38万年之前这段时间,因为宇宙物质稠密到了即使产生电磁波也会被阻挡和吸收。可是引力波不会。理论上,从引力诞生起,引力波就产生而且还不会被阻拦。所以如果可以接收到这个时候的引力波,那么当时发生了什么我们就有可能会知道。

还有暗物质,虽然不和电磁波有任何反应,但是它们却会引力发生关系,通过引力波去研究它们或许是有效的方法。

不过,引力波存在吗?还是说它只是爱因斯坦广义相对论给我们的一个假象?如果再早一些,这还没有答案。就在去年,2016年的2月份,科学家们宣布它们探测到了引力波,引力波也不再是一种假说。从这个时候开始,我们研究宇宙的第三只眼打开了。我们应该相信,在它的帮助下科学家就能够探索宇宙更底层的奥秘。

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