楠木軒

相對論與我們的生活息息相關嗎,這個理論是如何“改變”世界的?

由 弓四清 發佈於 科技

愛因斯坦提出相對論至今已有100多年的歷史。它經受住了實踐和歷史的考驗,是人們普遍認可的真理。相對論對人類思想的發展、科學技術的變革和我們的生活都產生了巨大的影響。


人類以新的視野觀察和認識世界

相對論是研究時間、空間和運動之間關係的理論體系的總稱。它是過去100年來人類最偉大的兩大理論之一(另一個偉大的理論是量子力學)。諾貝爾獎不足以評價偉大的物理學。如果真有上帝,上帝常説:“人類思考時,上帝會笑。”相對論誕生後,上帝改變了他的話:“人思考時,上帝就會驚慌失措。”


相對論是關於時空和引力的基本理論。根據研究對象的不同,可以分為狹義相對論和廣義相對論。相對論在邏輯上統一了經典物理學,使之成為一個完善的科學體系。狹義相對論以狹義相對論為基礎,將牛頓力學和麥克斯韋動力學兩大體系統一起來。指出二者均服從狹義相對論原理,與洛倫茲變換協變。

牛頓力學只是低速運動物體的一個很好的近似定律。廣義相對論在廣義協方差的基礎上,通過邏輯安排的等價原理,建立了局部慣性場和普遍參考系數問題。相對論嚴格地研究了時間、空間、物質和運動的基本概念,對時間、空間和物質給出了科學而系統的觀點,使物理學在邏輯上成為一個完美的科學體系。


狹義相對論給出了物體高速運動的運動規律,並提出質量和能量是等價的。著名的質能關係e=MC2,可以用來計算核反應過程中釋放的能量,從而導致原子彈的誕生。廣義相對論建立了一個完善的引力理論,主要涉及天體。到目前為止,相對論宇宙學得到了進一步的發展,屬於相對論天體物理學分支的引力波物理、稠密天體物理學和黑洞物理也取得了一些進展,吸引了許多科學家為之奮鬥。

相對論極大地改變了人類對宇宙和自然的“常識”概念,提出了“同時相對論”、“4維時空”、“彎曲時空”等新概念。它發展了牛頓力學,把物理學提升到了一個新的高度。一位法國物理學家曾這樣評價愛因斯坦:“愛因斯坦將站在我們這個時代物理學家的前列。他現在是,將來也將是人類宇宙中最耀眼的恆星之一。”在我看來,他可能比牛頓更偉大,因為他對科學的貢獻將深入到人類思想基本要素的結構中。”


對稱性原理對物理學的研究具有非常重要的指導意義。愛因斯坦最善於運用這一原理,整個相對論就是在這個基礎上建立起來的。特別是在建立廣義相對論的過程中,愛因斯坦也對廣義相對論原理進行了創造性的發展。過去,它是實驗方程對稱,但愛因斯坦認為“這個鏈很有趣。從洛倫茲對稱性以外的對稱性推導出方程,然後用它來做實驗,不是更好嗎?愛因斯坦成功地實現了這種關係的反轉。他説新的對稱性是非歐幾里德空間中引力場方程的協方差。


相對論的建立也將化學和生物學推向了一個新的高度。19世紀末,化學界取得了巨大的成就,但也遇到了很大的困難。主要原因是“原子不可分離,元素不可改變”的觀念根深蒂固。20世紀物理學的革命從根本上改變了化學的基本概念,使化學獲得了許多新的研究方法。物理學家提出的化學鍵理論和X射線衍射的應用,促進了結構化學的發展。20世紀以後,化學主要研究電子在分子和原子中的分佈和運動,從而揭示物質的本質和化學變化的規律。

分子生物學創立於20世紀50年代,物理學對其形成和發展起着重要作用。X射線衍射的應用使分析生物大分子的晶體結構成為可能。特別是,薛定諤於1944年出版的《生命是什麼》在思想上“喚起了生物革命”。本書用統計物理學的概念分析了生命現象,指出生命物質的運動必須遵循已知的物理規律。這促使人們用物理學的思想和方法去探索生命物質的運動規律。

科技和社會產生了諸多變革


一百年前,愛因斯坦發表了五篇劃時代的物理學論文,奠定了相對論的基礎,為量子理論的發展做出了重要的貢獻。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世紀重大發明都是愛因斯坦開創的現代物理學的結晶。


隨着相對論和量子力學的建立,人類進入了信息時代。固體物理學已有幾百年的歷史。直到20世紀初,X射線衍射才被發現,並提出了金屬的自由電子理論和能帶理論。20世紀30年代以後,量子力學成為研究固體物理性質、微觀結構和內部運動的學科。近年來,固體物理學的研究對象已從晶體擴展到非晶體和物體表面,因此又改名為凝聚態物理。半導體材料、磁性材料和納米材料是其研究的主要對象,為計算機的誕生和發展奠定了科學的技術基礎。

電路板


信息革命始於20世紀40年代,以計算機的出現為標誌。從1904年二極管的發明到1946年世界上第一台電子管計算機的成功研製,是信息技術史上的“電子管時代”。隨着1947年半導體晶體管的問世,信息技術的歷史進入了晶體管時代。此後,集成電路的發明打破了傳統的電路與元器件分離的概念,使電子設備小型化。超大規模集成電路(VLSI)在經歷了大規模集成電路(LSI)階段後,得到了迅速的發展。計算機是由這些物理元素組成的信息處理機。

以激光發明為標誌的光電子技術使信息技術達到了一個新的水平。電子的速度比它的電子信息快三個數量級。隨着光子集成電路的出現,計算機的發展將更加迅速,應用前景將更加廣闊。前兩次工業革命擴大了人體的功能,而這一次工業革命擴大了人腦的功能。因此,信息革命是一場更為深刻的革命。


20世紀初,愛因斯坦的科技文化思想開始動搖。以網絡信息技術為例。由於數字技術的應用,人類的觀念和生活方式發生了巨大的變化。可以説,計算機、信息網絡技術已經影響到當今思想文化的各個角落。更不用説數碼技術已經改變了幾百年的鉛印和火印,幾千年來改變了筆和紙的書寫。現在,文化交流、知識和信息傳播甚至已經到了用手指點擊互聯網的地步。這與過去山水相連、艱難險阻的局面大不相同。

相對論與我們的生活息息相關

雖然大多數人還不知道什麼是相對論,但事實上,相對論已經直接或間接地影響了整個人類社會,影響了我們每個人的生活。1919年,愛因斯坦在與兒子埃德瓦的談話中説:“當甲蟲在彎曲的樹枝上爬行時,它不會注意到樹枝是彎曲的。我很幸運地意識到甲蟲沒有注意到的東西。”愛因斯坦的意識改變了世界將近100年,而且還在繼續變化。


GPS導航系統現在是一個常見的功能,隨處可見。也許每輛車都有汽車導航系統,幾乎所有的智能手機裏都安裝了導航模塊。如果沒有相對論,導航系統就會有大問題。


愛因斯坦指出:“傳統的時間概念只能在簡單的條件下確定。當各種因素暫時聯繫在一起時,傳統的計時方法就行不通了”,根據相對論,衞星上的時鐘會比地面上的時鐘快,每天大約快38微秒(0.000038秒)。如果不加以修正,GPS導航系統每天累積的誤差將超過10公里(這個誤差是垂直的,而不是水平的)。如果軍方用它來導航導彈,那將是一個大問題。因此,在發射GPS衞星之前,首先要將其時鐘的移動頻率降低44.65×100億分之一,並將10.23兆赫調至10.2299999543兆赫。這些數字只有用相對論才能如此精確地計算出來。

相對論在我們日常生活中的應用遠不止這些。衞星上的時間加速只是相對論無數推論之一。通過相對論,我們可以精確地計算出衞星上的時鐘和地面上的時鐘之間的誤差。相對論也有很多推論,從推測水星的軌道和日全食時恆星的位置到推斷太陽的過去和未來,甚至宇宙的過去和未來。


此外,在醫院放射科,大多有一個核磁共振機器,它能產生高能粒子,產生用於治療或放射治療的同位素。氟脱氧葡萄糖的合成就是一個典型的例子。由於粒子的速度接近光速,在設計和使用粒子加速器時必須考慮相對論效應。過渡金屬(如鉑)的內部電子運行速度很快,因此在設計或研究新型催化劑時,有必要考慮相對論性對軌道能級的影響。