相對論有什么用

《認知迭代在復雜世界中找到正確思考的邏輯》

冷哲 著

江西教育出版社出版

1854年，黎曼提出了黎曼幾何的初步設想。1905年，愛因斯坦發表狹義相對論。1912年，羅伯特·戈達德開始研究火箭。1916年，愛因斯坦發表廣義相對論，其中使用黎曼幾何作為核心數學工具。1957年，第一枚人造衛星 Sputnik 1發射成功。1959年，第一個衛星定位系統Transit開始研發。1960年測試成功。1967年， Timation衛星系統將原子鐘帶上太空。1973年，美國決定研發全球衛星定位系統。1978年，第一顆GPS衛星發射成功。

在研發GPS衛星時，學者發現，根據愛因斯坦于1905年發表的狹義相對論，由于運動速度的關系，衛星上的原子鐘每一天會比地面上的原子鐘慢7微秒，而根據1916年發表的廣義相對論，由于在重力場中不同位置的關系，衛星上的原子鐘會比地面上的原子鐘每天快45微秒。兩者綜合，GPS衛星上的原子鐘每天會比地面快38微秒。由于GPS依靠間隔時間為20～30納秒的時鐘脈沖信號進行計算和定位，如果不對時間進行校準，定位位置將發生漂移。每天漂移距離約為10千米。

沒有相對論，就沒有全球衛星定位系統。

那么站在1905年或1916年，人們能夠想象相對論有什么用嗎？站在1854年，人們恐怕也無法想象黎曼幾何能有什么應用。

即便在1978年的時候，美國研發GPS的目的也不過是給自己的導彈、核潛艇等進行定位。1983年大韓航空007航班誤入蘇聯領空被擊落。美國總統里根宣布GPS將向民眾開放，以防止類似悲劇再次發生。1989年第一顆新一代的GPS衛星發射，1994年24顆GPS衛星全部入軌。我們今天開車必備的衛星導航，在1905年的時候連科幻小說作家都想象不出來。

當我們今天對著手機說“幫我找一家附近評價最高的川菜館”的時候，這背后牽扯了多少純理論呢？微積分、黎曼幾何、復變函數、概率論、相對論、電學、光學、有機化學、無機化學……

每一樣理論，在其誕生之時，我們都想不到其對今日日常生活的作用。

總而言之，理科與工科是不同的。

理科的目的在于探索這個世界的規律，而這些規律該如何得到應用，這是工科的事情。工科的主要工作就是用理科發現的理論、規律來解決人類社會中需要解決的問題（當然，工科在此過程中也發展出更多的對世界規律的認識）。

理科成果的用處，極少會像工科那樣明顯。理科應該是超前于時代的。如果理科不能超前于時代，那是這個時代的悲哀。

理科的研究總是艱難的、緩慢的。正因為如此，我們才應該堅持不懈地進行投入，不斷推進人類的認知邊界。

如果工科在解決實際問題時才發現理科的理論不能夠支持，這時候才去投錢到理科去研究相關的問題，那么相關問題的解決恐怕就要往后拖延幾十年，這將極大地阻礙人類社會的進步。當然，很多領域我們之前沒有意識到有問題需要解決，等到意識到了，才發現有一些客觀規律我們還沒有掌握，這才開始進行研究。但如果我們能預先探索這些方面，顯然對人類社會的發展會更為有利。

如果我們要盡量保證現有理論能夠解決現有問題，那么就需要保證理科領先于整個社會。

因此，今天最前沿的理科研究，其第一次應用往往在幾十年甚至上百年之后，它的應用形式很可能是我們現在難以想象的。

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