《相对论》与高科技及我们的日常生活——纪念广义相对论建立100周年暨狭义相对论建立110周年

2016-01-12郑庆璋,罗蔚茵

物理通报 2015年10期

关键词：科学素质

《相对论》与高科技及我们的日常生活
——纪念广义相对论建立100周年暨狭义相对论建立110周年

郑庆璋罗蔚茵①

(中山大学物理系广东广州510275)

罗蔚茵(1938-)，女，教授，主要从事物理教学和相对论天体物理研究.曾任教育部教学指导委员会委员、中国物理学会教学委员会副主任.

摘要：本文把有关《相对论》的入门梗概和意义作了简要的介绍，并指出它与我们的密切关系.

关键词：相对论入门梗概科学素质

作者简介：①郑庆璋(1933-)，男，教授，多年从事基础物理和理论物理教学及指导硕士生学习.主要从事引力波探测和相对论天体物理研究.

收稿日期：(2015-05-15)

今年(2015年)是爱因斯坦建立广义相对论100周年暨狭义相对论建立110周年，也是联合国决定2005年为世界物理年10周年.相对论是科学理论上璀璨的瑰宝，在科技和日常生活中发挥愈来愈大的作用.

此外还要注意，《相对论》中的“相对”，不是观察者个体的相对，而是作为描述物质运动基础的“参考系”的相对.否则，所得到的结论就会“公说公有理，婆说婆有理”的那样没有客观标准了.例如，你从广州乘车赴中山大学珠海校区，你会看到路旁的树木往后退，但你也会看到远离的建筑物(如广州塔)却和你一样往前走.难道你因此就能得出结论“树木相对车往后运动，广州塔相对车往前运动”吗？显然不对，因为车和你最后都到了珠海，而树木和广州塔却仍然留在广州.可见树木和广州塔相对的是车和与之相联的空间——参考系的向后运动.

相对论的另一个重要推论是“同时”的相对性.即在一个参考系中不同地点同时发生的两件事，在另一个相对运动的参考系中就会观测到不是同时发生的.譬如说你在广州早上7点整醒来，此刻北京钟也是指在7点整吗？你怎样确定这两个异地事件(广州钟7点整和北京钟7点整)是同时发生的？你也许毫不犹疑地回答，这还不简单，把两地的钟对准了不就成了吗.例如可以打开中央广播电台整点报时节目，待“嘟、嘟…嘀！”最后一响对准广州的钟7点整.这在日常生活中没有问题，但在相对论里就不行了.因为从北京发报时刻至广州接收到信号期间，电磁波已传播过2×103km(2 000 km)的距离，需耗时7×10-3s(千分之7秒),即广州钟比北京钟滞后约7×10-3s(千分之7秒),由此可见，当我们把广州钟7点整和北京钟7点整这两个异地事件调校到“同时”发生，在另一高速运动参考系观测，由于存在尺缩、时缓和光速不变等效应，这两个事件就不再是同时发生的了[1].

目前科技已经发展到如此高的水平，以致不但过去不能验证的相对论预言能够实现，而且还有许多新发现和新验证.当今蓬勃发展的“天体物理”和“现代宇宙学”，都无不建立在相对论的理论基础上，而且取得了很大的进展和成果.例如，1961年彭齐亚斯(A. A. Penzias)和威尔逊(R. R. Wilson)发现了宇宙微波背景辐射，因而获得了1978年诺贝尔物理学奖.1968年休伊什(A. Hewish)发现了脉冲星，因此获得了1974年诺贝尔物理学奖，等等.

20世纪30年代，爱因斯坦曾预言存在引力透镜现象，即巨大的天体可以使经过它附近的光线偏转，因而观测者有可能观测到在此巨大天体后面天体所成的像.如果我们把此巨大天体称为“引力透镜”，它后面的天体称为天体物，则爱因斯坦的计算指出，如果天体物与观测者的连线与观测者和引力透镜连线间的偏角很小，例如在角毫秒以下，则引力透镜所成的像光强增大,特别是当连线重合时，将观测到一个围绕引力透镜的光环[2]，称为“爱因斯坦环”.然而，在当时所能观测到的宇宙范围内，要满足爱因斯坦条件实际上是不可能的.

20世纪60年代以后，发现了大量光度很强、离地球很远的“类星体”，使人类观测宇宙的范围大为增加，满足爱因斯坦条件的可能性增大.1979年，瓦尔什(D. Walsh)等人发现了第一个引力透镜成像事例，以后又陆续发现更多的引力透镜所成的星像.特别是20世纪太空哈勃望远镜上天后，能观测扩展到远离10万亿光年以上的天体，人类可观测宇宙中的天体数目大量增加，满足爱因斯坦条件的天体数目就更多.果然，近年美国航空航天局(NASA)公布了不少拍摄到的“爱因斯坦环”(如图 1所示)和许多其他引力透镜所成的星像照片[3].

图1　爱因斯坦环照片

至于探测引力波的问题，我国在80年代中所建立的室温共振型天线，已达到当时国际同类型天线的先进水平，但其灵敏度还远远未达到探测预期的引力波要求.为进一步提高天线的灵敏度，必须在超低温的条件下，建立超大规模的迈克尔孙干涉仪型的引力波天线，而这是要耗费巨额资金的(据说美国在华盛顿州和阿利桑拿州建立了两座该类型引力波天线，每座耗资几千万美元)，在当时的条件下我们办不到.

正当人工探测引力波遇到困难时，太空中却传来好消息.1974年，霍尔斯(R. A. Hulse)和泰勒(J. H. Taylor)发现脉冲双星PSR1913+16的自转周期变慢，经过长期的观测，证实这是对广义相对论关于引力波预言的一个最精确的检测，他们因此获得了1993年的诺贝尔物理学奖.

2014年3月17日，哈佛大学史密森天体物理学中心宣布一个轰动全球科技界的消息，位于南极洲的BICEP2望远镜，在宇宙微波背景辐射中观测到B模式偏振.这一发现意味着在宇宙大爆炸的最初一瞬间可能出现非常强烈的“暴涨”，从而激发强烈的引力波.这原初引力波在宇宙中回荡，虽不被吸收，但随着宇宙膨胀迅速减弱.在目前变得极其微弱、无法直接探测.然而它们会在微波背景辐射中留下印迹，使辐射偏振形成螺旋状的特殊形态.引力波是一种张量波，它的偏振正是B模偏振.宇宙微波背景B模偏振的存在，证明可能存在原初引力波，从而证明宇宙大爆炸之初确实存在一段“暴涨”时期.但是在南极BICEP2望远镜科学家公布成果后不久，其他科学家质疑数据的准确性.最终BICEP2团队承认了观测可能存在误差，误差可能来自银河系磁场与尘埃之间的相互作用.当然，这些结论还需要进一步旁证[3].

《相对论》是20世纪物理学两项最伟大的成就之一.其实，《相对论》不但对高科技，乃至日常生活都产生愈来愈大的影响.试看微观世界中，《粒子物理》的研究和发现;宏观世界中，核弹和核能发电的研究和实践；宇观世界中，《天体物理》和《近代宇宙学》的进展和新发现，都离不开相对论的理论基础.而且目前国防和交通系统，乃至许多智能手机上安装有的全球(卫星)定位系统GPS，都因相对论效应使卫星钟和地面钟快慢不一，要随时修正才有实用意义[4].正是：

寻寻觅觅千万遍，

上穷碧落下黄泉，

蓦然回首惊发现，

竟然就在你身边！

相对论不仅仅是一个物理理论，它已经深深地融入人类文化中.它催生了那么多理论和应用的成果，又给小说和电影带来那么多灵感和素材，它还可以变成诗歌！最近热播的美国科幻大片《星际穿越(Interstellar)》就十分感人.

中山大学一位2011届物理系本科毕业(现在香港读博士学位)的学生看了影片以后表示,“以前学习time dilation(时间膨胀)时，更多是感叹它的神奇，从来没想到它会带来那么大的情感冲击.我记得在电影中，包括库帕在内的几位宇航员去了第一颗行星，呆了几个小时，回到飞船上时，却发现已经过去23年！在飞船上看到远在地球的儿子发来的视频片段时，人生的酸甜苦辣，尽在倏忽之间，让人无限动容.”……“您的第三首诗[2]，再次激起了我内心那份感动.诗中提到的‘惊险历尽回归日,女儿垂老已临终’，一样让人泪珠打转.一个物理理论，竟然可以带给人感情的体验，亲情父爱的体验，对我来说，真的很神奇！”

北京大学知名教授赵凯华指出：在西方世界中，普遍认为不知道莎士比亚的人是没有教养的，这当然是就文化素质而言.近来有不少学者认为，不知道牛顿的人亦应当认为是没有教养的，起码从科学素质角度来看是这样.因为在当今的现代化社会中，牛顿力学无处不在.

上面举出莎士比亚和牛顿这两位典型人物，无非是用他们代表文化素质和科学素质两个方面，意在说明要建成一个现代化的社会，必须普遍提高人们的文化和科学素质.

最后，我想用前苏联诗人马雅可夫斯基在影响几代人的科普期刊《知识就是力量》创刊号中写的几句诗，来结束本文：

如果

你想忘记

忧闷和懒惰

自己就要知道

地球上在做些什么

天空中发生些什么

……

参考文献

1罗蔚茵, 赵凯华.哪一个钟慢了？大学物理,2001(4),15