《相對論》與高科技及我們的日常生活——紀念廣義相對論建立100周年暨狹義相對論建立110周年

《相對論》與高科技及我們的日常生活
——紀念廣義相對論建立100周年暨狹義相對論建立110周年

鄭慶璋羅蔚茵①

(中山大學物理系廣東 廣州510275)

羅蔚茵(1938-)，女，教授，主要從事物理教學和相對論天體物理研究.曾任教育部教學指導委員會委員、中國物理學會教學委員會副主任.

摘 要：本文把有關《相對論》的入門梗概和意義作了簡要的介紹，并指出它與我們的密切關系.

關鍵詞：相對論 入門梗概 科學素質

作者簡介：①鄭慶璋(1933-)，男，教授，多年從事基礎物理和理論物理教學及指導碩士生學習.主要從事引力波探測和相對論天體物理研究.

收稿日期：(2015-05-15)

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

此外還要注意，《相對論》中的“相對”，不是觀察者個體的相對，而是作為描述物質運動基礎的“參考系”的相對.否則，所得到的結論就會“公說公有理，婆說婆有理”的那樣沒有客觀標準了.例如，你從廣州乘車赴中山大學珠海校區，你會看到路旁的樹木往后退，但你也會看到遠離的建筑物(如廣州塔)卻和你一樣往前走.難道你因此就能得出結論“樹木相對車往后運動，廣州塔相對車往前運動”嗎？顯然不對，因為車和你最后都到了珠海，而樹木和廣州塔卻仍然留在廣州.可見樹木和廣州塔相對的是車和與之相聯的空間——參考系的向后運動.

相對論的另一個重要推論是“同時”的相對性.即在一個參考系中不同地點同時發生的兩件事，在另一個相對運動的參考系中就會觀測到不是同時發生的.譬如說你在廣州早上7點整醒來，此刻北京鐘也是指在7點整嗎？你怎樣確定這兩個異地事件(廣州鐘7點整和北京鐘7點整)是同時發生的？你也許毫不猶疑地回答，這還不簡單，把兩地的鐘對準了不就成了嗎.例如可以打開中央廣播電臺整點報時節目，待“嘟、嘟…嘀！”最后一響對準廣州的鐘7點整.這在日常生活中沒有問題，但在相對論里就不行了.因為從北京發報時刻至廣州接收到信號期間，電磁波已傳播過2×103km(2 000 km)的距離，需耗時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，當我們把廣州鐘7點整和北京鐘7點整這兩個異地事件調校到“同時”發生，在另一高速運動參考系觀測，由于存在尺縮、時緩和光速不變等效應，這兩個事件就不再是同時發生的了[1].

目前科技已經發展到如此高的水平，以致不但過去不能驗證的相對論預言能夠實現，而且還有許多新發現和新驗證.當今蓬勃發展的“天體物理”和“現代宇宙學”，都無不建立在相對論的理論基礎上，而且取得了很大的進展和成果.例如，1961年彭齊亞斯(A. A. Penzias)和威爾遜(R. R. Wilson)發現了宇宙微波背景輻射，因而獲得了1978年諾貝爾物理學獎.1968年休伊什(A. Hewish)發現了脈沖星，因此獲得了1974年諾貝爾物理學獎，等等.

20世紀30年代，愛因斯坦曾預言存在引力透鏡現象，即巨大的天體可以使經過它附近的光線偏轉，因而觀測者有可能觀測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，則愛因斯坦的計算指出，如果天體物與觀測者的連線與觀測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增大,特別是當連線重合時，將觀測到一個圍繞引力透鏡的光環[2]，稱為“愛因斯坦環”.然而，在當時所能觀測到的宇宙范圍內，要滿足愛因斯坦條件實際上是不可能的.

20世紀60年代以后，發現了大量光度很強、離地球很遠的“類星體”，使人類觀測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)等人發現了第一個引力透鏡成像事例，以后又陸續發現更多的引力透鏡所成的星像.特別是20世紀太空哈勃望遠鏡上天后，能觀測擴展到遠離10萬億光年以上的天體，人類可觀測宇宙中的天體數目大量增加，滿足愛因斯坦條件的天體數目就更多.果然，近年美國航空航天局(NASA)公布了不少拍攝到的“愛因斯坦環”(如圖 1所示)和許多其他引力透鏡所成的星像照片[3].

圖1　愛因斯坦環照片

至于探測引力波的問題，我國在80年代中所建立的室溫共振型天線，已達到當時國際同類型天線的先進水平，但其靈敏度還遠遠未達到探測預期的引力波要求.為進一步提高天線的靈敏度，必須在超低溫的條件下，建立超大規模的邁克爾孫干涉儀型的引力波天線，而這是要耗費巨額資金的(據說美國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)，在當時的條件下我們辦不到.

正當人工探測引力波遇到困難時，太空中卻傳來好消息.1974年，霍爾斯(R. A. Hulse)和泰勒(J. H. Taylor)發現脈沖雙星PSR1913+16的自轉周期變慢，經過長期的觀測，證實這是對廣義相對論關于引力波預言的一個最精確的檢測，他們因此獲得了1993年的諾貝爾物理學獎.

2014年3月17日，哈佛大學史密森天體物理學中心宣布一個轟動全球科技界的消息，位于南極洲的BICEP2望遠鏡，在宇宙微波背景輻射中觀測到B模式偏振.這一發現意味著在宇宙大爆炸的最初一瞬間可能出現非常強烈的“暴漲”，從而激發強烈的引力波.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.然而它們會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.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存在一段“暴漲”時期.但是在南極BICEP2望遠鏡科學家公布成果后不久，其他科學家質疑數據的準確性.最終BICEP2團隊承認了觀測可能存在誤差，誤差可能來自銀河系磁場與塵埃之間的相互作用.當然，這些結論還需要進一步旁證[3].

《相對論》是20世紀物理學兩項最偉大的成就之一.其實，《相對論》不但對高科技，乃至日常生活都產生愈來愈大的影響.試看微觀世界中，《粒子物理》的研究和發現;宏觀世界中，核彈和核能發電的研究和實踐；宇觀世界中，《天體物理》和《近代宇宙學》的進展和新發現，都離不開相對論的理論基礎.而且目前國防和交通系統，乃至許多智能手機上安裝有的全球(衛星)定位系統GPS，都因相對論效應使衛星鐘和地面鐘快慢不一，要隨時修正才有實用意義[4].正是：

尋尋覓覓千萬遍，

上窮碧落下黃泉，

驀然回首驚發現，

竟然就在你身邊！

相對論不僅僅是一個物理理論，它已經深深地融入人類文化中.它催生了那么多理論和應用的成果，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！最近熱播的美國科幻大片《星際穿越(Interstellar)》就十分感人.

中山大學一位2011屆物理系本科畢業(現在香港讀博士學位)的學生看了影片以后表示,“以前學習time dilation(時間膨脹)時，更多是感嘆它的神奇，從來沒想到它會帶來那么大的情感沖擊.我記得在電影中，包括庫帕在內的幾位宇航員去了第一顆行星，呆了幾個小時，回到飛船上時，卻發現已經過去23年！在飛船上看到遠在地球的兒子發來的視頻片段時，人生的酸甜苦辣，盡在倏忽之間，讓人無限動容.”……“您的第三首詩[2]，再次激起了我內心那份感動.詩中提到的‘驚險歷盡回歸日,女兒垂老已臨終’，一樣讓人淚珠打轉.一個物理理論，竟然可以帶給人感情的體驗，親情父愛的體驗，對我來說，真的很神奇！”

北京大學知名教授趙凱華指出：在西方世界中，普遍認為不知道莎士比亞的人是沒有教養的，這當然是就文化素質而言.近來有不少學者認為，不知道牛頓的人亦應當認為是沒有教養的，起碼從科學素質角度來看是這樣.因為在當今的現代化社會中，牛頓力學無處不在.

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和科學素質兩個方面，意在說明要建成一個現代化的社會，必須普遍提高人們的文化和科學素質.

最后，我想用前蘇聯詩人馬雅可夫斯基在影響幾代人的科普期刊《知識就是力量》創刊號中寫的幾句詩，來結束本文：

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

天空中發生些什么

……

參 考 文 獻

1羅蔚茵, 趙凱華.哪一個鐘慢了？大學物理,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望遠鏡”的有關網頁.

5鄭慶璋，羅蔚茵.全球定位系統GPS的相對論修正.物理通報，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