相對(duì)論改變世界100年

顏慧

愛因斯坦提出相對(duì)論距今已經(jīng)整整100周年了，它經(jīng)受了實(shí)踐和歷史的考驗(yàn)，是人們普遍承認(rèn)的真理。相對(duì)論對(duì)于人類思想的發(fā)展、科學(xué)與技術(shù)的諸多變革、對(duì)我們的生活都產(chǎn)生了巨大影響。

人類以新的視野觀察和認(rèn)識(shí)世界

相對(duì)論是研究時(shí)間、空間、運(yùn)動(dòng)這三者關(guān)系的理論體系的總稱，它是這100多年來人類最偉大的兩個(gè)理論之一（另一個(gè)偉大理論是量子力學(xué)）。相對(duì)論的偉大是不足以用諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)來評(píng)價(jià)的。如果真有一個(gè)上帝的話，上帝過去總是說：“人類一思考，上帝就發(fā)笑。”相對(duì)論誕生之后，上帝改口了：“人類一思考，上帝就發(fā)慌?！?/p>

相對(duì)論是關(guān)于時(shí)空和引力的基本理論，依據(jù)研究的對(duì)象不同，分為狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論。相對(duì)論從邏輯思想上統(tǒng)一了經(jīng)典物理學(xué)，使經(jīng)典物理學(xué)成為一個(gè)完美的科學(xué)體系。狹義相對(duì)論在狹義相對(duì)性原理的基礎(chǔ)上統(tǒng)一了牛頓力學(xué)和麥克斯韋動(dòng)力學(xué)兩個(gè)體系，指出它們都服從狹義相對(duì)性原理，都是對(duì)洛倫茲變換協(xié)變的，牛頓力學(xué)只不過是物體在低速運(yùn)動(dòng)下很好的近似規(guī)律。廣義相對(duì)論又在廣義協(xié)變的基礎(chǔ)上，通過等效原理，建立了局域慣性場與普遍參照系數(shù)的問題，從邏輯上得到了合理的安排。相對(duì)論嚴(yán)格考察了時(shí)間、空間、物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)這些物理學(xué)的基本概念，給出了科學(xué)而系統(tǒng)的時(shí)空觀和物質(zhì)觀，從而使物理學(xué)在邏輯上成為完美的科學(xué)體系。

狹義相對(duì)論給出了物體在高速運(yùn)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并提示了質(zhì)量與能量相當(dāng)，著名的質(zhì)能關(guān)系式，即E=MC2，可以用來計(jì)算核反應(yīng)過程中所釋放的能量，并導(dǎo)致了原子彈的誕生。廣義相對(duì)論建立了完善的引力理論，而引力理論主要涉及的是天體。至今，相對(duì)論宇宙學(xué)進(jìn)一步發(fā)展，而引力波物理、致密天體物理和黑洞物理這些屬于相對(duì)論天體物理學(xué)的分支學(xué)科都有一定的進(jìn)展，吸引了許多科學(xué)家為之奮斗。

相對(duì)論極大地改變了人類對(duì)宇宙和自然的“常識(shí)性”觀念，提出了“同時(shí)的相對(duì)性”“四維時(shí)空”“彎曲時(shí)空”等全新的概念。它發(fā)展了牛頓力學(xué)，推動(dòng)物理學(xué)發(fā)展到一個(gè)新的高度。一位法國物理學(xué)家曾經(jīng)這樣評(píng)價(jià)愛因斯坦：“在我們這一時(shí)代的物理學(xué)家中，愛因斯坦將位于最前列。他現(xiàn)在是、將來也還是人類宇宙中最光輝的巨星之一”，“按照我的看法，他也許比牛頓更偉大，因?yàn)樗麑?duì)于科學(xué)的貢獻(xiàn)，將更加深入地進(jìn)入人類思想基本要領(lǐng)的結(jié)構(gòu)中?！?/p>

對(duì)稱性原理對(duì)物理學(xué)研究有著十分重要的指導(dǎo)意義，愛因斯坦最善于應(yīng)用這一原理，整個(gè)相對(duì)論都是在此基礎(chǔ)上建立起來的。特別是在建立廣義相對(duì)論的過程中，愛因斯坦還對(duì)原理做了創(chuàng)造性發(fā)展。過去是實(shí)驗(yàn)→方程→對(duì)稱性，但愛因斯坦認(rèn)為“這個(gè)鏈很有趣，如果從洛倫茲對(duì)稱性以外的對(duì)稱性出發(fā)，推導(dǎo)出方程，再利用它進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不是更好嗎”？愛因斯坦成功地實(shí)現(xiàn)了這個(gè)關(guān)系的倒置。他所說的這種新的對(duì)稱性就是引力場方程在非歐幾里德空間的協(xié)變。

相對(duì)論的建立也把化學(xué)和生物學(xué)推向了新的高峰。19世紀(jì)末，化學(xué)領(lǐng)域取得了巨大的成就，但也遇到了巨大的困難。其主要原因是“原子不可分，元素不能變”的觀念根深蒂固。20世紀(jì)物理學(xué)的這場革命，從根本上改變了化學(xué)的基本概念，并使之獲得了很多新的研究方法。由物理學(xué)家開創(chuàng)的化學(xué)鍵理論，X射線衍射法的運(yùn)用，推動(dòng)了結(jié)構(gòu)化學(xué)的發(fā)展。20世紀(jì)后的化學(xué)，主要通過研究電子在分子和原子中的分布和運(yùn)動(dòng)，由此更深刻地揭示物質(zhì)的性質(zhì)和化學(xué)變化的規(guī)律。

分子生物學(xué)創(chuàng)立于20世紀(jì)50年代，物理學(xué)對(duì)其形成和發(fā)展產(chǎn)生了舉足輕重的作用。X射線衍射方法的運(yùn)用使生物大分子晶體結(jié)構(gòu)分析成為可能。特別是薛定諤于1944年出版的《生命是什么》一書“從思想上喚起生物學(xué)革命”。該書在運(yùn)用統(tǒng)計(jì)物理的概念分析生命現(xiàn)象后指出，生命物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)必然服從已知的物理學(xué)定律。這啟發(fā)了人們用物理學(xué)的思想和方法探討生命物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

科技和社會(huì)產(chǎn)生了諸多變革

100年前，愛因斯坦發(fā)表了具有劃時(shí)代意義的5篇物理學(xué)論文，奠定了相對(duì)論的基礎(chǔ)，并為量子理論的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。原子能、晶體管、計(jì)算機(jī)、激光、納米材料、宇宙飛船、生命科學(xué)等20世紀(jì)重大的發(fā)明，都是由愛因斯坦開創(chuàng)的近代物理學(xué)的結(jié)晶。

相對(duì)論和量子力學(xué)的建立使人類進(jìn)入到信息時(shí)代。固體物理已有幾個(gè)世紀(jì)的歷史，直到20世紀(jì)初，由于X射線衍射的發(fā)現(xiàn)以及金屬的自由電子論和能帶理論的提出才使其成熟了。20世紀(jì)30年代后，量子力學(xué)使它成為一門研究固體多種物理性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科。近年來，固體物理的研究對(duì)象由晶體擴(kuò)展到非晶體和物體的表面，故更名為凝聚態(tài)物理學(xué)。半導(dǎo)體材料、磁性材料、納米材料等是它研究的主要對(duì)象，這為計(jì)算機(jī)的誕生和發(fā)展奠定了科學(xué)和技術(shù)基礎(chǔ)。

電路板

信息革命始于20世紀(jì)40年代，以計(jì)算機(jī)問世為標(biāo)志，目前方興未艾。從1904年發(fā)明二極管起，到1946年世界上第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)研制成功為止，是信息技術(shù)史上的“電子管時(shí)期”。1947年隨著半導(dǎo)體晶體管的問世，信息技術(shù)史進(jìn)入了“晶體管時(shí)期”。此后，集成電路的發(fā)明打破了電路與元件分離的傳統(tǒng)觀念，使電子設(shè)備微型化。經(jīng)過大規(guī)模集成電路階段后，超大規(guī)模集成電路又在迅猛發(fā)展。而計(jì)算機(jī)就是由這些物理元件組成的信息處理器。以激光器發(fā)明為標(biāo)志的光電子技術(shù)，使信息技術(shù)上了一個(gè)新臺(tái)階。因?yàn)椴捎霉庾幼鳛樾畔⑤d體，其響應(yīng)速度比電子快3個(gè)數(shù)量級(jí)，也不存在電磁串?dāng)_等。待到光子集成電路問世后，計(jì)算機(jī)的發(fā)展將更迅速，應(yīng)用前景將更廣闊。前兩次工業(yè)革命延伸的是人的肢體功能，這次革命拓展的是人的大腦功能。因此，信息革命是更深刻的革命。海灣戰(zhàn)爭、科索沃戰(zhàn)爭和伊拉克戰(zhàn)爭就是最有力的證明。

20世紀(jì)初愛因斯坦相對(duì)論開啟的科技革命和20世紀(jì)六七十年代開始的高科技時(shí)代，對(duì)人類思想文化的影響更是震撼性的。以網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)為例，我們由此可窺一斑而知全豹。由于數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用，人類從觀念到生活方式都發(fā)生了天翻地覆的變化?？梢哉f，計(jì)算機(jī)、信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)影響到了當(dāng)今思想文化的每個(gè)角落。姑且不說數(shù)字技術(shù)改變了幾百年來鉛與火的印刷，上千年筆與紙的書寫，現(xiàn)在文化的交流、知識(shí)信息的傳播，甚至到了動(dòng)一下指頭，點(diǎn)擊上網(wǎng)即可實(shí)現(xiàn)的地步。這與以前關(guān)山隔阻，需飛越千山萬水，克服重重困難才能達(dá)到目的的情況相比，簡直有天壤之別。

相對(duì)論與我們的生活息息相關(guān)

盡管大多數(shù)人至今還不知道相對(duì)論究竟是怎么回事，但事實(shí)上，它早就深刻地影響到整個(gè)人類社會(huì)，直接或間接地影響了我們每一個(gè)人的生活。1919年，愛因斯坦在與兒子埃德瓦的談話中說：“當(dāng)一只甲蟲在一根彎曲的樹枝上爬行的時(shí)候，它并沒有覺察到這根樹枝是彎曲的，我有幸覺察到了甲蟲沒有覺察到的東西?！睈垡蛩固沟倪@一覺察，在其后近100年中改變了整個(gè)世界，并且，這種改變現(xiàn)在還在繼續(xù)。

GPS導(dǎo)航系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)是一個(gè)滿大街都可以看到的常用小電器了，可能每個(gè)司機(jī)都有一個(gè)車載的導(dǎo)航系統(tǒng)，或者手機(jī)里裝有一個(gè)導(dǎo)航軟件。如果沒有相對(duì)論，那么導(dǎo)航系統(tǒng)就會(huì)出大問題。愛因斯坦指出：“傳統(tǒng)的時(shí)間概念只能在簡單的條件下才能確定，當(dāng)多種因素暫時(shí)聯(lián)系起來的時(shí)候，傳統(tǒng)的計(jì)時(shí)方法就會(huì)失去作用?！币?yàn)楦鶕?jù)相對(duì)論，衛(wèi)星上的時(shí)鐘會(huì)比地面上的時(shí)鐘走得快，每天大約快38微秒（0.000038秒），如果不校正的話，GPS導(dǎo)航系統(tǒng)每天積累的誤差將超過10千米（這個(gè)誤差是垂直方向上的，不是水平方向上的），如果美軍用這個(gè)來導(dǎo)航導(dǎo)彈的話，那麻煩就大了。因此，在GPS衛(wèi)星發(fā)射前，要先把其時(shí)鐘的走動(dòng)頻率調(diào)慢100億分之4.465，把10.23兆赫調(diào)為10.22999999543兆赫，這些數(shù)字全靠有了相對(duì)論才能那么精確地計(jì)算出來。

相對(duì)論在我們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用還遠(yuǎn)不止這些。衛(wèi)星上的時(shí)間變快只不過是相對(duì)論無數(shù)推論中的一個(gè)，我們通過相對(duì)論還可以精確地計(jì)算衛(wèi)星上的時(shí)鐘和地面上的時(shí)鐘的誤差到底是多少。相對(duì)論還有很多很多的推論，小到推測水星的運(yùn)行軌道、在發(fā)生日全食時(shí)星星的位置，大到可以推演太陽的過去與未來、甚至宇宙的過去與未來。

另外，在醫(yī)院的放射治療部，多數(shù)設(shè)有一臺(tái)粒子加速器，產(chǎn)生高能粒子來制造同位素，作為治療或造影之用。氟代脫氧葡萄糖的合成便是一個(gè)經(jīng)典的例子。由于粒子運(yùn)動(dòng)的速度相當(dāng)接近光速，故粒子加速器的設(shè)計(jì)和使用必須考慮相對(duì)論效應(yīng)。過渡金屬如鉑的內(nèi)層電子，運(yùn)行速度極快，因此在設(shè)計(jì)或研究新型的催化劑時(shí)，就需要考慮相對(duì)論對(duì)電子軌態(tài)能級(jí)的影響。

【責(zé)任編輯】林 ?京