當(dāng)生活邂逅相對論

和恩馨

今年是愛因斯坦提出廣義相對論100周年，這個偉大理論把引力描述為空間和時間的彎曲，顛覆了人類對宇宙的認(rèn)識，開啟了近代物理學(xué)上一個全新的領(lǐng)域。

那么，相對論到底是神馬東西，它又是怎樣被提出來的？

改寫宇宙認(rèn)知法則

關(guān)于愛因斯坦和廣義相對論的故事，還要從1915年說起。

1915年秋天，德國威廉皇家物理研究所。所長阿爾伯特·愛因斯坦的心情不太好，他正在遭遇學(xué)術(shù)上的瓶頸——10年前，狹義相對論的提出震動了物理學(xué)界，那一年也因此被命名為“愛因斯坦奇跡年”。此后，他又在此基礎(chǔ)上提出了關(guān)于引力的新理論，但興奮勁兒還未過去，他卻發(fā)現(xiàn)這一理論中存在致命缺陷。

于是，愛因斯坦回到了黑板前——他不斷地思索著、計算著，尋找著開啟問題的鑰匙。正是在這樣的忘我中，1915年11月25日，他寫下了那個改寫宇宙認(rèn)知法則的方程式：

這個看似簡潔的公式，詮釋了愛因斯坦對宇宙時空的解讀：光線在經(jīng)過引力場時將會彎曲。打個形象的比方，宇宙就好像是一張彈性極好的海綿床墊，物質(zhì)與能量仿佛一個從沉睡中醒來的人，他爆發(fā)出的力量，扭曲了宇宙（床墊）的幾何形態(tài)，進而創(chuàng)造出引力效應(yīng)，迫使光線像彈珠或掉落的蘋果那樣，沿著彎曲的路徑穿越空間。

這就是廣義相對論，它徹底顛覆了人類對時空的傳統(tǒng)理解，注定成為物理學(xué)上劃時代的一筆重彩。

愛因斯坦對引力的描述，能解釋多個牛頓定律無法解釋的現(xiàn)象，如水星等行星軌道的反常；這一理論還提供了關(guān)于黑洞的基礎(chǔ)理論，同時也是宇宙大爆炸模型的組成部分……

但如果你就此以為相對論是物理學(xué)家的事，和我們普通人沒有什么關(guān)系，那你就錯了，實際上，相對論在生活中有著許多重要的應(yīng)用，比如，在GPS、北斗等導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)中，如果沒有基于相對論的數(shù)據(jù)修正，誤差會越來越大——人們將越走越迷路。

精確導(dǎo)航，拯救“路癡”族

在生活中，我們正在越來越多地依賴著導(dǎo)航系統(tǒng)：當(dāng)我們?nèi)ヒ粋€不太熟悉的地方時，通常會打開手機導(dǎo)航或汽車導(dǎo)航。而此時，我們就會用到GPS或北斗導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)。

那么，這些導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)與看似高大上的相對論之間又有什么關(guān)系呢？

為了提供全方位、全天候、全時段、高精度的導(dǎo)航信息，導(dǎo)航衛(wèi)星上都裝有原子鐘，它們計時極為準(zhǔn)確，誤差不超過十萬億分之一，也就是說，每天的誤差不超過10納秒（1納秒等于10億分之一秒）。

此外，原子鐘和導(dǎo)航衛(wèi)星一起每天以每小時14000千米的速度不辭辛苦地繞地球飛行。如此快的速度，已經(jīng)讓我等普羅大眾望而興嘆了，但這跟光速（3.0×108m/s）相比，卻仍然慢了很多。

根據(jù)狹義相對論，當(dāng)物體運動時，時間會變慢；物體運動的速度越快，時間就越慢。因此在地球上看導(dǎo)航衛(wèi)星，它們攜帶的時鐘要走得比太空中更慢。用狹義相對論的公式計算，地球上的時間與原子鐘的時間相比，每天要快7.2微秒（1微妙=1000納秒）。待導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號傳遞到地球上的訊號站，然后再反饋到定位上，就會造成數(shù)公里的誤差。

這就好像是，當(dāng)你愛車的定位軟件告訴你下一個加油站是在0.8公里以外，而一天下來，定位軟件告訴你的最后一個加油站所處的位置和它的實際位置就相差了8公里。也就意味著，你要多開8公里，如果此時車輛油量已經(jīng)耗盡，也許你就只能崩潰了。

然而，根據(jù)廣義相對論，物質(zhì)質(zhì)量的存在會造成時空的彎曲，質(zhì)量越大，距離越近，時光就彎曲得越厲害，時間則會越慢。受地球質(zhì)量的影響，在地球表面的時空要比導(dǎo)航衛(wèi)星所在的時空更加彎曲，這樣，從地球上看，地球上的時間每天要比導(dǎo)航衛(wèi)星上的時間慢45.9微秒。

即便把狹義相對論和廣義相對論都考慮進去，導(dǎo)航衛(wèi)星時鐘比地球上的時間相比，每天還是要快上大約38微秒。而衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)必須達到的時間精度是納秒級的，這個誤差可是其精度的38000倍呢。如果不校正的話，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)每天將會積累大約10千米的定位誤差。

因此，為了確保這些衛(wèi)星軟件定位準(zhǔn)確，需要計算和抵消所有的相對論效應(yīng)。為此，在GPS衛(wèi)星發(fā)射前，科學(xué)家要先把GPS衛(wèi)星上的時鐘的走動頻率調(diào)慢100億分之4.465，把10.23兆赫調(diào)為10.22999999543兆赫。

核電，讓能源更清潔

1945年8月6日和9日，美軍向日本廣島和長崎分別投擲原子彈，加速了第二次世界大戰(zhàn)的結(jié)束。而原子彈之所以能爆發(fā)出如此驚人的威力，其理論基礎(chǔ)正是相對論的一個推論，即質(zhì)能方程E=mc2。

時光回溯到1905年11月，這一年，愛因斯坦在他的文章《物體的慣性同它所包含的能量有關(guān)嗎？》中提出，物體的質(zhì)量并不是恒定不變的，而是隨著運動速度的增加而增加，這就是運動中物體的“質(zhì)增效應(yīng)”。

根據(jù)牛頓定律可知，如果物體所受的合力不為零，且力的方向和物體原來的運動方向相同，那么它的速度會越來越快。現(xiàn)在假設(shè)有這么一輛質(zhì)量很輕的“理想”板車，在真空中不受任何力，只要你持續(xù)地推它，它的速度就會越來越快。

根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)增效應(yīng)，隨著時間推移，這輛車的質(zhì)量會越來越大，起初車上像堆滿了石塊，之后像是裝著一座喜馬拉雅山、再然后像是裝著一個地球、一個太陽系、一個銀河系……當(dāng)板車的速度接近光速時，好像整個宇宙都裝在了它上面——它的質(zhì)量達到了無窮大。這時，你無論施加多大力，無論推多長時間，它都不可能運動得再快一些。

你也許會疑惑，我們施加的能量去哪里了呢？其實能量并沒有消失，而是轉(zhuǎn)化為了質(zhì)量。愛因斯坦就是在說明物體的質(zhì)量與能量的聯(lián)系過程中，提出了著名的質(zhì)能方程：E=mc2，即能量是質(zhì)量的900萬倍，換句話說就是，即使是指甲蓋般大小的物質(zhì)，其質(zhì)量如果完全消失，其釋放的能量是以萬噸煤炭來計算的。

愛因斯坦的質(zhì)能方程在1939年得到了驗證。這一年，約里奧·居里（居里夫人的長女）、費米、西拉德3位科學(xué)家分別獨立發(fā)現(xiàn)了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，即鈾235的核受到中子轟擊后，會分裂成兩個中等質(zhì)量的新原子核，放出中子，并釋放出巨大能量，這些中子又能引發(fā)其它鈾核再分裂，如此反復(fù)，不斷釋放巨大能量，這使人類找到了釋放巨大原子能的方法。

6年后（1945年），世界第一顆原子彈在美國試爆成功并投向了日本，二戰(zhàn)提前結(jié)束。

但原子能帶來的并不都是摧毀的力量。后來，通過合理控制核反應(yīng)堆的反應(yīng)劇烈程度，前蘇聯(lián)、美國等在20世紀(jì)五六十年代，建造了世界第一批核電站。此后，越來越多的核電站開始出現(xiàn)，核電在各國電力消費中的比例日趨增高，成為新一代清潔能源。數(shù)據(jù)顯示，目前發(fā)達國家中，法國電力的75%、美國電力的20%都來自核電，中國、印度、巴西等發(fā)展中國家雖然核電占比較低，但也有近5%的電力來自核電。

粒子加速器，為生活助力

也許你和其他年輕人一樣，都喜歡薯片和牛奶，但你是否知道，美味薯片和牛奶包裝盒也與相對論有關(guān)？

原來，薯片及牛奶的包裝盒，是利用離子加速器里粒子束的定向運動來實現(xiàn)瞬間封口的——這是粒子加速器在工業(yè)上的最早應(yīng)用。而粒子加速器的設(shè)計和使用，則是在相對論效應(yīng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。

那么，基于相對論效應(yīng)的粒子加速器，給我們的生活帶來了哪些便捷或功用呢？

粒子加速器產(chǎn)生的電子束可以對蘋果、草莓、菠菜等進行輻照滅菌，以殺死其中的沙門氏菌或大腸桿菌等微生物。目前，這項技術(shù)已在40余個國家應(yīng)用。

粒子加速器還可以用來處理污泥和酸雨。它能夠殺死污泥中的病原體，并將污泥中那些引發(fā)藻類大量繁殖的氮和磷及對魚類有害的激素和抗生素轉(zhuǎn)化成無害的化合物或分解成基本元素。它還可以通過電子束照射，將酸雨轉(zhuǎn)化成硫酸銨和硝酸銨等肥料。

粒子加速器還有更強大的功能——治療癌癥。由于質(zhì)子比電子的穿透力更強，在穿透組織的過程中造成的傷害很少，但在路程終點會失去大部分能量并造成最大傷害，因此，科學(xué)家通過調(diào)整粒子加速器，將質(zhì)子的破壞力釋放到腫瘤的精確位置，從而治愈癌癥。

粒子加速器還可以用來創(chuàng)造新的材料。比如，在計算機芯片的生產(chǎn)過程中，粒子加速器可以控制硼、磷等離子束的方向，將這些離子放置到精確的位置，從而改變材料的導(dǎo)電性。

給超級計算機設(shè)限

2015年11月16日，全球超級計算機500強榜單在美國公布，中國“天河二號”超級計算機，以每秒5.59億億次的峰值運算速度和3.39億億次的實際運算速度，第六度蟬聯(lián)全球榜首，繼續(xù)領(lǐng)跑全球超級計算機“競賽”。

如此快的速度意味著什么？打個比方，假設(shè)每人每秒鐘進行一次運算，“天河二號”超級計算機運算一小時的量，就相當(dāng)于13億人同時用計算器算上1000年。

即使是如此之快，但“天河二號”超級計算機也有它的速度極限，而相對論就是衡量這一極限的標(biāo)尺——相對論指出，光速是信息傳遞速度的極限，所以超級計算機的總線時脈一般不能超越30GHz，否則在脈沖到達超級計算機的另一處之前，另一脈沖就已經(jīng)發(fā)出了，這就會導(dǎo)致超級計算機內(nèi)不同地方的元件不協(xié)調(diào)。由此可見，相對論為超級電腦的布線長度和時脈上限提供了理論基礎(chǔ)。

電視機影像和金屬顏色從何而來？

幾十年前，當(dāng)液晶電視機還未出現(xiàn)時，人們普遍用CRT電視機觀看電視劇和新聞等節(jié)目。

CRT電視機之所以能呈現(xiàn)各種色彩繽紛的影像，其原理是電視機內(nèi)部的陰極射線管從一個大磁鐵發(fā)射電子到熒光粉表面上，每一個電子到達熒光粉表面就會點亮一個畫素。但是，當(dāng)電子從被發(fā)射到成像時，其速度大概是光速的1/3，因此在設(shè)計CRT電視機中的偏轉(zhuǎn)磁鐵時，研發(fā)者參考了相對論效應(yīng)來對其進行精確設(shè)計。

除了電視機外，相對論還能用來解釋為什么大多數(shù)金屬是有光澤的——這是因為金屬中的電子軌道躍遷的緣故。由于電子的移動速度足夠快，根據(jù)相對論，其質(zhì)量也是顯著增加的。在黃金中，光被吸收并重新發(fā)射的波長接近黃色光，因此我們看到的黃金就是黃色的。

未來的時間旅行？

在相對論中，愛因斯坦提出，如果一個人的運動速度趨近于光速，對他來說，時間就會趨近于停滯。那么，如果運動速度超過光速，時間會不會倒轉(zhuǎn)？人能否回到過去？

實際上，時空穿梭或時空旅行并非只是科幻大片中的情節(jié)，科學(xué)家們也在為此不斷探索著。

1976年，物理學(xué)家維索特和列文向太空發(fā)射了一枚載有時鐘的火箭。他們觀察到，這個時鐘與放置在地球上的時鐘相比，多獲得了1/10微秒。他們設(shè)想，如果利用強度遠高于地球重力的引力場，比如中子星引力場，就能讓宇宙飛船在較短的時間內(nèi)到達一顆中子星上，從而實現(xiàn)時光穿梭。

美國教授馬利特將這一設(shè)想進一步付諸實驗。1955年，馬利特10歲時，父親因長期吸煙而死于心臟病。因此，他一直希望能發(fā)明出一部時光機，回到過去提醒父親“吸煙危害健康”。長大后，馬利特成為康涅狄格大學(xué)物理學(xué)教授并開始著手研制時光機。馬利特計劃用時光機傳送一個亞原子粒子——中子，在他看來，激光束光環(huán)可以扭曲環(huán)內(nèi)的空間，引力會迫使中子側(cè)向一邊旋轉(zhuǎn)。此時如果增加能量，另一個中子將會出現(xiàn)，這粒中子是第一粒中子由未來前來探訪過去的“自己”。

當(dāng)然，馬利特的實驗至今并未獲得成功，但人類關(guān)于時空旅行的探索卻不會停息。未來，當(dāng)科學(xué)家們對相對論的研究有了更深入的實質(zhì)性進展時，也許，時空旅行將不再是遙不可及的夢想。（責(zé)任編輯/清揚）