时空的秘密 - (EPUB全文下载)

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版权信息
书名:时空的秘密
作者:[荷]霍弗特·席林
译者:胡奂晨
ISBN:9787508690629
中信出版集团制作发行
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序言
爱因斯坦在科学的殿堂中地位独特，且当之无愧。他对时间和空间的洞见彻底改变了我们对引力和宇宙的理解。每个人都能认出海报和T恤上那位和善而又蓬头垢面的智者。不过，爱因斯坦最出色的工作是在他年轻的时候完成的。年仅30岁时，他便享有国际声誉。1919年5月29日，发生了一场日食。由天文学家阿瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）带领的团队观测了日食期间太阳附近的恒星。观测数据表明，这些恒星偏离了它们原有的位置，其发出的光线在太阳引力场的作用下发生弯曲。这验证了爱因斯坦的重要预言。当该结果被汇报给伦敦的英国皇家学会时，全世界的媒体都对这一新闻进行了报道。“天空中所有的光都是弯曲的，爱因斯坦理论取得巨大成功”成为《纽约时报》最醒目的头条。
爱因斯坦于1915年提出的广义相对论，是纯粹理性思考和深彻领悟的结果。其影响对地球上的我们来说是很微小的。现代导航系统中对时钟的轻微调节会用到爱因斯坦的理论，而对于发射和追踪空间探测器来说，牛顿的理论就够用了。
相比之下，爱因斯坦将空间和时间联结起来的想法——“空间告诉物质如何运动，物质告诉空间如何弯曲”——对很多宇宙学现象都至关重要。但我们很难检验这个理论，它的影响距离我们太遥远了。因此，在提出后将近半个世纪的时间里，广义相对论一直被主流物理学拒之门外。不过，20世纪60年代以来，有关开创宇宙膨胀学说的“大爆炸理论”以及黑洞的证据越来越多，而这二者都是爱因斯坦的关键性预言。
2016年2月，在著名的英国皇家学会会议对这次日食考察的报道约100年后，另一份声明进一步证实了爱因斯坦的理论，这一次是在美国华盛顿特区的新闻俱乐部。LIGO（激光干涉引力波天文台，Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）探测到引力波的存在，这正是霍弗特·席林这本书的主题。他有一个绝妙的故事要讲，其跨度超越一个世纪。
爱因斯坦大胆地设想引力源自空间的弯曲。当受到引力作用的物体改变自己的形状时，它们在空间中激起了阵阵涟漪。当这些涟漪经过地球时，我们的局部空间随之发生“抖动”：被拉伸和挤压。但是这种效应非常微弱，因为引力是一个弱作用力。日常物品间的引力拉伸程度极其微小。如果你挥动两个哑铃，你也会发射出引力波，但仅具有无穷小的能量。即使是行星围绕恒星的运动，或者是一对恒星的相互绕转，它们所发射出的引力波都达不到可探测水平。
天文学家认为，LIGO可以探测到的源一定比普通恒星和行星具有更强大的引力。最好的选择就是涉及黑洞的事件。我们知道黑洞的存在已经将近50年了，大部分黑洞都是比太阳重20倍以上的恒星的残骸。这些恒星明亮地燃烧，在它们爆炸的死亡剧痛中（这是由超新星发出的信号），它们的内部坍缩成一个黑洞。组成这颗恒星的物质与宇宙的其他部分隔绝，在空间中留下一个引力的印记。
两个黑洞在形成一个双黑洞系统的过程中，它们将会逐渐地旋进在一起。随着它们不断地靠近，周围的空间越发扭曲，直到它们合并成一个自旋的黑洞。这个黑洞搅动着空间并发出“鸣叫”，产生更多的波动，直至平静下来成为一个孤独的、静止的黑洞。正是这声“啁啾”——空间摆动加速和增强直到黑洞合并，然后渐渐消失——能够被LIGO探测到。这些“灾难”在我们星系中发生的概率小于每百万年一次，但却能够产生可被LIGO探测到的信号，即使它发生在距地球10亿光年那么远的地方——数百万个星系都比它要近。要探测到最佳信号事件需要灵敏度极高当然也极为昂贵的仪器。在LIGO探测器中，强激光束沿着4公里长的真空管前行，再被管道末端的镜子反射回来。通过分析激光束，我们便有可能测量出镜子间距离的改变，它随着空间的膨胀和收缩而交替地增长和缩短。这个振动的振幅非常之小，约为0.000 000 000 000 1厘米——是一个单原子尺寸的几百万分之一。LIGO项目有两台大约相距3 000公里远的相似的探测器，一台在华盛顿州，另一台在路易斯安那州。单台探测器会记录下微地震事件、驶过的车辆等。为了排除这些假信号，实验人员仅关注同时出现在两台探测器中的信号事件。
许多年来，LIGO没有探测到任何东西。但是科学家们对它进行了改进，并使之于2015年9月再次上线。历经几十年的挫败，这一探索成功了：它探测到了来自10亿光年外的双黑洞合并所发出的那声“啁啾”，这开启了一个全新的科学领域——探测空间自身的动力学。
遗憾的是，令人兴奋的科学主张被误解和夸大是众所周知的，而这本书将讲述这一领域中的这些主张。我自认为是一个很难被说服的怀疑论者，然而LIGO项目团队所宣布的内容——高水准科学家和工程师们数十年努力的成果——是极有说服力的，我期望这一次的理论能够完全令人信服。
这次探测的的确确是一项重大突破，它和2012年引起巨大轰动的希格斯粒子的发现一样，是这个年代最伟大的发现之一。希格斯粒子是粒子物理标准模型的拱顶石，发展了数十年。同样，引力波——空间结构的轻微振动——是爱因斯坦广义相对论的至关重要且独特的结果之一。
彼得·希格斯（Peter Higgs）在55年前预言了希格斯粒子的存在，但是对该粒子的探测及性能的确认必须等待技术的进步。这需要一台巨大的机器——位于日内瓦的大型强子对撞机（Large Hadron Collider，简称LHC）。引力波被预言得甚至更早，但对它的探测却一再推迟，因为这项探索需要检测的效应非常难以捉摸，同样需要规模巨大且精度超高的仪器。
除提供了对爱因斯坦理论的全新的辩护外，这些探测结果也加深了我们对恒星和星系的理解。黑洞和大质量恒星方面的天文学证据是有限的，以至于我们很难预测有多少事件处在可探测范围之内。悲观主义者认为，这些事件太过罕见，以至于改进过的新LIGO探测器在至少一两年之内也探测不到什么。但是实验者们遇到了运气极佳的“开门红”，他们看上去发现了一种新型的天文学，它 ............

书籍插图：

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