马克斯·普朗克出生在一个受到良好教育的传统家庭,他的曾祖父戈特利布·雅各布·普朗克(Gottlieb Jakob Planck,1751年-1833年)和祖父海因里希·路德维希·普朗克(Heinrich Ludwig Planck,1785年-1831年)都是哥廷根的神学教授,他的父亲威廉·约翰·尤利乌斯·普朗克(Wilhelm Johann Julius Planck,1817年-1900年)是基尔和慕尼黑的法学教授,他的叔叔戈特利布·普朗克(Gottlieb Planck,1824年-1907年)也是哥廷根的法学家和德国民法典的重要创立者之一。
普朗克十分具有音乐天赋,他会钢琴、管风琴和大提琴,还上过演唱课,曾在慕尼黑学生学者歌唱协会(Akademischer Gesangverein Munchen)为多首歌曲和一部轻歌剧(1876年)作曲。但是普朗克并没有选择音乐作为他的大学专业,而是决定学习物理。慕尼黑的物理学教授菲利普·冯·约利(Philipp von Jolly,1809年-1884年)曾劝说普朗克不要学习物理,他认为“这门科学中的一切都已经被研究了,只有一些不重要的空白需要被填补”,这也是当时许多物理学家所坚持的观点,但是普朗克回复道:“我并不期望发现新大陆,只希望理解已经存在的物理学基础,或许能将其加深。”普朗克在1874年在慕尼黑开始了他的物理学学业。普朗克整个科学事业中仅有的几次实验是在约利手下完成的,研究氢气在加热后的铂中的扩散,但是普朗克很快就把研究转向了理论物理学。
但是爱丁顿爵士,这个借给钱德拉塞卡Braunschweiger计算器得出上述结果的著名科学家在学术大会上多次当面怼钱德拉塞卡的计算结果。本来学术互相怼是科学进步的动力之一。但是,相当诡异的是,相当长的一段时间内,其他科学家没有一个人公开站出来力挺真理,即便不少人私下认可钱德拉塞卡的计算。连泡利,这个评价别人“Not even wrong”的“conscience of physics”, 也没有公开支持钱德拉塞卡。1939年之后,在近40年的时间里钱德拉塞卡再也没碰这个领域(偏激学霸害人害科学啊!!!)。好在科学不会因为一个人而停止脚步,总会自我修正:“钱德拉塞卡极限”这一个科学术语已经在教科书上冷静地为这段科学史花了一个句号。
新的引力波解读:时空与物质、广义相对论与量子力学的完美结合
2017-10-17 12:02 来源:中科院物理所
美东时间10月16日上午10点,北京时间10月16日晚上22点,LIGO实验室、LIGO科学合作组织和Virgo合作组织在美国华盛顿DC联合全球数十家天文台宣布,LIGO在8月17日上午协调世界时间(Coordinate Universal Time)12点41分04秒,即美东时间上午8点41分04秒,探测到双中子星并合所产生的引力波(GW170817)!这是人类首次探测到双中子星并合事件! 新闻发布会上所展示的艺术效果如上图所示。昨晚,我们也对此进行了第一时间报道,详见《刚刚,LIGO联合全球天文研究机构共同发布了一个前所未有的大新闻!》。
1.7秒之后,美国宇航局费米空间望远镜探测到此双中子星并合所产生的伽玛暴(GRB170817A)!这是人类首次探测到引力波的电磁对应体! 宣示双信使天文学时代的正式来临。
这一突破给全球范围的天文学家带来一场前所未有的盛宴,世界各地天文台在随后的观测中,探测到此双中子星并合所产生的从X射线到微波的电磁信号,找到金、铂等新合成贵重元素的信号,揭开困扰学界数十年的比铁重的元素宇宙起源之谜。
这一系列重大成果也宛若论文金矿,引发了全球顶级期刊对首发论文的激烈竞争。PRL当仁不让占据头条。Nature和Science为配合LIGO的新闻发布,改变了通常美东时间周三周四上线新文章的时间作息,推出系列相关研究论文,光Nature就一口气6篇!中国旗舰期刊《科学通报》英文版Science Bulletin也同步上线中国天文学家重要成果。
今天,我们特邀两位LIGO成员、加州理工学院陈雁北教授和湖北第二师范学院范锡龙教授为我们深度解读这一系列事件的来龙去脉和对未来发展的展望。
特别声明:本系列科普文章版权归作者所有。
时空与物质、广义相对论与量子力学的完美结合
四个天文发现:GW170817(引力波),GRB170817A(伽玛暴)和SSS17a(千新星)以及确认它们的宿主星系NGC4993
加州理工学院 陈雁北
湖北第二师范学院 范锡龙
(排名不分先后,同等贡献,共同通讯)
2017年8月17日,12点41分20秒(UTC),也就是北京时间20点41分20秒,NASA的费米伽玛射线空间望远镜发出了一个GRB170817A的伽玛射线暴报警,这是一次到达时间在20点41分06秒的短伽玛射线暴。
绿色的轮廓是引力波探测对GW170817在天空中的定位(浅绿色的两个轮廓是LIGO的定位范围,而深绿色的轮廓是加入Virgo以后的定位范围),蓝色轮廓是伽马射线探测器对GRB170817A的定位。标有Swope的灰色插图是光学望远镜对SSS17a的定位,而标有DLT40的灰色插图是在事件前的对照,上面灰色图多出的小点是SSS17a,而两者都有的大黑点是NGC4993星系。
六分钟后,LIGO的实时数据分析程序也在Hanford观测站的数据中自动找到了可能对应于两个致密星体碰撞发出的引力波信号,引力波碰撞信号到达地球的时间是20点41分04秒,比伽马射线早约2秒。LIGO和Virgo团队的快速反应小组马上人工确认了信号具有高置信度,并且初步估计了信号在天空中的方位,与GRB170817A在误差范围内一致。非常幸运的是,刚上线不久的Virgo,虽然灵敏度尚赶不上LIGO,但是大大缩小了定位的误差。这个引力波事件被定名为GW170817。
1971年投入使用的Swope望远镜 (左)。该望远镜坐落于智利,是美国卡内基天文研究院的天文学家Henrietta Swope (1902-1980,右图) 捐资建造的。
很快,GRB70817A和GW170817 方位被发布给了早有准备的70多个天文学家团队。由于信号的位置正好在澳大利亚上空,而光学天文观测只能在夜晚进行,并且只能往天上看(但是引力波探测器则不受地球的遮挡),这就给了智利和南非的天文学家先机。结果,坐落在智利的Swope望远镜(一个1971年建造的,按照现在的标准不怎么起眼的1米口径望远镜)拔了头筹,率先在NGC4993星系附近发现了一个新出现的亮斑。这个光学瞬变过程,被定为SSSS17a。
NGC4993是德国天文学家Wilheml Hershel (1738-1822) 在1789年发现的。 该星系距离地球1亿3千万光年,方向上位于长蛇座。
在后续的几个星期里,天文学家们利用其他位于地面、空间和地下的天文观测站,在电磁波的各个波段 (从伽马射线、X光、紫外,红外,可见光,微波),以及利用中微子探测技术,对这个已经由三个独立运行的引力波观测站 (LIGO Hanford, LIGO Livingston和Virgo)、伽马射线,和可见光都探测到的天文事件进行了进一步详细的研究。
天文学家们认定,这是一次双中子星的碰撞事件。引力波GW170817的观测,让我们测量了两个中子星的质量。伽马射线暴GRB170817A,让我们认识到中子星碰撞后有物质被高速抛出;后续的紫外、可见和红外光学观测和不同谱段光强的分析,让我们初步确定发光来自于重元素的衰变,确立了SSS17a是一个千新星。X光和射电 (微波波段的无线电) 观测,让我们更好地了解了爆炸的能量,抛出物质的状况,以及爆炸周围的环境。
这样,天文学家们就初步确认了“短伽马射线暴”的物理起源,初步确认了中子星的存在并且了解了它的成分,而且对宇宙中重元素的起源,有了新的实验证据。通过对引力波强度的测量,我们独立测量了NGC4993这个星系和地球距离,对宇宙膨胀的速率,以及宇宙的年龄又多了一个独立的测量方法。通过对引力波和电磁波到达时间,我们对引力波的速度也有了新的测量。
2015年,人类首次捕捉到黑洞发出的引力波 。我们不但证实了引力波这种时空的涟漪可以在宇宙空间中产生、传播,并且和地球上的仪器发生作用,也开始近距离地观测黑洞周围高度扭曲变形的时空。前几次对黑洞的观测,让物理学家异常兴奋,而这次对双中子星碰撞的探测,真可以说是各个波段的天文学家们集体的盛宴。
二十世纪物理学的两大进展,是广义相对论和量子力学。如果说,测量到从黑洞发出的引力波是广义相对论的胜利,这次的观测也可以说是广义相对论和量子力学双剑合璧的胜利,并且让人类对宇宙的起源、演化和成分有了更深入的了解。
量子力学:原子、原子核
也许有人会说,中子星?而且还是一亿多光年以外的?这跟我有什么半毛钱关系吗?
说到钱,我们都会想到金子,这个元素周期表中最讨人喜欢的元素。从科学的角度,金是第79号元素,原子核外面有79个电子。金原子核有79个质子,但是可以有不同数目的中子,这些不同的版本,叫做“同位素”。其中,79个质子和118个中子的版本,即金197,是唯一稳定的同位素。
金不但化学性质稳定,而且在自然界中非常稀少。在人类社会里面,金子象征着尊贵。本来300美元的手表,如果换成金子做的外壳,就可以卖10000美元。粉色,这个原本有点儿暧昧的颜色,如果改叫“玫瑰金”,也突然就变得高大上了起来。这次发现的双中子星碰撞事件,可以让我们更好地了解宇宙中金子的起源。核天体物理学家认为,宇宙中的大部分金子,可能都是由这次观测到的这种碰撞所产生的!