相對論改變百年

盡管大多數人至今還不知道相對論究竟是怎么回事，但事實上，它早就深刻地影響到整個人類社會，直接或間接地影響了我們每一個人。

1919年，阿爾伯特·愛因斯坦(1879～1955)在與兒子埃德瓦的談話中說：“當一只甲蟲在一根彎曲的樹枝上爬行的時候，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。”

愛因斯坦的這一覺察，在其后近100年中改變了整個世界，并且，這種改變現在還在繼續。

2005年是愛因斯坦作出關鍵性科學發現100周年，國際純粹與應用物理聯合會邀請聯合國教科文組織，與世界各國、包括發展中國家的物理學會和團體一道，組織活動慶祝2005國際物理年。

1月13日，在巴黎召開的國際物理年發起會議上，國際物理年在全球正式啟動。隨后，1月19日，德國總理施羅德也宣布本國的“愛因斯坦年”(德、英等國把國際物理年直接命名為“愛因斯坦年”)開始。施羅德稱贊愛因斯坦“用他的思想給科學帶來了徹底變革，并改變了世界”。

“100年前，近代世界最著名科學家阿爾伯特·愛因斯坦發表了具有劃時代意義的5篇物理學論文，奠定了相對論的基礎，并且為量子理論的發展做出了重要貢獻。原子能、晶體管、計算機、激光、納米材料、宇宙飛船、生命科學等20世紀的重大發明，都是由愛因斯坦開創的近代物理學的結晶。”在珠海閉幕的“2005年理論物理研討會”上，中國理論物理學家吳式樞院士、張宗燁院士等人給予愛因斯坦和他的理論如此評價。

顛覆傳統的時空觀

在愛因斯坦為數眾多的貢獻中，一直抓住公眾想像力的就是一個詞：相對論。狹義相對論產生于愛因斯坦26歲那年。但事實上，這個思想并不是那一年突然在他大腦里面產生的，而是經過了長時間的醞釀。

當和愛因斯坦一般年紀的大多數男孩子在追女生的時候，他卻在夢想著一個“追光試驗”。那時他大約16歲，他意識到，如果他能跑得足夠快追上光的話，那么一束光對于他來說就成了一個凍結在時間里面的電磁場?！暗?，那樣的事情是不可能存在的！”愛因斯坦說。十年之后，這一見識發展成為狹義相對論。在愛因斯坦之前，牛頓經典力學經過幾百年的發展，被一些人認為已經臻于完美，以至于當時有一個科學家說：“現在，后世物理學家可做的事情已經不多了?！比欢?9世紀末，臻于完美的物理學殿堂上空出現了兩朵“烏云”：邁克爾遜-莫雷實驗尋找絕對參考系“以太”遭到了失??；“黑體輻射”現象無法用經典理論解釋。

于是，1905年，德國《物理學年鑒》刊登了一系列論文，以不到70頁的篇幅解答第一個謎：我們不需要“以太”，自然界根本不存在絕對靜止的參考系。論文徹底顛覆了我們以往的時空觀。論文的作者是一位名不見經傳的年輕人26歲的愛因斯坦。

在1905年之前，物理學家相信空間是一個寬廣的舞臺，在這個展現著宇宙戲劇的舞臺上，時間對于所有的演員而言都在以同樣的速度“滴答滴答”地流逝著。

狹義相對論否定了所有的這一切。它用一個簡單的“時空”代替了作為獨特實體的空間和時間，而“時空”這個概念，對于彼此相對運動著的觀察者而言看上去是不同的——也就是說，對于坐在地面上的一個人和坐著飛機旅行的另一個人，時間的流逝速度完全不同。

“絕對”的相對論

中國科學院理論物理研究所研究員、博士生導師張元仲在接受本刊采訪時說，事實上，相對論作為一種新的哲學，已經徹底顛覆了牛頓力學的時空觀。在應用上，牛頓力學可以在普通宏觀低速的情況下作為一種近似計算而運用，但在概念上，牛頓力學對客觀世界的描述實際上已經是一種錯誤。

相對論中，“相對”指的是宇宙中不存在絕對靜止的參考系。作為一種理論，相對論的很多結論在表述上都是很“絕對”的，甚至于絕對到了讓很多“科學”幻想者絕望的地步。

首先，相對論指出真空中的光速是不可超越的。在牛頓力學里面，速度可以沒有上限，而現在，30萬公里/秒成為了我們宇宙中的速度極限。這讓很多科幻迷感到不舒服：它讓我們乘宇宙飛船作星際旅行的愿望幾乎不可能實現。

并且，對于任何人(無論你是靜坐在地球上還是乘飛船在作高速旅行)而言，測量一束光相對于你的速度都將得到同樣的答案——真空中的一束光對于任何參考系都是以30萬公里/秒的速度前進。

其次，時間不能獨立于空間而存在，“時空”是完全一體的。

還有就是，質量和能量存在密不可分的關系即質能關系，E=mc2成為了有史以來最偉大的公式。

實際上，愛因斯坦非常喜歡那種能夠“絕對準確”地描述物質運動客觀規律的理論。也因此，對于20世紀發展起來的另一個重要理論體系——量子力學，盡管他也是奠基人之一，愛因斯坦卻因為它的概率論(認為微觀世界存在“不確定性”)的性質而感到沮喪，他執著地認為“上帝不會擲骰子”，物質的運動狀態應該是確定的。

廣義相對論指引天文學

現代天文學又被稱作相對論天文學，那是因為整個現代天文學系統各個領域的發展都必須依靠相對論作為理論工具，主要依靠的是廣義相對論。

在1905年創立狹義相對論之后，愛因斯坦開始考慮在時空中加入引力的情況。與數學家合作，經過10年的努力，1916年他創立了廣義相對論。20世紀發展出的兩大物理學基本理論體系中，可以說，量子力學是包括愛因斯坦在內的眾多科學家共同努力的結果，而狹義相對論整個體系，幾乎是憑借愛因斯坦一個人的力量構建起來的。

據國家天文臺研究員李競介紹，在狹義相對論出現之前，天文學更多地集中于觀測，和理論物理沒有多少關系。當狹義相對論剛出來的時候，天文學家覺得這是電動力學的事，跟天文掛不上邊。但到了1915年廣義相對論誕生之后，由于它的表述用到了極其深奧的數學工具，絕大多數天文學家又根本看不懂它，更不用說是去理解它。這就是廣義相對論出來之初和者極寡的原因所在。也因此，在1929年之前，相對論并沒有對天文學的發展起到什么作用。但在1929年之前，用牛頓力學解釋天文學觀測結果的方法已經出現了危機。最先的陰影就是水星的進動，即天文學家用牛頓力學計算得到的水星運行軌跡和實際觀測的結果不符。一開始人們以為存在一顆水內行星，甚至已經為它起好了名字“祝融星”。于是大家用望遠鏡去尋找它，由于旁邊存在太過明亮的太陽，尋找水內行星是很艱難的一件事。天文學家為此吃盡了苦頭，也沒有找到這顆實際上并不存在的“祝融星”。

當愛因斯坦用他的廣義相對論來對水星的運行軌跡進行計算時，他發現，由于水星的運行速度太快，已經必須考慮其相對論效應，牛頓力學已經不適應對它進行描述。相對論很好地解釋了水星的進動現象。重新認識宇宙

隨后愛因斯坦試著用廣義相對論來考察宇宙，得到了同用牛頓力學計算完全不同的結果：當恒星的運行速度達到接近光速、相互距離達到上億光年時，牛頓力學已經無法下手。從大尺度考察宇宙，得到的結果是宇宙不可能穩定。這遠遠超出了牛頓力學的計算范圍。相對論得到了與牛頓力學指導下的經典宇宙觀完全不同的動態宇宙。

進一步研究將得到令牛頓時期無法想像的一個結論：動態宇宙必然有著起源、演化和未來。也就是說，我們的宇宙和時間有一個起點，并且也不一定是永恒的。這成了20世紀、也是有史以來人類對客觀世界認識的最大改變。從此，相對論和天文學中的最后一個領域——宇宙學——相結合，指導了現代天文學近百年的發展，指導了今天人類對宇宙的認識。

“今天我們觀測哪顆恒星或者類星體離我們多遠、談論暗物質和暗能量、黑洞等等，所有的一切都離不開相對論。”李競說，“愛因斯坦為我們建立了一個很好的框架，沿著他給出的道路，后世的科學家在不同的領域里進一步認識我們的這個世界。”

重審狹義相對論

相對論迫使我們接受新的空間和時間、物質和能量的概念，這個理論在數學上直截了當，但是聽上去卻是超現實主義的，因此盡管狹義相對論已經深入現代物理學的每一個角落，還是有那么多人努力地試圖證明它是錯誤的。原因有很多。哈佛大學的Gerald Gabrielse說：“如果我們發現可以推翻愛因斯坦理論的東西，將其應用到物理學中，將影響到我們在各方面對宇宙結構的理解?！逼渲幸恍┤讼Ｍ茉谙鄬φ摰年P鍵組成部分中發現微妙的缺點——這些缺點，或許能將物理學領入比愛因斯坦所開辟的更加陌生的領域。這個人群的數目還在不斷增長。

另一方面，如同19世紀末一樣，一些粒子理論學家開始感覺到，如果相對論一直正確下去，對于現代物理學家而言，“剩下的就沒有多少可以做的了”。馬薩諸塞技術學院的理論物理學家Roman Jackiw說，粒子理論學家現在只有一點點新鮮和具有挑戰性的數據可以咀嚼。

物理學家們現在用巨大的粒子加速器加速粒子，期望它能突破光速，從而推翻狹義相對論。他們甚至重復1887年完成的著名的邁克爾遜-莫雷實驗，期望發現“以太”一樣的東西。最有名的是一種被稱為“背景場”的理論，“背景場”類似于一個絕對的參考系“以太”。但正如邁克爾遜和莫雷沒有抓到任何“以太”的氣息一樣，現代實驗者們經過多年的反復努力，也沒有發現任何存在“背景場”的蛛絲馬跡。盡管有這樣那樣的努力，狹義相對論迄今為止還是紋絲未動。

人們依然對相對論不理解

更多質疑相對論的人，并不是因為希望在相對論基礎上進一步發展，而是因為牛頓力學更深入人心，并且，相對論的很多結論和我們的日常經驗并不一致，他們從心底里不能接受——因此想重新回到牛頓力學時代。

張元仲從上世紀70年代開始，一直在執行一項特殊的任務：回答難以計數的、來自全國各地的質疑相對論的信件。張元仲告訴本刊記者：“他們提出的問題全部都可以在相對論范圍內得到解決。他們之所以認為相對論出現問題，全都是在思考問題過程中，某一環節又回到了牛頓力學的思維?！?/p>

愛因斯坦給今天的人們留下了太多的遺產。相對論和量子論為20世紀物理學的發展奠定了基礎。回顧上個世紀，物理學在半導體、集成電路、激光、磁性、超導等方面的發現是信息革命的科學基礎，由物理學研究衍生的新技術和新產品深刻地改變了人們的生產方式和生活方式。它還為生物、醫療、地學、農業提供了強大的探測手段和研究方法，促進了化學、天文、材料、能源、信息等學科的發展。

當然，愛因斯坦的遺產，還包括那為數眾多的、繼承了他衣缽的物理學家。