Universe

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往古来今谓之宙,四方上下谓之宇——西汉的《淮南子》

罗胖精选 | 一个让科学家等了100年的奇迹

和你一起终身学习,这里是罗辑思维。

今天的罗胖精选,来自少年得到App的《严伯钧・少年宇宙课》。

严伯钧老师是我见过的人中,最能把一个复杂的陌生知识说得清楚明白,而且还有激情、有意思的。

他在得到App的《西方艺术课》,很受欢迎。但实际上,他的专业是物理学。他是香港科技大学理论物理学硕士,后来到美国布朗大学攻读博士学位。他的老师里,有两位得过诺贝尔物理学奖。

所以从去年开始,我们就和他商量,能不能给孩子开一门宇宙学的课?

经过将近一年的打磨,这门课现在终于在少年得到App上线。知识体系很完备,每一讲都让我大开眼界。

下面,咱们就来听听其中一讲的内容。

我们先来看看这个名字——引力波,顾名思义,它由引力和波两个部分构成。我们先来谈谈什么是波。你在日常生活当中有没有感受过什么波的存在吗?往平静的水面上扔一块石头,石头会在水面上激起很多的涟漪,这就是水波,所以水里面是可以产生波的。

那么我现在再来请你思考一个问题,鱼,生活在水里的鱼它能不能意识到水的存在?鱼由于每天都生活在水里面,它是意识不到水的存在的。

那么水波对于鱼来说,就更加难于察觉。因为当这个水波流过鱼身边的时候,鱼只不过是跟着水一块波动,它并不会意识到自己在动。这就好像你坐在一辆非常平稳运行的高铁上,如果不看窗外的风景,你根本是意识不到你自己在动一样。

那么爱因斯坦是怎么看待这个问题的呢?根据爱因斯坦的观点,我们人就好像鱼一样,我们生活在空间当中,但是反而意识不到空间的存在。或者换一句话来讲,对我们来说空间是天然的背景,它太自然了,自然到你都不会去注意它。但其实这个空间对我们来说就好像水对于鱼一样,它也是一种物质,它也可以像水一样发生波动。

解释完了什么是波,我们来解释一下什么是引力。万有引力,很简单,你扔一个东西,它就会掉到地上,好像这个被扔出去的东西是感受到了一种力把它拽到地面上的。

这个时候爱因斯坦又来了,爱因斯坦说引力不是一种力,而是一种空间的扭曲和变形。这个听上去非常拗口,什么意思呢?你先别着急,我们来做一个简单的思维实验。

你先想象一张床单,这个床单都见过,我们找四个人,每个人拉住床单的一个角把它张平了。这个时候你在床单的比较靠边的位置,你放一个小小的乒乓球。这个乒乓球很轻,所以它肯定是会很安静地待在床单上的。

这个时候你再拿一个更加重的球,比方说是一个保龄球,保龄球非常重。你把它放在床单的中央,由于这个保龄球太重了,它会把床单压下去,这个床单会向中间凹陷,它肯定会影响到旁边的乒乓球。这个乒乓球就会沿着床单的凹陷向保龄球滚过去,所以总体的感觉就好像乒乓球是受到了保龄球的吸引一样,好像保龄球也对乒乓球产生了一个吸引力。

那么爱因斯坦认为,其实我们的空间跟这个床单是一样的,我们的空间是一个整体,那为什么地球会对周围的事物产生所谓的万有引力呢?地球就好像这个保龄球一样, 会使周围的空间发生像床单一样的扭曲和凹陷,周围的物体它不是感受到了地球的存在,它也不是感受到地球对它有一个引力,而是地球把空间扭曲了,这些物体自然而然地就向扭曲的方向运动,宏观上看上去就像被地球吸住了。

所以引力不是一种力,引力是一种宏观的效果。本质上是地球或者说任意一颗大的星球的存在,让周围的空间像床单一样发生了扭曲。

你现在知道了什么是波,你也知道了什么是引力,我们现在来把它结合起来,那就是引力波了,我们还差一步。

继续用这个床单的实验。如果我用一只手按在这个床单上的保龄球上面,我上下不断地去按它,一上一下就像拍皮球一样。这时候这个床单肯定是一会深一会浅,深深浅浅,就会形成上上下下的振动。那这个振动的总效果就跟一个波一样,所以引力波的本质就是空间发生了扭曲,而且这个扭曲还不是固定的,它可能一会儿大一会儿小,像水波一样上下振动,规律地变化,这个就是引力波。

所以我们终于讲明白了,其实引力波就好比在水里扔了一块石头产生的水波一样,对应的就是你在空间中扔了一个星球,这个星球在空间中突然地出现,它会让空间扭曲产生一定的涟漪,这个涟漪就叫做引力波。

本质上你一定是要把空间当成一种物质,它也能受到扭曲,它也能受到变化。那我们的空间受到的扭曲跟变化还有一种规律的抖动,这个就是引力波。

为什么引力波那么难以被检测到,让人类花了100年的时间。这个原因其实非常非常简单,就是引力波实在是太弱太弱太弱了,弱到没有办法被察觉。

那你可能会说引力怎么会弱呢?地球上那么多的东西全都被吸在地球上的。我们说引力小,那得看它跟谁比。

现在假设我们有一根铁钉掉在地上,它是在引力的作用下,被吸在地面上。但是同时这颗铁钉它又可以很轻松地被一块极小的磁铁给吸起来,但是一块磁铁才多大点,地球可是如此巨大的庞然大物,这么大个地球,它的力道还没有一块小磁铁大,你说它的引力是强还是弱呢?所以说引力跟磁力比起来简直是弱得可怜。

那么引力比磁力要弱多少呢?简单来说,可以这么讲,我们的地球比一块磁铁大多少倍,引力差不多就比磁力弱多少倍。

所以,引力波的强度实在是太小了,我们人类的科学仪器对于小的引力波根本就检测不到。

那为什么在2016年的时候,整整过了100年我们又检测到引力波了呢?是人类的科学实验仪器进步了吗?还真不是,这原因是因为在宇宙中发生了一件大事情,那是一件什么大事呢?就是两个大黑洞它们合体了,它们并在了一块变成了一个完整的黑洞。

那你可能就要问了,为什么得是两个黑洞合在一起才能在宇宙中闹出这么大动静呢?光一个黑洞难道不能闹出什么大的动静吗?

一个黑洞只是引力大,我们再回顾一下那个张开的床单上放一个保龄球的例子。

如果这个床单上面只是安静地放着一个很重的保龄球,一个黑洞相当于一个很重的保龄球,它会把床单压得非常深,但是床单是不会动起来的,它只能扭曲空间,所以一个黑洞不会产生什么明显的引力波。

但是这个时候如果第二个保龄球进来那就不一样了,这两个保龄球如果还发生了激烈的碰撞,那你可以想象这个床单必然是被搅得天翻地覆,这个引力波肯定就非常明显了。

所以说我们来总结一下为什么要两个黑洞,而且这两个黑洞它还要碰撞。

第一,只有两个黑洞碰撞了,宇宙这个空间的床单才会被搅得天翻地覆,才会有动静。

第二,它们必须得是黑洞这样引力极大的天体,才能够保证这个动静很大,大到我们可以探测到。

所以说本质上不是我们的实验仪器进步了,而是我们等了整整100年才等到了这么两个黑洞合体的奇迹。但是你千万不要觉得100年时间很长,要知道我们的宇宙已经存在了150亿年。如果把这150亿年比作宇宙的一年,这100年对宇宙来说真的是过了一秒钟都不到。

所以说并不是这个事情发生的次数很少,只是我们人类太渺小,活的时间太短了。你看长短的相对性又出来了,我们跟蚊子比我们活得是足够长,但是我们跟宇宙的年龄比我们是太微不足道了。

现在你搞明白了,为什么过了100年,我们才把这个引力波探测出来,因为我们在等,这个千年等一回的大奇迹。

宇宙信息图——第一本可视化宇宙简史

目录

目录
推荐序
0 引言
1 太空探险
2 太阳系
3 望远镜
4 太阳
5 恒星
6 星系
7 宇宙学
8 其他世界
9 杂谈

百度百科

广义的宇宙定义是万物的总称,是时间和空间的统一。狭义的宇宙定义是地球大气层以外的空间和物质。“宇宙航行”的“宇宙”定义就是狭义的“宇宙”定义,宇宙航行意思就是在大气层以外的空间航行。

在宇宙中,地球是目前人类所知唯一一颗有生命存在的星球。

通过宇宙微波背景辐射的观测发现我们的宇宙已经膨胀了138.2亿年,最新的研究认为宇宙的直径可达到920亿光年,甚至更大。

人类所观察到的部分宇宙的物件大约是由4.9%的普通物质(构成恒星、行星、气体和尘埃的物质)或“重子”,26.8%的暗物质和68.3%的暗能量构成。重子物质构成星系际的“蛛网”。

宇宙大爆炸是描述宇宙诞生初始条件及其后续演化的宇宙学模型,这一模型得到了当今科学研究和观测最广泛且最精确的支持。宇宙学家通常所指的大爆炸观点为:宇宙是在过去有限的时间之前,由一个密度极大且温度极高的太初状态演变而来的,并经过不断的膨胀到达今天的状态。

暗物质和暗能量分别通过对普通物质产生的引力作用和推动宇宙做加速膨胀而表明它们的存在。如果暗能量不存在,那么物质间的万有引力作用就会减慢宇宙的膨胀,但是天文观测表明我们的宇宙在做加速膨胀运动。宇宙由一切天体组成。

一本书,带你了解太阳上下百亿年

原创: 「罗辑思维」 罗辑思维 今天

今天,给大家介绍的书是——

《上下百亿年:太阳的故事》

作者:卢昌海
出版:清华大学出版社

载人火箭、航天器、射电望远镜,人类能越来越深入的触及宇宙,但是对距离我们最近的恒星——太阳,你又了解多少呢?

今天就专门介绍一本讲太阳的科普书。虽然太阳系内的对象已经不是天文学的热门,仅有的一些研究也聚焦在“行星地理”,比如对金星、火星的探测上。

但作为距离地球最近的恒星,作为我们的能量之源,我们有必要了解一下它。

关于这本书,以下几个内容,与你分享。

  1. 这本书的最大特点是:硬知识+深挖史料。全书14章,由14个关于太阳的探索故事组成,每章都包含了准确且不广为人知的科学史与硬知识。这些知识点,大都触碰研究前沿。看完之后,你对太阳的了解,会超过99%的科学爱好者,但这需要你花费足够多脑力。

  2. 人类认识世界最可靠的方法是科学方法。这本书的作者卢昌海老师会带领着你思考:一个结论是靠什么证据得到的?这个证据要做什么实验?当时有哪些限制?这些限制又会导致结论有哪些不准确……准确地评价:完整的逻辑链,贯穿全书始终。如果你只想“速读”,那等于放弃了一次高质量的逻辑思维锻炼。

  3. 书中关于科学史部分的故事,也有着惊人的剧情:广义相对论最著名的验证实验,由爱丁顿率队,兵分两路出征“北极圈和亚马逊丛林”,在两地分别测量星光偏着角度。那次实验,让广义相对论第一次站稳了脚跟。但真相是,爱丁顿在数据上做了“优化”。而之所以几十年后还能发现这些细节上的“遗憾”,还要感谢爱丁顿如实地把完整数据和“优化过程”都放在论文里。这也算是体现了科学精神吧。

  4. 我们都知道,太阳靠内部的核聚变,源源不断产生热量。但具体的发热机制,人类无法直接得知。因为太阳中心核聚变产生的光子,要经过17万年才能到达太阳表面,再经过8分钟到达地球。在这十几万年内,光子经过了无数次更新,早已失去了诞生时携带的关键信息。

  5. 好在我们有研究太阳的利器——中微子。这本书从第七章开始,就是大部分人都可能没听过的知识了。这些内容在科学上有条脉络,就是“太阳模型”的建立;在剧情上也有一条脉络,就是“寻找丢失的中微子”。这部分内容,精彩得如同一部侦探小说。找到它的时候,太阳的秘密也就被参透了。

  6. 如果你是天文爱好者,肯定知道“沙罗日全食”。普通日全食大多是几十秒,但“沙罗日全食”持续时间能超过5分钟。这种日全食要18年才会在地球上出现一次,而且每次出现的地点,会顺着经度递进120度。也就是说,要在同一个地方再次看到,至少要54年。但是古巴比伦人,很早就知道这种日全食是18年一个周期,还给它取名“沙罗”。他们是怎么知道的,这还真是个谜。

  7. 在阳光的构成中,可见光的能量占43%,红外光占50%,紫外光只占其中的7%。所以想要凉快,就得多反射红外光和可见光。在这方面,镜面一样的金属做得不错。观察一下遮阳的汽车用品,以及很多隔热膜,是不是都是这样的“镜面金属”设计?

  8. 看完这本书你还会发现:即使是每个人都知道的基本知识,也不全准确。比如,太阳的质量约是1.989×10^30千克。事实上,即使抛开测量误差,这个值也不准确——太阳每秒钟“燃烧”掉的物质,就大概有400万吨。太阳的质量,是逐渐减小的。

  9. 最后给你个建议:卢昌海老师所有的科普书,都值得读。按从易到难分别是:《霍金的派对》《寻找太阳系的疆界》《经典行星的故事》《太阳的故事》《小楼与大师》《因为星星在那里》《黎曼猜想漫谈》《从奇点到虫洞》。每看一本,就能对这个世界多理解一些。宇宙广阔,这些知识就像船,带你到每一个角落。

最后,让我们向《上下百亿年:太阳的故事》的作者卢昌海,出版方清华大学出版社,说一声感谢!

一本书,带你快速了解宇宙140亿年

今天要推荐给你的这本书,名字实在太好了——

《给忙碌者的天体物理学》

作者:【美】尼尔·泰森
译者:孙正凡
出版:北京联合出版公司

我们很后悔自己没有先想出这个名字。这个时代,难道不应该有《给忙碌者的经济学》《给忙碌者的社会学》《给忙碌者的物理学》等等吗?

没办法,尼尔·泰森,先取出了这个好名字。

我们一边妒忌,一边向他致敬。

确实,我们都太忙碌了,但是又都对其他领域的知识充满好奇。

这个时代,需要有个明白人用简单通透的文字,把某个学科顶尖的洞察和前沿成果,写成一本我们可以轻松看完的书。

下面,给你八个理由,你一定要看这本书:

六万字。天体物理学,要义不漏。找一个午后时光,或者在某趟地铁上,就可以读完它。合上它的时候,你得心里知道,绝大部分人不会有这样的机缘。

  1. 简洁

简洁不是短。简洁是优美且没有废话。在不用公式图表的前提下,把你的生命和那么宏大的宇宙连接起来,让你怦然心动,这是高手境界。

看完这本书,没准哪天,你也会在自己的行业里写出一本类似的书。这就是范文。

  1. 理解力

“宇宙没有义务让你理解。”这是这本书的第一句话。但是紧接着,泰森又说,“对那些因为太忙而没空读大部头的人来说,仍然有一条道路可以理解宇宙”。

一门学科的魅力,不在于搞清了什么,而在于它是怎么搞清的。你理解了它的方法,必然会对自己手头的事有所启发。

  1. 回到现场

宇宙有140亿年历史,太阳核心的温度有2000万摄氏度。这些数字不用背。背了,也记不住。

但是你不好奇,天体物理学家是怎么知道这些的吗?他们为什么敢言之凿凿地告诉我们?回到当时他们得出这个结论的现场,他们是怎么说服科学共同体接受这个结论的呢?

这是神奇的“知识发生学”。在地球上,可以知道那么远的事。你不了解一下?

  1. 作者是大牛

尼尔·泰森,自己是著名的天体物理学家。2017年,获得斯蒂芬·霍金科学传播奖,被称为“卡尔·萨根的传人”。

  1. 万维钢推荐过

对,万维钢在《精英日课·第一季》第213期、215期、217期、218期里推荐过。你懂的。

  1. 做个更自由的人

其实,我在知识发布会上也推荐过这本书。理由是:成年人的自由,要看他的坐标系。还有比宇宙更大的坐标吗?

在宇宙的尺度上,你的烦恼只是微尘。在天体物理学揭示的关系中,你一点都不孤独。想想一个小孩子为玩具坏了而哭泣,你就知道,坐标狭小是一件多么令人悲悯的事。

  1. 这本书有个好名字

对,我知道,这一点前面说过了。但是,“给忙碌者”这四个字还是要再次赞叹一下。

我们忙碌,但是从未迷路。

然后我们一起行走6万字、140亿年、930亿光年。

祝你不虚此行。

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