《相對(duì)論》與高科技及我們的日常生活——紀(jì)念廣義相對(duì)論建立100周年暨狹義相對(duì)論建立110周年

《相對(duì)論》與高科技及我們的日常生活
——紀(jì)念廣義相對(duì)論建立100周年暨狹義相對(duì)論建立110周年

鄭慶璋羅蔚茵①

(中山大學(xué)物理系廣東 廣州510275)

羅蔚茵(1938-)，女，教授，主要從事物理教學(xué)和相對(duì)論天體物理研究.曾任教育部教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)委員、中國(guó)物理學(xué)會(huì)教學(xué)委員會(huì)副主任.

摘 要：本文把有關(guān)《相對(duì)論》的入門梗概和意義作了簡(jiǎn)要的介紹，并指出它與我們的密切關(guān)系.

關(guān)鍵詞：相對(duì)論 入門梗概 科學(xué)素質(zhì)

作者簡(jiǎn)介：①鄭慶璋(1933-)，男，教授，多年從事基礎(chǔ)物理和理論物理教學(xué)及指導(dǎo)碩士生學(xué)習(xí).主要從事引力波探測(cè)和相對(duì)論天體物理研究.

收稿日期：(2015-05-15)

今年(2015年)是愛因斯坦建立廣義相對(duì)論100周年暨狹義相對(duì)論建立110周年，也是聯(lián)合國(guó)決定2005年為世界物理年10周年.相對(duì)論是科學(xué)理論上璀璨的瑰寶，在科技和日常生活中發(fā)揮愈來愈大的作用.

此外還要注意，《相對(duì)論》中的“相對(duì)”，不是觀察者個(gè)體的相對(duì)，而是作為描述物質(zhì)運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)的“參考系”的相對(duì).否則，所得到的結(jié)論就會(huì)“公說公有理，婆說婆有理”的那樣沒有客觀標(biāo)準(zhǔn)了.例如，你從廣州乘車赴中山大學(xué)珠海校區(qū)，你會(huì)看到路旁的樹木往后退，但你也會(huì)看到遠(yuǎn)離的建筑物(如廣州塔)卻和你一樣往前走.難道你因此就能得出結(jié)論“樹木相對(duì)車往后運(yùn)動(dòng)，廣州塔相對(duì)車往前運(yùn)動(dòng)”嗎？顯然不對(duì)，因?yàn)檐嚭湍阕詈蠖嫉搅酥楹?，而樹木和廣州塔卻仍然留在廣州.可見樹木和廣州塔相對(duì)的是車和與之相聯(lián)的空間——參考系的向后運(yùn)動(dòng).

相對(duì)論的另一個(gè)重要推論是“同時(shí)”的相對(duì)性.即在一個(gè)參考系中不同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生的兩件事，在另一個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的參考系中就會(huì)觀測(cè)到不是同時(shí)發(fā)生的.譬如說你在廣州早上7點(diǎn)整醒來，此刻北京鐘也是指在7點(diǎn)整嗎？你怎樣確定這兩個(gè)異地事件(廣州鐘7點(diǎn)整和北京鐘7點(diǎn)整)是同時(shí)發(fā)生的？你也許毫不猶疑地回答，這還不簡(jiǎn)單，把兩地的鐘對(duì)準(zhǔn)了不就成了嗎.例如可以打開中央廣播電臺(tái)整點(diǎn)報(bào)時(shí)節(jié)目，待“嘟、嘟…嘀！”最后一響對(duì)準(zhǔn)廣州的鐘7點(diǎn)整.這在日常生活中沒有問題，但在相對(duì)論里就不行了.因?yàn)閺谋本┌l(fā)報(bào)時(shí)刻至廣州接收到信號(hào)期間，電磁波已傳播過2×103km(2 000 km)的距離，需耗時(shí)7×10-3s(千分之7秒),即廣州鐘比北京鐘滯后約7×10-3s(千分之7秒),由此可見，當(dāng)我們把廣州鐘7點(diǎn)整和北京鐘7點(diǎn)整這兩個(gè)異地事件調(diào)校到“同時(shí)”發(fā)生，在另一高速運(yùn)動(dòng)參考系觀測(cè)，由于存在尺縮、時(shí)緩和光速不變等效應(yīng)，這兩個(gè)事件就不再是同時(shí)發(fā)生的了[1].

目前科技已經(jīng)發(fā)展到如此高的水平，以致不但過去不能驗(yàn)證的相對(duì)論預(yù)言能夠?qū)崿F(xiàn)，而且還有許多新發(fā)現(xiàn)和新驗(yàn)證.當(dāng)今蓬勃發(fā)展的“天體物理”和“現(xiàn)代宇宙學(xué)”，都無不建立在相對(duì)論的理論基礎(chǔ)上，而且取得了很大的進(jìn)展和成果.例如，1961年彭齊亞斯(A. A. Penzias)和威爾遜(R. R. Wilson)發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射，因而獲得了1978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).1968年休伊什(A. Hewish)發(fā)現(xiàn)了脈沖星，因此獲得了1974年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，等等.

20世紀(jì)30年代，愛因斯坦曾預(yù)言存在引力透鏡現(xiàn)象，即巨大的天體可以使經(jīng)過它附近的光線偏轉(zhuǎn)，因而觀測(cè)者有可能觀測(cè)到在此巨大天體后面天體所成的像.如果我們把此巨大天體稱為“引力透鏡”，它后面的天體稱為天體物，則愛因斯坦的計(jì)算指出，如果天體物與觀測(cè)者的連線與觀測(cè)者和引力透鏡連線間的偏角很小，例如在角毫秒以下，則引力透鏡所成的像光強(qiáng)增大,特別是當(dāng)連線重合時(shí)，將觀測(cè)到一個(gè)圍繞引力透鏡的光環(huán)[2]，稱為“愛因斯坦環(huán)”.然而，在當(dāng)時(shí)所能觀測(cè)到的宇宙范圍內(nèi)，要滿足愛因斯坦條件實(shí)際上是不可能的.

20世紀(jì)60年代以后，發(fā)現(xiàn)了大量光度很強(qiáng)、離地球很遠(yuǎn)的“類星體”，使人類觀測(cè)宇宙的范圍大為增加，滿足愛因斯坦條件的可能性增大.1979年，瓦爾什(D. Walsh)等人發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)引力透鏡成像事例，以后又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)更多的引力透鏡所成的星像.特別是20世紀(jì)太空哈勃望遠(yuǎn)鏡上天后，能觀測(cè)擴(kuò)展到遠(yuǎn)離10萬億光年以上的天體，人類可觀測(cè)宇宙中的天體數(shù)目大量增加，滿足愛因斯坦條件的天體數(shù)目就更多.果然，近年美國(guó)航空航天局(NASA)公布了不少拍攝到的“愛因斯坦環(huán)”(如圖 1所示)和許多其他引力透鏡所成的星像照片[3].

圖1　愛因斯坦環(huán)照片

至于探測(cè)引力波的問題，我國(guó)在80年代中所建立的室溫共振型天線，已達(dá)到當(dāng)時(shí)國(guó)際同類型天線的先進(jìn)水平，但其靈敏度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到探測(cè)預(yù)期的引力波要求.為進(jìn)一步提高天線的靈敏度，必須在超低溫的條件下，建立超大規(guī)模的邁克爾孫干涉儀型的引力波天線，而這是要耗費(fèi)巨額資金的(據(jù)說美國(guó)在華盛頓州和阿利桑拿州建立了兩座該類型引力波天線，每座耗資幾千萬美元)，在當(dāng)時(shí)的條件下我們辦不到.

正當(dāng)人工探測(cè)引力波遇到困難時(shí)，太空中卻傳來好消息.1974年，霍爾斯(R. A. Hulse)和泰勒(J. H. Taylor)發(fā)現(xiàn)脈沖雙星PSR1913+16的自轉(zhuǎn)周期變慢，經(jīng)過長(zhǎng)期的觀測(cè)，證實(shí)這是對(duì)廣義相對(duì)論關(guān)于引力波預(yù)言的一個(gè)最精確的檢測(cè)，他們因此獲得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).

2014年3月17日，哈佛大學(xué)史密森天體物理學(xué)中心宣布一個(gè)轟動(dòng)全球科技界的消息，位于南極洲的BICEP2望遠(yuǎn)鏡，在宇宙微波背景輻射中觀測(cè)到B模式偏振.這一發(fā)現(xiàn)意味著在宇宙大爆炸的最初一瞬間可能出現(xiàn)非常強(qiáng)烈的“暴漲”，從而激發(fā)強(qiáng)烈的引力波.這原初引力波在宇宙中回蕩，雖不被吸收，但隨著宇宙膨脹迅速減弱.在目前變得極其微弱、無法直接探測(cè).然而它們會(huì)在微波背景輻射中留下印跡，使輻射偏振形成螺旋狀的特殊形態(tài).引力波是一種張量波，它的偏振正是B模偏振.宇宙微波背景B模偏振的存在，證明可能存在原初引力波，從而證明宇宙大爆炸之初確實(shí)存在一段“暴漲”時(shí)期.但是在南極BICEP2望遠(yuǎn)鏡科學(xué)家公布成果后不久，其他科學(xué)家質(zhì)疑數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.最終BICEP2團(tuán)隊(duì)承認(rèn)了觀測(cè)可能存在誤差，誤差可能來自銀河系磁場(chǎng)與塵埃之間的相互作用.當(dāng)然，這些結(jié)論還需要進(jìn)一步旁證[3].

《相對(duì)論》是20世紀(jì)物理學(xué)兩項(xiàng)最偉大的成就之一.其實(shí)，《相對(duì)論》不但對(duì)高科技，乃至日常生活都產(chǎn)生愈來愈大的影響.試看微觀世界中，《粒子物理》的研究和發(fā)現(xiàn);宏觀世界中，核彈和核能發(fā)電的研究和實(shí)踐；宇觀世界中，《天體物理》和《近代宇宙學(xué)》的進(jìn)展和新發(fā)現(xiàn)，都離不開相對(duì)論的理論基礎(chǔ).而且目前國(guó)防和交通系統(tǒng)，乃至許多智能手機(jī)上安裝有的全球(衛(wèi)星)定位系統(tǒng)GPS，都因相對(duì)論效應(yīng)使衛(wèi)星鐘和地面鐘快慢不一，要隨時(shí)修正才有實(shí)用意義[4].正是：

尋尋覓覓千萬遍，

上窮碧落下黃泉，

驀然回首驚發(fā)現(xiàn)，

竟然就在你身邊！

相對(duì)論不僅僅是一個(gè)物理理論，它已經(jīng)深深地融入人類文化中.它催生了那么多理論和應(yīng)用的成果，又給小說和電影帶來那么多靈感和素材，它還可以變成詩歌！最近熱播的美國(guó)科幻大片《星際穿越(Interstellar)》就十分感人.

中山大學(xué)一位2011屆物理系本科畢業(yè)(現(xiàn)在香港讀博士學(xué)位)的學(xué)生看了影片以后表示,“以前學(xué)習(xí)time dilation(時(shí)間膨脹)時(shí)，更多是感嘆它的神奇，從來沒想到它會(huì)帶來那么大的情感沖擊.我記得在電影中，包括庫帕在內(nèi)的幾位宇航員去了第一顆行星，呆了幾個(gè)小時(shí)，回到飛船上時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)已經(jīng)過去23年！在飛船上看到遠(yuǎn)在地球的兒子發(fā)來的視頻片段時(shí)，人生的酸甜苦辣，盡在倏忽之間，讓人無限動(dòng)容.”……“您的第三首詩[2]，再次激起了我內(nèi)心那份感動(dòng).詩中提到的‘驚險(xiǎn)歷盡回歸日,女兒垂老已臨終’，一樣讓人淚珠打轉(zhuǎn).一個(gè)物理理論，竟然可以帶給人感情的體驗(yàn)，親情父愛的體驗(yàn)，對(duì)我來說，真的很神奇！”

北京大學(xué)知名教授趙凱華指出：在西方世界中，普遍認(rèn)為不知道莎士比亞的人是沒有教養(yǎng)的，這當(dāng)然是就文化素質(zhì)而言.近來有不少學(xué)者認(rèn)為，不知道牛頓的人亦應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是沒有教養(yǎng)的，起碼從科學(xué)素質(zhì)角度來看是這樣.因?yàn)樵诋?dāng)今的現(xiàn)代化社會(huì)中，牛頓力學(xué)無處不在.

上面舉出莎士比亞和牛頓這兩位典型人物，無非是用他們代表文化素質(zhì)和科學(xué)素質(zhì)兩個(gè)方面，意在說明要建成一個(gè)現(xiàn)代化的社會(huì)，必須普遍提高人們的文化和科學(xué)素質(zhì).

最后，我想用前蘇聯(lián)詩人馬雅可夫斯基在影響幾代人的科普期刊《知識(shí)就是力量》創(chuàng)刊號(hào)中寫的幾句詩，來結(jié)束本文：

如果

你想忘記

憂悶和懶惰

自己就要知道

地球上在做些什么

天空中發(fā)生些什么

……

參 考 文 獻(xiàn)

1羅蔚茵, 趙凱華.哪一個(gè)鐘慢了？大學(xué)物理,2001(4),15

2S. LIEBES, Gravitational Lenses, PHYS. REV.,1964,(Vol.133,No.3B),B835

3http://www.spacetelescope.org/news/html/heic0803.html

4可參看百度搜索“BICEP2望遠(yuǎn)鏡”的有關(guān)網(wǎng)頁.

5鄭慶璋，羅蔚茵.全球定位系統(tǒng)GPS的相對(duì)論修正.物理通報(bào)，2011(8):6～8

6鄭慶璋，羅蔚茵.詩三首.中大老園丁，2015(1):54

短文薈萃