20世紀(jì)，是一個(gè)百家爭(zhēng)鳴、百花齊放的大爭(zhēng)之世。不僅是世界格局發(fā)生了千年未有之大變局，學(xué)術(shù)界的格局也是天翻地覆，后起之秀如過江之鯽，各種各樣的學(xué)說理論交相輝映。熱力學(xué)第二定律、麥克斯韋方程、普朗克常數(shù)、光電子效應(yīng)等等影響物理世界進(jìn)程的理論假說層出不窮，天才井噴式的爆發(fā)。
Tips：物理學(xué)physics，研究大至宇宙，小至基本粒子等一切物質(zhì)最基本的運(yùn)動(dòng)形式和規(guī)律，因此成為其他各自然科學(xué)學(xué)科的研究基礎(chǔ)。
其中最引人矚目的還是阿爾伯特·愛因斯坦，他是20世紀(jì)物理學(xué)家中的明星，是當(dāng)代最負(fù)盛名、最具影響力的物理學(xué)家。1905年他先后發(fā)表了《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》等5篇?jiǎng)潟r(shí)代論文，從此一鳴驚人，這一年也被“愛因斯坦奇跡年”。
愛因斯坦開創(chuàng)了極具開創(chuàng)性和極具前瞻性的相對(duì)論學(xué)說，將物理學(xué)從慣性系（由勻速運(yùn)動(dòng)的物體組成的系統(tǒng)）引申到日常生活的非慣性系系統(tǒng)（相對(duì)慣性系做加速運(yùn)動(dòng)的物體），顛覆了前人的理論。對(duì)物理學(xué)愛因斯坦始終抱以極大的熱誠(chéng)，他曾說過：“科學(xué)是永無止境的，它是一個(gè)永恒之謎。”
Tips：愛因斯坦開創(chuàng)了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)新紀(jì)元，被公認(rèn)為是繼伽利略、牛頓之后最偉大的物理學(xué)家，也是批判學(xué)派科學(xué)哲學(xué)思想之集大成者和發(fā)揚(yáng)光大者。
2017年，由愛因斯坦預(yù)測(cè)的引力波被證實(shí)，3位發(fā)現(xiàn)引力波的美國(guó)科學(xué)家被授予物理學(xué)界的最高榮譽(yù)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這是相對(duì)論遲來102年的獎(jiǎng)?wù)拢侵Z獎(jiǎng)對(duì)愛因斯坦的致敬。
愛因斯坦的預(yù)言
愛因斯坦出生于德國(guó)烏爾姆市一個(gè)猶太人家庭，少年時(shí)期沉迷數(shù)學(xué)與哲學(xué)，最愛看康德的著作，是一個(gè)不折不扣的文藝青年。大學(xué)時(shí)期，在瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院學(xué)習(xí)時(shí)，愛因斯坦開始思考光速的學(xué)說，并對(duì)牛頓經(jīng)典力學(xué)體系下存在的矛盾感到困惑。
Tips：瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院坐落于瑞士聯(lián)邦洛桑，最初可以追溯到1853年建立的私立學(xué)校，后正式成立于1969年。
1905年，愛因斯坦這位注定登上現(xiàn)代物力學(xué)頂端的科學(xué)家，展現(xiàn)了他獨(dú)特的、天才般的學(xué)術(shù)思想和能力。這一年，他連續(xù)發(fā)表了5篇?jiǎng)潟r(shí)代的論文，其中兩篇論文擁有極高的知名度。一篇提出了光量子假說，解決了光電效應(yīng)問題；一篇開創(chuàng)性地提出了狹義相對(duì)論，拉開了物理學(xué)新紀(jì)元的大幕。但是當(dāng)時(shí)的人們對(duì)此并不感興趣，愛因斯坦仍舊當(dāng)著伯爾尼專業(yè)局的小職員。
Tips：光電效應(yīng)是物理學(xué)中一個(gè)重要而神奇的現(xiàn)象。在高于某特定頻率的電磁波照射下，某些物質(zhì)內(nèi)部的電子吸收能量后逸出而形成電流，即光生電。
直到德國(guó)科學(xué)巨匠、量子學(xué)說的創(chuàng)始人馬克思·普朗克發(fā)現(xiàn)了愛因斯坦的論文，他認(rèn)為愛因斯坦是匹千里馬，他的學(xué)說會(huì)開創(chuàng)出一個(gè)新的世代。在普朗克這位伯樂不遺余力地推動(dòng)和宣傳下，愛因斯坦在學(xué)界中有了一席之地。普朗克私下還多次邀請(qǐng)愛因斯坦回到德國(guó)定居，并擔(dān)任柏林洪堡大學(xué)的教授。
1913年，愛因斯坦應(yīng)邀回到德國(guó)擔(dān)任柏林洪堡大學(xué)教授，并擔(dān)任新成立的威廉皇帝物理研究所所長(zhǎng)。愛因斯坦在柏林度過了人生中最難忘的19年歲月，在這里發(fā)表了現(xiàn)代物理學(xué)的鴻篇巨著《廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)》，完美的總結(jié)了廣義相對(duì)論的所有問題，整個(gè)物理學(xué)界因此喧囂不止。
Tips：量子力學(xué)為物理學(xué)理論，是研究物質(zhì)世界微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物理學(xué)分支，主要研究原子、分子、凝聚態(tài)物質(zhì)，以及原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的基礎(chǔ)理論。
1905年愛因斯坦首次提出相對(duì)論的概念，由于當(dāng)時(shí)的理論只能解釋慣性系統(tǒng)下的物體運(yùn)動(dòng)，所以被命名為《狹義相對(duì)論》。狹義相對(duì)論闡述了相對(duì)性原理，并提出了光速不變的假設(shè)和著名的質(zhì)能方程E=mc ^2（原子物理的依據(jù)）。但因其范圍的局限性，所以愛因斯坦并不滿意這一個(gè)“孩子”，于是對(duì)它進(jìn)行了修剪和增補(bǔ)，終于在10年后新生的、完美的相對(duì)論體系誕生了。
廣義相對(duì)論不僅將理論范圍拓展到非慣性系還完美的解釋了引力的本質(zhì)。此外，愛因斯坦還預(yù)言了引力波的存在，并在1918年寫了一份名為《論引力波》的論文。
Tips：原子物理學(xué)是研究原子的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律及相互作用的物理學(xué)分支。它主要研究：原子的電子結(jié)構(gòu)；原子光譜；原子之間或與其他物質(zhì)的碰撞過程和相互作用。
廣義相對(duì)論的橫空出世，顛覆了牛頓經(jīng)典力學(xué)體系，打破了牛頓的絕對(duì)空間、絕對(duì)時(shí)間的定義。這個(gè)理論就像是黑夜中的閃電驚醒了無數(shù)的物理學(xué)家，但是由于廣義相對(duì)論引入了許多全新的概念，大部分的科學(xué)家難以理解。而且相比于這個(gè)新生的、孤單的理論，牛頓力學(xué)顯然更為根深樹大枝繁葉茂。1919年，恰逢有日全食星象發(fā)生，愛因斯坦就說如果能夠在日全食中看到被太陽遮擋的天體就證明廣義相對(duì)論是對(duì)的，反之就是錯(cuò)誤的。
因?yàn)樘栠@個(gè)巨大的天體彎曲了周圍的空間，使被遮擋天體的光線拐了個(gè)彎，而不是做直線運(yùn)動(dòng)。于是全世界的天文學(xué)家都行動(dòng)了起來，終于有兩支觀測(cè)隊(duì)觀測(cè)到了愛因斯坦所說的光線，證實(shí)了廣義相對(duì)論的引力透鏡效應(yīng)。這也證明牛頓的經(jīng)典力學(xué)體系存在錯(cuò)誤，當(dāng)時(shí)英國(guó)的泰晤士報(bào)頭條上就寫著“牛頓錯(cuò)了！”。
Tips：牛頓第一定律一般指牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律，又稱慣性定律。常見的完整表述：任何物體都要保持勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到外力迫使它改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為止。
不僅如此，愛因斯坦還利用相對(duì)論證明了水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)，廣義相對(duì)論的正確性的由此得到了廣泛認(rèn)同。但是廣義相對(duì)論中還有一個(gè)重要的預(yù)言遲遲未能證實(shí)，它就是引力波，引力波不能證實(shí)就代表著廣義相對(duì)論的地基并不穩(wěn)固，因此愛因斯坦終生未能以相對(duì)論獲獎(jiǎng)，而是因?yàn)楣怆娦?yīng)而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
遲來的102年的致敬
在廣義相對(duì)論中，引力被認(rèn)為是一種時(shí)空彎曲的效應(yīng)，是由于天體的巨大質(zhì)量引起。自從廣義相對(duì)論被廣泛認(rèn)可，大眾就開始尋找廣義相對(duì)論的最后一塊“磚”引力波。由于引力波十分微小，就像是一塊石頭投進(jìn)平靜的水中產(chǎn)生的點(diǎn)點(diǎn)漣漪，因此也被稱為“時(shí)空中的漣漪”。引力波不像是機(jī)械波傳播需要介質(zhì)，只是物質(zhì)和能量劇烈變化和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的物質(zhì)波，所以就算有引力波產(chǎn)生人們也很難發(fā)現(xiàn)。
Tips：物質(zhì)波又叫德布羅意波，即函數(shù)為概率波，它的模方指空間中某點(diǎn)某時(shí)刻可能出現(xiàn)的幾率密度，其中概率密度的大小受波動(dòng)規(guī)律的支配。
直到2015年美國(guó)ＬＩＧＯ項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)黑洞合并產(chǎn)生的引力波，這段引力波信號(hào)在儀器中引起的變化比原子核的變化小了1萬倍，如此微弱的信號(hào)無怪乎直到100年后才有人觀測(cè)到。那如此微小的波科學(xué)家們是如何探測(cè)到的呢？
其實(shí)對(duì)引力波的探測(cè)早在上世紀(jì)50年代就開始了，當(dāng)時(shí)的科學(xué)家韋伯率先進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)。韋伯自制了一根2米長(zhǎng)的共振棒探測(cè)器來探測(cè)引力波的存在，但是由于探測(cè)棒太短導(dǎo)致試驗(yàn)失敗，但是韋伯的試驗(yàn)卻開啟了尋找引力波的盲盒，科學(xué)家們前赴后繼的投身到這項(xiàng)事業(yè)當(dāng)時(shí)中。在韋伯之后人們意識(shí)到共振棒探測(cè)器的缺點(diǎn)，另外設(shè)計(jì)了一套方案，就是激光干涉儀探測(cè)方案。
Tips：探測(cè)器detector，是觀察 、記錄粒子的裝置 ，核物理和粒子物理實(shí)驗(yàn)研究中不可缺少的設(shè)備。
相比共振棒探測(cè)器，激光干涉儀的探測(cè)信號(hào)不再局限于對(duì)應(yīng)的引力波信號(hào)，探測(cè)范圍擴(kuò)大了很多。另一個(gè)則是，激光干涉儀的臂長(zhǎng)可以做得很長(zhǎng)，更易探測(cè)到引力波。
2015年探測(cè)到引力波的項(xiàng)目，用的就是激光干涉儀裝置。他們兩個(gè)把激光干涉儀裝置，分別安裝在相距3000公里的美國(guó)路易斯安那州利文斯頓市與華盛頓州小城漢福德市。這兩個(gè)裝置都裝有長(zhǎng)度達(dá)到4公里的L型長(zhǎng)臂，看起來像是螃蟹長(zhǎng)長(zhǎng)的蟹腿，機(jī)械感十足。這些“蟹腿”是為了放大引力波的變化，易于觀測(cè)而專門設(shè)計(jì)的。因?yàn)楫?dāng)引力波從幾十或幾百光年遠(yuǎn)的宇宙?zhèn)鞯降厍驎r(shí)，在實(shí)驗(yàn)裝置中所引起的變化就相當(dāng)于原子核變化的十萬分之一。如此微小的變化，也只有用最精密先進(jìn)的儀器才能觀察到。
Tips：激光干涉儀可配合各種折射鏡、反射鏡等來作線性位置、速度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度等測(cè)量工作，并可作為精密工具機(jī)或測(cè)量?jī)x器的校正工作。
2015年9月，LIGO項(xiàng)目觀測(cè)到了來自于13億年前一個(gè)雙黑系統(tǒng)合并產(chǎn)生的引力波信號(hào)，隨后在2015年12月又一次觀測(cè)到引力波信號(hào)。
2017年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了這3位主導(dǎo)觀測(cè)項(xiàng)目的科學(xué)家，時(shí)隔102年愛因斯坦的預(yù)言終于實(shí)現(xiàn)。諾獎(jiǎng)的授予不僅是對(duì)3位科學(xué)家辛苦工作的肯定，更是向現(xiàn)代物理學(xué)的奠基者愛因斯坦授予遲來的獎(jiǎng)?wù)隆?/span>
引力波有什么作用
人們經(jīng)過1個(gè)世紀(jì)的追尋，才找到了引力波，那么引力波有什么作用呢？首先，引力波的存在補(bǔ)全了愛因斯坦的廣義相對(duì)論，證實(shí)了他的推測(cè)，是本世紀(jì)物理的又一大突破。
Tips：引力波是空彎曲中的漣漪，通過波的形式從輻射源向外傳播，這種波以引力輻射的形式傳輸能量。換句話說，引力波是物質(zhì)和能量的劇烈運(yùn)動(dòng)和變化所產(chǎn)生的一種物質(zhì)波。
第二，引力波證明了黑洞的存在。根據(jù)2015年的觀測(cè)甚至可以推斷出兩個(gè)黑洞合并前的質(zhì)量分別相當(dāng)于36個(gè)太陽質(zhì)量和29個(gè)太陽質(zhì)量，而合并后形成的黑洞的總質(zhì)量約等于62個(gè)太陽質(zhì)量。其次因?yàn)橐Σㄅc聲波類似，都有波峰和波谷，可以將引力波轉(zhuǎn)換成聲波播放出來。通過引力波來探測(cè)宇宙中發(fā)生的諸如和黑洞合并的大事件。
第三，由于引力波不同于電磁波，引力波不需要任何的介質(zhì)來傳播，也不會(huì)產(chǎn)生任何的電磁輻射，所以引力波所攜帶的信息都是最原始的沒有被破過的第一手資料，對(duì)研究宇宙的起源很有意義。
Tips：黑洞，黑洞的引力極其強(qiáng)大，使得視界內(nèi)的逃逸速度大于光速。故而，黑洞是時(shí)空曲率大到光都無法從其事件視界逃脫的天體。
再次，因?yàn)槟軌虿皇茏钃醯卮┻^任何行進(jìn)中的天體，以前電磁波不敢去的地方它都敢去，所以這些微小的波能夠提供宇宙中類似黑洞、蟲洞、超新星爆炸之類的天體信息，而這些信息都是傳統(tǒng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的。引力波能夠讓我們從另一個(gè)角度來了解宇宙中的大小事。
而且引力波的發(fā)現(xiàn)，將打開物理學(xué)界和天文學(xué)界對(duì)宇宙觀測(cè)的大門，人類不必通過飛上太空在地面就可以接收到來自宇宙的親切“問候”。而且由于引力波不受阻礙可以通行全宇宙的特殊功能，宇宙通信功能也不再是空中樓閣，科幻小說中的設(shè)想也許在未來的某一天能夠?qū)崿F(xiàn)。
Tips：電磁波是以波動(dòng)的形式傳播的電磁場(chǎng)，具有波粒二象性，其粒子形態(tài)稱為光子，電磁波與光子不是非黑即白的關(guān)系，而是根據(jù)實(shí)際研究的不同，其性質(zhì)所體現(xiàn)出的兩個(gè)側(cè)面。
目前，全世界的引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)室都如雨后春筍般成長(zhǎng)起來。意大利臂長(zhǎng)為3000米的VIRGO，德國(guó)臂長(zhǎng)為600米的GEO，日本東京國(guó)家天文臺(tái)臂長(zhǎng)為300米的TAMA300。
Tips：宇宙飛船可分為一次性使用與可重復(fù)使用兩種類型。用運(yùn)載火箭把飛船送入地球衛(wèi)星軌道運(yùn)行，然后再入大氣層。
我國(guó)也有3個(gè)引力波觀測(cè)項(xiàng)目，分別是中科院領(lǐng)導(dǎo)的太極計(jì)劃和 “阿里實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”，以及中山大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的“天琴計(jì)劃”。雖然目前這些計(jì)劃都在初研中，但是相信過不了多久中國(guó)人的名字就會(huì)出現(xiàn)在國(guó)際上。
結(jié)語：
相隔百年之后愛因斯坦的學(xué)說終于獲得了屬于自己的榮譽(yù)，物理學(xué)的最高榮譽(yù)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給證實(shí)了引力波存在的科學(xué)家，頒發(fā)給了廣義相對(duì)論，這不僅僅是對(duì)這3位科學(xué)家的褒獎(jiǎng)更是對(duì)愛因斯坦的致敬。
Tips：蟲洞是1916年由奧地利物理學(xué)家路德維?！じトR姆首次提出的概念，1930年由愛因斯坦及納森·羅森在研究引力場(chǎng)方程時(shí)假設(shè)的，認(rèn)為透過蟲洞可以做瞬時(shí)的空間轉(zhuǎn)移或者做時(shí)間旅行。
現(xiàn)在科學(xué)家正在緊鑼密鼓的研究愛因斯坦的下一個(gè)預(yù)言“蟲洞“，在科幻小說中它常被認(rèn)為是時(shí)空穿梭的通道，是聯(lián)系兩個(gè)世界的節(jié)點(diǎn)，是穿越的首選。如果證實(shí)了它那么在未來星際穿越就不再是電影中狂想。
科學(xué)的探索是永無止境的，人類應(yīng)當(dāng)懷抱著萬分的渴求之心去追逐新的技術(shù)、新的理論、新的概念，才能登上高峰看見層林盡染的風(fēng)景。
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