04 长度的测量
接下来我们来讲一下物理量的测量,包括长度的测量和时间的测量。
首先介绍一下长度的测量。测量长度的工具包括米尺、游标卡尺、千分尺、光学显微镜、电子显微镜以及电磁波等。这个米尺是我们最常见的测量长度的工具,它的分度值就是1毫米。为了提高长度的测量精度,后来人们发明了游标卡尺。为了观测更加微观的物体,后来人们又发明了光学显微镜,从而可以观测到微观的物体,比如细胞。
光学显微镜
光学显微镜的空间分辨率受限于光学衍射极限,一般在几百个纳米量级,想要进一步提高显微镜的空间分辨率的话就需要进一步降低波长。后来人们就有了用电子来做电子显微镜的想法。法国的物理学家德布罗意认为不仅光具有波粒二象性,同时所有的实物粒子也都具有波粒二象性,他把这个波称为物质波也叫德布罗意波,他还给出了物质波的波长:λ=h/p,这个h是普朗克常数,p是粒子的动量,从这个公式也可以看出,粒子的动量越大的话,它的物质波的波长就越小。所以人们就有了一个想法,可以利用高压将电子加速到非常高的速度,那么它的动量就非常大,它对应的物质波的波长就非常小,所以就可以利用高速电子去进行成像做成了电子显微镜。
电子显微镜
目前电子显微镜的空间分辨率已经达到了纳米量级。我们知道现在在我们国家,甚至在全球都在爆发的新冠肺炎,它的罪魁祸首就是这个病毒。人们用电子显微镜看到了这个病毒,它就是一个个大小大约为几十个纳米到100个纳米左右的病毒,它的表面还有一些鸡冠状的刺突,这就是一种冠状病毒。
SARS-CoV-2病毒
那么对于这种空间尺度的长度,我们怎么进行测量呢?由于电磁波传播的速度非常快,因此我们可以采用电磁波测量较远的距离。比如说我们目前所用的全球定位系统GPS,就是通过卫星对地面进行定位,它可以在卫星上向地面一点发出一个电磁波,然后测量电磁波到达目的地所用的时间,根据光速和时间就可以得到距离。这里面的时间就是由卫星上所搭载的原子钟来进行测量,一般如果我们有三颗卫星就可以将地面上一点的x, y, z坐标进行定位。但实际上为了计算,不同卫星之间的时钟之间的时间差往往还需要第四颗星,所以一般需要独立的四颗星对地球进行定位。因为地面上有些点是在卫星相对的地面的背面不能被照到,所以实际上是需要更多的星来实现对地面上的全方位无死角的定位。实际上全球定位系统包含24颗卫星,目前我们国家也正在搭建自己的全球导航系统,也就是北斗导航系统。截止到2020年,我们已经发射了50多颗星,包括实际有效的卫星和备份星,目前已经开始了对大众的这种授时和定位的服务。北斗上面所搭载的原子钟就是我国自主研制的原子钟。现在定位系统用的电磁波是微波,除了微波之外,还可以利用激光,由于激光非常好的干涉性,可以做成非常灵敏的激光干涉仪,比如说迈克尔逊干涉仪,一个非常著名的例子就是美国的LIGO,也就是Laser Iinterferometer Gravitational Wave Observatory,激光干涉仪引力波观测站。
LIGO
美国的LIGO系统有两个,一个位于美国路易斯安那州利文斯顿 (Livingston),另一个在美国华盛顿州汉福德区 (Hanford)。那么这个LIGO是干什么的呢?它是为了探测引力波,这个引力波是什么呢?引力波是100多年前由爱因斯坦的广义相对论所预言的,爱因斯坦的广义相对论说这个引力会造成时空的弯曲,天体做加速运动的时候,它的引力场会发生变化,它周围的时空弯曲会以波的形式向外传输,这个波就把它叫做引力波,这个引力波是携带能量的,它向外传输的速度是光速。那么引力波是怎么探测的呢?它就是用到这样一个激光干涉仪,当引力波到达地球的时候,会造成干涉仪的一个臂变长另一个臂变短,因而会造成干涉信号的变化,从而产生改变干涉条纹,实现引力波的探测。
激光干涉仪实际上就是一个迈克尔逊干涉仪,它从光源发出一束激光,经过分束到达两个干涉臂,再反射回来进行合束,产生干涉信号。人们理论上发现引力波的信号与干涉臂的长度成正比,因此人们将LIGO的长度做到了4公里长,并优化系统中的各种噪声,从而达到了极高的灵敏度,最终成功地的探测到了引力波信号。LIGO首次探测到引力波是2015年9月14日,这个结果于2016年2月发表在物理评论快报 (Physical Review Letters)上面,他们推测观测到的引力波信号来自两个黑洞的融合过程,他们还制作了一个非常生动的动画,演示了两个黑洞的融合过程,可以看到这两个黑洞首先是绕着彼此旋转,然后旋转的速度越来越快,最终两个小的黑洞融合成一个大的黑洞。
黑洞
两个黑洞融合以后,它的总质量比之前两个黑洞的总质量减少了一些,减少的质量所携带的能量就是以引力波的形式扩散了出去,然后引力波造成的时空弯曲信号到达LIGO,被LIGO成功地探测到。这个结果一经报道就引起了世界极大的关注,这是一个非常庞大的工程,它不管是在科学上还是技术上都具有非常大的挑战,是科学家们和工程师们共同努力的结果,它包含了成百上千人共同的心血。LIGO达到的引力波的探测极限是非常的惊人的,当时探测到的引力波信号引起的时空弯曲度其实只有10-21,也就是说在4公里的尺度上它发生的位移量只有10-18米,10-18米有多小呢?我们知道一个原子的大小大约是10-10米,一个质子的大小大约是10-15米,也就是说探测到的信号比一个质子的大小还要小三个量级以上,科学技术的进步真是让我们惊叹不已。
此外引力波的探测手段也为我们探索宇宙的奥秘,提供了一个全新的观测手段,从而为宇宙学的探索开辟了一个新的篇章。很快这三位物理学家就因为他们在引力波探测方面的贡献,获得了2017年的诺贝尔物理学奖,后来于2017年美国的两个LIGO和欧洲的Virgo又同时探测到了两个中子星融合所产生的引力波信号,再后来有更多的地面引力波观测站加入到了引力波探测的计划当中,包括日本的KAGRA项目和印度的正在搭建中的LIGO India项目。另外一些国家也开始开展太空引力波探测计划,包括欧洲的LISA,也就是 Laser Iinterferometer Sspace Aantenna,以及我们国家的太极计划和天琴计划。
太空引力波探测的原理与地面引力波探测相似,也是利用激光干涉仪,通过向太空发射三颗卫星然后在卫星上发射激光,从而利用激光来进行测距,卫星之间的距离可以高达几百万公里,由此也可以想象,这个工程将是一个非常庞大的工程,它将会需要很多的科学家与工程师共同努力来一起完成这个事儿。