文档介绍：《三体》中的物理学————————————————————————————————作者:————————————————————————————————日期: 《三体》中的物理学大家好,我叫李淼,来自于广州的中山大学,在广州中山大学天文与空间科学研究院做院长,以后会到珠海成立物理天文学院。今天跟大家聊聊我的一本书,叫《三体中的物理学》。介绍刘慈欣《三体》三部曲科幻中所涉及的物理学中的一些问题。今天跟大家聊三个问题,第一个问题就是前段时间美国人发现的引力波。这个引力波是怎么回事,在三体小说中也涉及到了。第二个问题我们讲讲大刘的地球往事第一部《三体》,三体的来历,三体星人受到的不规则的运动到底是真的还是假的?第三部分我们谈谈三维人进入四维空间的碎片会发生什么?第一个问题就是引力波。美国LIGO在2月11号公布他们发现引力波的结果,所以我先想讲第18章,引力波天线这一章节。引力波天线的好处是什么呢?是它可以发射的更远,你如果定向发射的话,是没有任何东西可以阻挡它的,因为它是一个时间和空间的波动,它和我们平常看到的波动不一样。平常看到的波动,水波是水在晃动。比如说你在河里面扔一个石子,就产生了一个波动,这是水波。光波稍微抽象一点,它并不是一个介质的波动,而是一个纯粹的由电磁现象引起的波动。最早发现光波的人是英国一个伟大的物理学家,叫麦克斯韦。麦克斯韦发现了电磁学的一组完整的方程,他发现这个方程里面有波动解,就像水波一样。而且这个波动解的速度,他认为和光速是一样的,于是他就预言,光其实也是一种电磁波。电磁波是如何产生的呢?它有很多种,其中有一种是赫兹为了验证麦克斯韦的预言,用电火花产生了射电波段。电火花产生波动之后,在另外一边,就可以被检测到,也产生电火花了,所以赫兹是第一个验证了电磁波存在的人。大家都知道现在电磁波的应用非常广泛,比如说电视、广播、手机信号,都是射电波段。麦克斯韦发现电磁波远远不只这个,因为他还预言光也是一种电磁波。那物理学家就可以通过电磁波来探测很多东西,比如说我们可以探测很远之外的天体,他们会发射出射电。我们通过光学望远镜,可以看到月球上的环形山,土星环,诸如此类的。而且现在光学望远镜可以做到很大,口径非常大,已经超过十米了,我们可以看到非常非常遥远的天体。话扯了这么长,我们回来谈谈引力波。引力波和光波一样,爱因斯坦发明了万有引力这个方程组,他就像麦克斯韦对电磁现象一样,他发现了完整的一个方程组,他也发现在他的方程组里也存在着波,这个波当然就不是电磁波了,也不是水波,也不是声波,这就是所谓的引力波。引力波是怎么产生的呢?有点像电磁波依赖于电荷的变动,引力波的产生是依赖于质量的变动、能量的变动。我们都知道世界上万事万物都有质量都有能量,比如一个人的身体体重大概70公斤左右,重一点的话是80公斤90公斤,轻一点的话50公斤60公斤,这都是质量,地球也有质量,太阳也有质量,所有这些天体都有质量。有了质量就会产生万有引力,这是牛顿最早发现的。到了爱因斯坦的时代,它认为其实万有引力不像牛顿说的那样是一种力,而是种时空弯曲的现象,就相当于给你一个球体,你把它想办法变成一个桔子皮,桔子皮上面是弯的,高低不平的,其实由于宇宙里面充满了各式各样的能量和天体,天体有质量,这些各式各样的质量和能量使得时间和空间都是弯曲的,特别是空间是弯曲了,就像桔子皮一样。当然桔子皮表面上看来是两维的,我们的空间是三维的。整个爱因斯坦理论是说,如果有了能量和质量,那么时间和空间就会变弯。对于时空变弯,有静态的变弯,比如说一个太阳,地球绕着太阳转,这是一个静态的,太阳产生的引力场是通过时间和空间的一个静态的弯曲,所谓的静态是不随时间变化。地球在太阳产生的弯曲时空里面就绕着太阳转,就是所谓的最短程线。这就像我们出门吃饭,比如说我们家附近有一个餐馆,你不可能是弯弯曲曲的走过去,除非你喝醉了,你肯定是直着走过去,这叫最短程线。同样一个球体上也有最短程线,球体上的最短程线就是一个大圆,不可能在球面上走一个直线,因为球本来是弯的,你只能绕着一个大圆走。所以当空间变的更弯的时候,可能你走的线就不是我们通常想象的一条直线。他的短程线是弯的,就像地球绕着太阳转一样,是弯的。这是一个静态的时空。但是引力波是怎么回事呢?引力波是说这个时空弯曲还会随着时间变化。就像水里面的波动一样,一个静态的水你可以看成是一个平面,当然你也可以放一个闸,左边水面高一点,右边水面低一点,这也是一个静态的,但是他不是一个完整的平面。但水波不一样,水波的波谷和波峰不时的在变化,才是波。同样时间和空间的弯曲也会是这样。如果他也随着时间变化,这就是引力波,这就是爱因斯坦大约在一百年前就预言了。正好去年9月份,叫LIGO,极光干涉引力波天文台。他们花了二十多年的时间,终于检测到弯曲时空会随着时间变化的波