北京日報2015-09-02 09:16
[摘要]科幻小說《三體》中，用到了大量的物理學(xué)設(shè)定。我國著名物理學(xué)家、科普作家李淼先生在不久前出版的《三體中的物理學(xué)》一書中，對這些知識做了深入淺出的生動講解。
8月23日，我國著名科幻作家劉慈欣的小說《三體》，榮獲2015年科幻文壇大獎“雨果獎”，這被稱為科幻文學(xué)界的諾貝爾獎，也是亞洲作家首次獲此殊榮。
在科幻小說《三體》中，用到了大量的物理學(xué)設(shè)定。我國著名物理學(xué)家、科普作家李淼先生在不久前出版的《三體中的物理學(xué)》一書中，對這些知識做了深入淺出的生動講解。雖然有些內(nèi)容不乏艱澀，很燒腦洞，但其中自然科學(xué)知識的ABC，作為生活在現(xiàn)代社會的讀者來說也很有必要了解。征得作者同意，新知周刊《科技》版特摘編書中一些內(nèi)容提供給讀者。
黑洞
作為天體物理學(xué)家，葉文潔對核武器十分敏感，她知道這是恒星才具有的力量。她更清楚，宇宙中還有更可怕的力量，有黑洞，有反物質(zhì)，等等，與那些力量相比，熱核炸彈不過是一支溫柔的蠟燭?！度w》
拉普拉斯根據(jù)牛頓的萬有引力理論，推測黑洞是存在的。拉普拉斯的黑洞很好理解，我們知道，在地球表面發(fā)射火箭，如果初始速度不夠大，不論火箭飛多遠，最終還會落回到地球上。如果速度再大一點，例如超過7.9千米每秒，火箭就會越飛越遠，永遠逃離地球。對于宇宙中的每個質(zhì)量點而言，都可以計算逃逸速度，質(zhì)量越大，距離質(zhì)量中心的距離越近，逃逸速度就越大。如果我們將地球的質(zhì)量壓縮到一個更小的球體中，地球表面的逃逸速度就會增大，因為萬有引力變強了。拉普拉斯發(fā)現(xiàn)，如果這個質(zhì)量點的半徑足夠小，逃逸速度就達到光速，因為沒有任何速度大過光速，故而所有物體都不可能逃脫這個質(zhì)量吸引。不論它飛多遠，最終都會落回來，或繞這個質(zhì)量公轉(zhuǎn)，這就是拉普拉斯的黑洞。
史瓦西先生發(fā)現(xiàn)，黑洞是愛因斯坦理論的一個自然結(jié)果。在其去世的前一年，也是愛因斯坦發(fā)現(xiàn)廣義相對論的幾個月后，他發(fā)現(xiàn)了愛因斯坦理論中的第一個嚴格解。在一個由中心質(zhì)量造成的彎曲時空中，越靠近中心的鐘走得越慢，到了一個固定的邊界，時鐘走得無限慢，也就是說，如果我們站在外面看這個邊界上的鐘，它的秒針幾乎不動。這個邊界就是著名的黑洞視界。在這個邊界上，光也無法逃逸。為什么光無法逃逸呢？很簡單，盡管光速很大，但時間變得太慢了，對于我們的一個小時甚至一年，那里的時間幾乎沒有變，當然光在我們看來也就沒有走了。
史瓦西雖然發(fā)現(xiàn)了黑洞解，但愛因斯坦并不相信一個質(zhì)量可以被大幅壓縮以產(chǎn)生視界，所以黑洞對他來說并不存在。
直到史瓦西在理論上發(fā)現(xiàn)黑洞五十年后，黑洞研究才成為熱門，因為天體物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，黑洞會在宇宙中自然形成。
黑洞是真實存在的，可以說宇宙中到處都是黑洞，從質(zhì)量只有幾個太陽質(zhì)量的恒星級黑洞，到質(zhì)量為太陽質(zhì)量100至100000倍的中型黑洞，再到星系中心的黑洞，其質(zhì)量高達10萬至100億個太陽質(zhì)量。天文學(xué)家甚至猜測，所有星系的中心都是一個黑洞。
有一個簡單的公式，黑洞的視界半徑與質(zhì)量成正比。根據(jù)這個公式，如果我們將太陽塞進半徑大約為3000米的球體中，黑洞就會形成。如果要讓地球成為黑洞，其直徑或許不到1厘米。
其實，不大可能存在質(zhì)量比太陽還要小的黑洞，這是因為天體物理不允許小質(zhì)量黑洞的形成。較小的恒星形成黑洞之前就會停止核反應(yīng)，形成白矮星或中子星。當恒星的質(zhì)量足夠大，以至于中子之間的排斥力不足以抵抗萬有引力時，黑洞才會形成，這樣的黑洞通常不會小于三個太陽質(zhì)量。
引力波
羅輯一家遠遠地就看到了引力波天線，但車行駛了半小時才到它旁邊。這時他們才真正感受到它的巨大。天線是一個橫放的圓柱體，有一千五百米長，直徑五十多米，整體懸浮在距地面兩米左右的位置。它的表面也是光潔的鏡面，一半映著天空，一半映著華北平原?！度w》
萬有引力是近代科學(xué)最早確定的自然界中的基本力。牛頓的萬有引力理論比法拉第和麥克斯韋的電磁力理論早了一個半世紀到兩個世紀，在解釋天體運行、潮汐以及預(yù)言新行星方面，取得了了不起的成就。
但是到了愛因斯坦時代，人們才發(fā)現(xiàn)牛頓理論并不完美，在原理上可以說完全不正確，因為它假設(shè)兩個質(zhì)量之間的超距作用，也就是說，假設(shè)相隔一定距離的兩個物體之間存在著直接、瞬時的相互作用，不需要任何媒質(zhì)傳遞，也不需要任何傳遞時間。這顯然是不可思議的。
在愛因斯坦的理論中，萬有引力成了彎曲時空的效應(yīng)。而如果我們從一個固定的時空出發(fā)，考慮時空對這個固定時空微小的偏離，愛因斯坦理論中出現(xiàn)了類似光子的東西，就是引力波。
引力波是愛因斯坦廣義相對論的預(yù)言。引力波的存在說明引力傳播速度也是有限的，在愛因斯坦理論里面就等于光速。自從希格斯粒子現(xiàn)身之后，引力波是現(xiàn)代物理學(xué)預(yù)言中唯一還沒有被證實的預(yù)言，雖然存在間接的證據(jù)。
萬有引力無所不在，可為什么引力波難以探測？唯一的理由，還是萬有引力作用太微弱了。靜態(tài)萬有引力已經(jīng)足夠微弱了，只有當質(zhì)量積累到形成如月亮和地球這么巨大的天體時，我們才會感到萬有引力的存在，而引力波就更加微弱。
一個振蕩的電荷會產(chǎn)生電磁波，兩個天體互相繞著運動能夠成為引力波的來源。事實上，引力波就是這么被間接發(fā)現(xiàn)的。兩個中子星互相繞著轉(zhuǎn)動，輻射引力波導(dǎo)致中子星損失能量，之間的距離變小，轉(zhuǎn)動的周期變小，這個間接觀測完全符合愛因斯坦的理論，天文學(xué)家泰勒和赫爾斯因為這個觀測，共同獲得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎。
在宇宙中，超新星爆發(fā)，黑洞形成，一顆恒星掉入黑洞，都會產(chǎn)生引力波，而且比較強。雖然泰勒和赫爾斯在1974年就間接地觀測到了引力波，但由于引力波非常微弱，直到今天，科學(xué)家都還沒有能夠直接探測到引力波。人類有望在2016至2017年探測到引力波。
宇宙之死
在永遠的膨脹中，所有的星系將相互遠離……恒星將相繼熄滅……宇宙將變成一座空曠的墳?zāi)?，所有的文明和所有的記憶都將被永遠埋葬在這座無邊無際的墳?zāi)怪校磺卸加肋h死去?！度w》
在談到宇宙的未來之前，我們首先應(yīng)了解宇宙現(xiàn)在的狀態(tài)。其實，我們不需要知道太多，只需要弄清楚兩個重要的問題：
第一個問題：宇宙的膨脹程度如何？是加速還是在減速？
第二個問題：宇宙中的能量組分都有什么？
在1998年以前，幾乎所有人都相信宇宙雖然在膨脹，但膨脹在減速，將來的很多很多年之后，膨脹的速度可能無限趨近于零，也可能會降低到零，然后宇宙開始收縮變小。這是一個自然的想法，自從大約150億年前發(fā)生的大爆炸以來宇宙一直在膨脹，但目前的膨脹速度已經(jīng)比宇宙早期變小了很多，許多人認為宇宙的膨脹一直在減速，觀測也似乎支持這個自然而然的想法。有趣的是，幾乎沒有人質(zhì)疑過觀測數(shù)據(jù)，盡管現(xiàn)在回頭看以前的觀測數(shù)據(jù)，并沒有在嚴格的意義上告訴我們宇宙的膨脹在減速。
為什么物理學(xué)家特別相信宇宙膨脹的速度在減小呢？這是因為主導(dǎo)宇宙的力是萬有引力，即使是愛因斯坦的理論也不能改變這個事實。在萬有引力的主導(dǎo)下，宇宙中所有天體之間的相對速度都會變小。
愛因斯坦為了獲得一個靜止的宇宙引入了一個萬有斥力。萬有斥力只是宇宙加速膨脹的解釋之一。從現(xiàn)代物理學(xué)的觀點來看，他的理論相當于認為真空中存在某種永遠不會因為宇宙膨脹而稀釋的能量，這個能量的密度保持恒定。這種能量叫暗能量。
暗能量的性質(zhì)決定了我們宇宙的命運。這是因為，暗能量現(xiàn)在是主導(dǎo)宇宙的能量，它占宇宙中所有能量的60%以上，而我們?nèi)庋勰軌蚩吹降奈镔|(zhì)以及肉眼看不到的暗物質(zhì)只有不到40%。
我們稍微談一下暗物質(zhì)，它是暗能量之外占宇宙能量組分最大的。這種物質(zhì)看不見摸不著，但天文學(xué)家在20世紀60年代，就發(fā)現(xiàn)它的存在了。它的存在導(dǎo)致星系和星系團的萬有引力比可見物質(zhì)引起的萬有引力大得多，天文學(xué)家通過觀測恒星圍繞星系中心的運動速度，可以推斷出暗物質(zhì)要比普通物質(zhì)多了5至6倍。
不論是普通物質(zhì)、暗物質(zhì)，還是輻射，這些能量密度在宇宙空間膨脹下被稀釋，而暗能量呢，在數(shù)十億年之內(nèi)沒有明顯的變化。也就是說，數(shù)十億年到上百億年之后，暗能量不僅主導(dǎo)宇宙，還遠遠高于其他能量份額。
還有一種可能，暗能量密度其實在慢慢變大。如果是這樣，暗能量密度會在有限時間內(nèi)變成無限大，也就是說，萬有斥力變成無限大。不需要專家我們都能推測將會發(fā)生什么，宇宙中所有空間和物質(zhì)都會被撕裂——首先是銀河系被撕裂，然后是地球被甩出太陽系，接著是月球被甩出地球的引力范圍，然后地球本身被撕裂……直到每個原子，每個原子核，每個質(zhì)子和中子都被撕裂。
我們也許永遠無法弄清宇宙在發(fā)生暴漲前的狀態(tài)，但我們應(yīng)該會知道宇宙的宿命，到底是一直膨脹下去，還是有一天會減速剎車，或者……發(fā)生大撕裂。
宇宙死去之后及之外
為了避免這個未來，只有把不同文明制造的大量小宇宙中的物質(zhì)歸還給大宇宙，但如果這樣做，小宇宙中將無法生存，小宇宙中的人也只能回歸大宇宙，這就是回歸運動?！度w》
暴漲宇宙論的主要預(yù)言，已經(jīng)被近20年的宇宙學(xué)觀測——特別是微波背景輻射的觀測所證實，也許在不久的將來就會被毫無異議地證實，例如這個理論所預(yù)言的宇宙最初一刻發(fā)出的引力波被觀測到（2014年3月一個美國觀測小組聲稱觀測到了），提出這個理論的古斯的成就也許將被諾貝爾物理學(xué)獎所肯定。
然而，宇宙學(xué)的終極問題之一是，宇宙暴漲的起源是什么？宇宙是唯一的嗎？下面，我們從眾多理論中挑選出兩個介紹給大家：
輪回說
首先，我們要提到與佛教輪回相似的循環(huán)理論。佛教中的輪回說，不同的人有不同的理解，哪怕是學(xué)佛的人，解釋也很不相同。佛家也有天地成敗的“劫”，一劫到底有多長？有一種說法，一劫大約是四十三億二千萬年，雖然比現(xiàn)在的宇宙年齡短，卻是一個量級的。
宇宙學(xué)家早就提出過類似佛教輪回學(xué)說的宇宙膨脹-收縮-反彈再膨脹-再收縮……的說法，這種說法給宇宙起源提供了一個理由：宇宙在大爆炸之前是另一個宇宙，在另一個宇宙之前還有一個宇宙，等等，如此前溯無窮無盡。
永恒暴漲論與多元宇宙
這是一個在過去十幾年中非常流行的理論。
1983年，林德提出了一個令人非常吃驚的想法，他認為暴漲的起源幾乎無所不在。他將這個模型命名為混沌暴漲論。在這個模型中，驅(qū)動暴漲是一個永遠在做量子漲落的場。當這個場漲落到一些地方使得場所含的能量足夠大時，暴漲就發(fā)生了。例如，即使在我們現(xiàn)在這個足夠安靜的宇宙中，這個場也無時無處不在漲落，萬一它漲落出一個足夠大的能量密度，那個區(qū)域就會發(fā)生暴漲，從我們這個母宇宙中產(chǎn)生出一個小宇宙，那個小宇宙劇烈地膨脹，很快，一個嶄新的大宇宙就從我們這個母宇宙中產(chǎn)生了。
如果世界真是這樣的，那么，在我們這個宇宙之外，應(yīng)該還存在很多很多大大小小環(huán)境完全不同的宇宙，甚至連物理規(guī)律也可以不同。這樣的宇宙圖景，叫多元宇宙。
