相對論改變世界100年

顏慧

愛因斯坦提出相對論距今已經整整100周年了，它經受了實踐和歷史的考驗，是人們普遍承認的真理。相對論對于人類思想的發展、科學與技術的諸多變革、對我們的生活都產生了巨大影響。

人類以新的視野觀察和認識世界

相對論是研究時間、空間、運動這三者關系的理論體系的總稱，它是這100多年來人類最偉大的兩個理論之一（另一個偉大理論是量子力學）。相對論的偉大是不足以用諾貝爾物理學獎來評價的。如果真有一個上帝的話，上帝過去總是說：“人類一思考，上帝就發笑。”相對論誕生之后，上帝改口了：“人類一思考，上帝就發慌。”

相對論是關于時空和引力的基本理論，依據研究的對象不同，分為狹義相對論和廣義相對論。相對論從邏輯思想上統一了經典物理學，使經典物理學成為一個完美的科學體系。狹義相對論在狹義相對性原理的基礎上統一了牛頓力學和麥克斯韋動力學兩個體系，指出它們都服從狹義相對性原理，都是對洛倫茲變換協變的，牛頓力學只不過是物體在低速運動下很好的近似規律。廣義相對論又在廣義協變的基礎上，通過等效原理，建立了局域慣性場與普遍參照系數的問題，從邏輯上得到了合理的安排。相對論嚴格考察了時間、空間、物質和運動這些物理學的基本概念，給出了科學而系統的時空觀和物質觀，從而使物理學在邏輯上成為完美的科學體系。

狹義相對論給出了物體在高速運動下的運動規律，并提示了質量與能量相當，著名的質能關系式，即E=MC2，可以用來計算核反應過程中所釋放的能量，并導致了原子彈的誕生。廣義相對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，相對論宇宙學進一步發展，而引力波物理、致密天體物理和黑洞物理這些屬于相對論天體物理學的分支學科都有一定的進展，吸引了許多科學家為之奮斗。

相對論極大地改變了人類對宇宙和自然的“常識性”觀念，提出了“同時的相對性”“四維時空”“彎曲時空”等全新的概念。它發展了牛頓力學，推動物理學發展到一個新的高度。一位法國物理學家曾經這樣評價愛因斯坦：“在我們這一時代的物理學家中，愛因斯坦將位于最前列。他現在是、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，因為他對于科學的貢獻，將更加深入地進入人類思想基本要領的結構中。”

對稱性原理對物理學研究有著十分重要的指導意義，愛因斯坦最善于應用這一原理，整個相對論都是在此基礎上建立起來的。特別是在建立廣義相對論的過程中，愛因斯坦還對原理做了創造性發展。過去是實驗→方程→對稱性，但愛因斯坦認為“這個鏈很有趣，如果從洛倫茲對稱性以外的對稱性出發，推導出方程，再利用它進行實驗，不是更好嗎”？愛因斯坦成功地實現了這個關系的倒置。他所說的這種新的對稱性就是引力場方程在非歐幾里德空間的協變。

相對論的建立也把化學和生物學推向了新的高峰。19世紀末，化學領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世紀物理學的這場革命，從根本上改變了化學的基本概念，并使之獲得了很多新的研究方法。由物理學家開創的化學鍵理論，X射線衍射法的運用，推動了結構化學的發展。20世紀后的化學，主要通過研究電子在分子和原子中的分布和運動，由此更深刻地揭示物質的性質和化學變化的規律。

分子生物學創立于20世紀50年代，物理學對其形成和發展產生了舉足輕重的作用。X射線衍射方法的運用使生物大分子晶體結構分析成為可能。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革命”。該書在運用統計物理的概念分析生命現象后指出，生命物質的運動必然服從已知的物理學定律。這啟發了人們用物理學的思想和方法探討生命物質運動的規律。

科技和社會產生了諸多變革

100年前，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世紀重大的發明，都是由愛因斯坦開創的近代物理學的結晶。

相對論和量子力學的建立使人類進入到信息時代。固體物理已有幾個世紀的歷史，直到20世紀初，由于X射線衍射的發現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30年代后，量子力學使它成為一門研究固體多種物理性質、微觀結構及其內部運動規律的學科。近年來，固體物理的研究對象由晶體擴展到非晶體和物體的表面，故更名為凝聚態物理學。半導體材料、磁性材料、納米材料等是它研究的主要對象，這為計算機的誕生和發展奠定了科學和技術基礎。

電路板

信息革命始于20世紀40年代，以計算機問世為標志，目前方興未艾。從1904年發明二極管起，到1946年世界上第一臺電子管計算機研制成功為止，是信息技術史上的“電子管時期”。1947年隨著半導體晶體管的問世，信息技術史進入了“晶體管時期”。此后，集成電路的發明打破了電路與元件分離的傳統觀念，使電子設備微型化。經過大規模集成電路階段后，超大規模集成電路又在迅猛發展。而計算機就是由這些物理元件組成的信息處理器。以激光器發明為標志的光電子技術，使信息技術上了一個新臺階。因為采用光子作為信息載體，其響應速度比電子快3個數量級，也不存在電磁串擾等。待到光子集成電路問世后，計算機的發展將更迅速，應用前景將更廣闊。前兩次工業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。海灣戰爭、科索沃戰爭和伊拉克戰爭就是最有力的證明。

20世紀初愛因斯坦相對論開啟的科技革命和20世紀六七十年代開始的高科技時代，對人類思想文化的影響更是震撼性的。以網絡信息技術為例，我們由此可窺一斑而知全豹。由于數字技術的應用，人類從觀念到生活方式都發生了天翻地覆的變化。可以說，計算機、信息網絡技術影響到了當今思想文化的每個角落。姑且不說數字技術改變了幾百年來鉛與火的印刷，上千年筆與紙的書寫，現在文化的交流、知識信息的傳播，甚至到了動一下指頭，點擊上網即可實現的地步。這與以前關山隔阻，需飛越千山萬水，克服重重困難才能達到目的的情況相比，簡直有天壤之別。

相對論與我們的生活息息相關

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的生活。1919年，愛因斯坦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。

GPS導航系統現在已經是一個滿大街都可以看到的常用小電器了，可能每個司機都有一個車載的導航系統，或者手機里裝有一個導航軟件。如果沒有相對論，那么導航系統就會出大問題。愛因斯坦指出：“傳統的時間概念只能在簡單的條件下才能確定，當多種因素暫時聯系起來的時候，傳統的計時方法就會失去作用。”因為根據相對論，衛星上的時鐘會比地面上的時鐘走得快，每天大約快38微秒（0.000038秒），如果不校正的話，GPS導航系統每天積累的誤差將超過10千米（這個誤差是垂直方向上的，不是水平方向上的），如果美軍用這個來導航導彈的話，那麻煩就大了。因此，在GPS衛星發射前，要先把其時鐘的走動頻率調慢100億分之4.465，把10.23兆赫調為10.22999999543兆赫，這些數字全靠有了相對論才能那么精確地計算出來。

相對論在我們日常生活中的應用還遠不止這些。衛星上的時間變快只不過是相對論無數推論中的一個，我們通過相對論還可以精確地計算衛星上的時鐘和地面上的時鐘的誤差到底是多少。相對論還有很多很多的推論，小到推測水星的運行軌道、在發生日全食時星星的位置，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，在醫院的放射治療部，多數設有一臺粒子加速器，產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經典的例子。由于粒子運動的速度相當接近光速，故粒子加速器的設計和使用必須考慮相對論效應。過渡金屬如鉑的內層電子，運行速度極快，因此在設計或研究新型的催化劑時，就需要考慮相對論對電子軌態能級的影響。

【責任編輯】林 ?京