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。
发表于 2020-4-29 11:25
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