黑洞是宇宙中最神秘的天体,就像无底洞,任何物质包括光,只要掉进去就再也出不来。 但你有没有想过,黑洞其实是人类了解宇宙的关键?因为它的存在验证了爱因斯坦广义相对论的正确性。2015年,人类第一次探测到黑洞碰撞产生的引力波,从那以后,黑洞不再是理论上的天体,而是我们可以通过电磁波和引力波直接观测到的存在。 今天,我们就通过黑洞碰撞的声音,一起感受它的神秘。 LIGO:捕捉时空涟漪的耳朵 说到黑洞碰撞,必须提到LIGO——激光干涉引力波天文台。它由两台巨大的干涉仪组成,分别位于美国的利文斯顿和汉福德。 这两台干涉仪的精度高到什么程度?可以探测到质子直径千分之一的变化。相当于在四公里距离上,测量出比人类头发丝还细的变化。 正是因为有这样的精度,LIGO才能在2015年9月14日第一次探测到引力波。 第一次听到黑洞碰撞 这次引力波由两个黑洞碰撞产生。两个黑洞的质量分别是太阳的29倍和36倍,距离地球约14亿光年。碰撞前,它们互相绕转的频率快得惊人,最后时刻每秒能转25圈,最终合并成一个60倍太阳质量的黑洞。 这次碰撞释放的能量极其巨大——不到一秒释放的能量,相当于宇宙中所有恒星释放能量的总和。碰撞产生的引力波,经过14亿年传播到达地球,被LIGO捕捉到。 很多人好奇,引力波怎么变成声音?引力波本身听不到,因为频率太低,只有10赫兹左右,远低于人类听力范围。但科学家通过技术手段把频率提高,把信号加快16倍,我们就能听到了。 你听到的这段声音,就是两个黑洞碰撞合并的声音。开始频率很低,随着黑洞靠近,频率越来越高,声音越来越尖锐,最后合并,声音戛然而止。 这不仅仅是一个声音,这是14亿光年外的两个黑洞,在宇宙中上演的合并事件。而我们在地球上,通过LIGO听到了这场宇宙级的碰撞。 中子星碰撞也产生引力波 除了黑洞,中子星碰撞也能产生引力波。2017年8月17日,LIGO和VIRGO探测到一次中子星碰撞,距离我们1.3亿光年。两个中子星质量分别是太阳的1.4倍和1.3倍,合并后除了引力波,还产生大量电磁波。 这次人类几乎所有望远镜都对准了这个区域,从伽马射线暴到可见光,都观测到了碰撞的余晖。更重要的是,这次碰撞让我们第一次确认:宇宙中的重金属比如金、铂,都来自中子星碰撞。 这也解释了为什么地球上的黄金这么少——产生条件太苛刻,必须中子星这种级别碰撞才能
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光速是宇宙中最快的速度吗? 在爱因斯坦的狭义相对论里,光速被定义为宇宙中信息传递的极限速度,每秒30万公里。但在宇宙中,确实存在三种现象,它们的速度远超光速,却并不违背相对论。 今天,我们就来聊聊这三个“超光速”的宇宙奇迹。 首先明确一个前提:狭义相对论限制的,是“有静止质量的物体”和“信息传递”的速度不能超过光速。如果一个现象不涉及物质的移动,也不传递任何信息,那么它超越光速是完全允许的。 接下来要说的这三种现象,都完美符合这个条件。 第一种:宇宙膨胀的速度 这是最广为人知的一种超光速现象。 根据宇宙大爆炸理论,我们的宇宙诞生于138亿年前的一次奇点爆炸,此后一直处于膨胀状态。而且这种膨胀不是星系在宇宙空间里“移动”,而是“宇宙空间本身”在拉伸、膨胀。 就像吹气球,气球表面的两个点不会主动移动,但会随着气球的膨胀而彼此远离。距离越远的点,远离的速度越快。 天文学家哈勃发现了一个关键规律:星系的退行速度,与它和我们的距离成正比,这就是哈勃定律。根据最新测算,距离我们每增加326万光年,星系的退行速度就会增加约70公里/秒。 那么,当一个星系距离我们足够远时,它的退行速度就会超过光速。目前,这个“临界距离”大约是140亿光年。 也就是说,所有距离我们超过140亿光年的星系,都在以超光速远离我们。而可观测宇宙的半径约为460亿光年,这意味着宇宙中绝大部分区域的星系,我们永远都无法看到。它们发出的光,永远也到不了地球,因为它们的退行速度远超光速。 这种膨胀是空间本身的运动,不涉及星系的实际移动,也不传递任何信息,所以完全不违背相对论。 第二种:量子纠缠的速度 量子纠缠被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”。当两个微观粒子处于纠缠状态时,它们就会形成一个整体。无论相距多远,哪怕一个在地球,一个在银河系的另一端,它们的状态都会瞬间关联。 举个例子:我们把一对纠缠的光子,一个留在地球,另一个送到距离地球4.2光年的比邻星。如果我们测量地球这边的光子,发现它的自旋方向是“上”,那么比邻星那边的那个光子,会瞬间变成“下”自旋。这个过程不需要任何时间,速度是无限快的,远超光速。 科学家做过专门实验,让两个纠缠的光子相距1200公里,测量它们的状态关联速度。结果发现,这个速度至少是光速的10000倍。 但为什么这也不违背相对论?核心原因是:量子纠缠无法传递
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1. 数学上没被证明,但物理上很好用 这些公式/方程实验超级准,但数学上还没严格证明。 (1)杨-米尔斯存在性与质量间隙 - 标准模型的根基就是杨-米尔斯理论(描述强力、弱力) - 实验无比成功 - 但数学上: - 还没证明杨-米尔斯方程在数学上是“良定义”的 - 没证明为什么粒子会有质量(质量间隙问题) - 这是七大千禧年数学难题之一,悬赏 100 万美元 (2)纳维-斯托克斯方程(流体力学) - 描述水流、空气、天气 - 工程、航天、气象天天用 - 但数学上: 不知道解是否永远光滑、会不会突然爆掉 - 也是千禧年大奖难题   2. 理论很美,但实验没验证 这些公式存在,但人类目前的加速器、望远镜还测不到。 (1)弦论相关公式 - 有一大堆极其复杂的方程 - 数学自洽、极美 - 但完全没有实验证据 - 甚至有人怀疑:永远无法实验验证 (2)大统一理论(GUT)公式 - 试图把电磁力、弱力、强力统一 - 有很多候选方程 - 但需要极高能量才能验证,远超现有加速器 (3)量子引力公式 比如: - 圈量子引力方程 - 弦论的低能有效作用量 - 各种量子引力修正公式 目前没有任何一个被实验证实。   3. 猜想级公式:只存在于推理中 连完整方程都还没写出来,更别说证明。 - 量子力学 + 引力的统一公式(万物理论) - 暗物质、暗能量的真正场方程 - 宇宙初始条件的公式 - 黑洞信息悖论的完整解公式 这些目前都只有方向,没有确定公式,更别说证明。   4. 甚至有些“看起来对”的公式,可能根本不对 比如: - 宇宙学常数公式 - 暴胀场的势能形式 - 量子纠缠在引力下的行为公式 都只是模型,不是被证明的真理。   一句话总结 现代物理学: - 能用的公式,很多数学上没证明 - 漂亮的公式,很多实验上没验证 - 终极公式,还没写出来 物理学远远没到头,反而越研究,未知越多#物理
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