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1905年，瑞士專利局三級(jí)技術(shù)員愛因斯坦在《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》一文中提出了“狹義相對(duì)論”。不久，他又推出了“廣義相對(duì)論”。這套理論給物理學(xué)界帶來(lái)了一陣暴風(fēng)驟雨般的沖擊。在此基礎(chǔ)上建立的宇宙觀，成了當(dāng)代理論物理學(xué)的主流。盡管如此，他依然強(qiáng)調(diào)自己不過(guò)是站在牛頓的肩上而已。 “時(shí)間佯謬”是狹義相對(duì)論的核心問題。盡管100多年來(lái)無(wú)數(shù)物理學(xué)家試圖通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明這一理論，但加拿大溫尼伯曼尼托大學(xué)最近發(fā)表的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)卻依然取得了令人驚訝的成就。因?yàn)槭褂昧嗽隅娮鳛闀r(shí)間計(jì)量工具，所以這可能是我們對(duì)相對(duì)論最精確的論證結(jié)果。 研究的相關(guān)成果發(fā)表在近日的《自然》子刊《自然—物理》中。在中國(guó)相關(guān)研究者看來(lái)，國(guó)外這一新的研究，使得對(duì)愛因斯坦相對(duì)論的檢驗(yàn)進(jìn)入了一個(gè)更精確的時(shí)代。 1 實(shí)驗(yàn)一個(gè)更為精確的結(jié)論 愛因斯坦的相對(duì)論的核心是“時(shí)間佯謬”。它來(lái)源于《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》一文，愛因斯坦提出的一個(gè)命題：如果A處有兩只同步的鐘，其中一只以恒定速度沿一條閉合曲線運(yùn)動(dòng)，經(jīng)歷了t秒后回到A，那么，比起那只在A處始終未動(dòng)的鐘來(lái)，這只鐘在它到達(dá)A時(shí)，要更慢一些。 無(wú)數(shù)物理學(xué)家試圖反駁愛因斯坦。現(xiàn)在，依然有不少物理學(xué)家孜孜不倦地尋求愛因斯坦相對(duì)論中的瑕疵?！叭欢?，從現(xiàn)在開始，他們尋找起來(lái)將會(huì)更為艱難：因?yàn)橐豁?xiàng)新的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)了愛因斯坦狹義相對(duì)論的時(shí)間觀?！薄犊茖W(xué)》雜志在其網(wǎng)站新聞中報(bào)道指出。 引起關(guān)注的，是一個(gè)科研小組關(guān)于愛因斯坦時(shí)間相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)，相關(guān)的論文發(fā)表在最近一期《自然-物理》上。 格羅德·格溫納(Gerald Gwinner)是加拿大溫尼伯曼尼托大學(xué)的副教授。他是此次研究的負(fù)責(zé)人。對(duì)于此次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，他表示自己非常滿意，也認(rèn)為這是目前為止對(duì)相對(duì)論最精確的實(shí)驗(yàn)。 國(guó)外各媒體在報(bào)道此事時(shí)，大都聲稱“愛因斯坦相對(duì)論終獲確認(rèn)”。這么說(shuō)稍微有點(diǎn)夸張?！澳壳皝?lái)說(shuō)，愛因斯坦時(shí)間相對(duì)論已經(jīng)得到了認(rèn)同，而自1905年以來(lái)各種實(shí)驗(yàn)也在不斷地驗(yàn)證相對(duì)論?！敝锌圃豪碚撐锢硌芯克芯繂T張?jiān)僦赋?，此次?shí)驗(yàn)與其他證明方式的不同點(diǎn)在于，實(shí)驗(yàn)者在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用的是原子鐘，這是到目前為止精度最高的實(shí)驗(yàn)工具。所以，格羅德能自信地說(shuō)，自己的實(shí)驗(yàn)比任何時(shí)候都能肯定準(zhǔn)確性。 這一切都?xì)w功于格羅德實(shí)驗(yàn)小組采用的實(shí)驗(yàn)方法。研究人員用分子加速器把原子打成兩條光束，在真空管內(nèi)繞圈而行，模擬“時(shí)間佯謬”理論中較快的鐘。這個(gè)分子加速器是環(huán)狀的。他們利用分子加速器將原子加速到光速的6%，即每秒1萬(wàn)千米的速度，然后用激光打出兩條光束，同樣繞圈而行。 由于原子的“年齡”，即其運(yùn)行的時(shí)間，可以通過(guò)激光技術(shù)測(cè)量它們的內(nèi)部狀態(tài)來(lái)取得。研究人員用高精密度的激光光譜測(cè)量時(shí)間，發(fā)現(xiàn)光束上較靠外的部分的確慢了一些。而這種快慢的差別恰恰就如102年前相對(duì)論中所提到的那樣?！皭垡蛩固沟南敕ù_實(shí)非常偉大。不過(guò)，只有實(shí)驗(yàn)才能真正給出答案?！备窳_德表示。 2 應(yīng)用GPS也受相對(duì)論效應(yīng)影響 張?jiān)僖恢睆氖孪鄬?duì)論的相關(guān)研究。在上世紀(jì)70年代末，他便編寫了有關(guān)相對(duì)論物理實(shí)驗(yàn)方法的著作《狹義相對(duì)論實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)》。上世紀(jì)90年代末，在將此前的著作翻譯成英文時(shí)，張?jiān)侔l(fā)現(xiàn)盡管過(guò)去了十多年，實(shí)驗(yàn)的方法依然還是原來(lái)那幾種，“只是那時(shí)的實(shí)驗(yàn)精度還不夠。” 對(duì)這一點(diǎn)，中科院物理研究所聶玉昕也表示了認(rèn)同：百年來(lái)，相對(duì)論不斷地得到驗(yàn)證，事實(shí)上絕大多數(shù)相關(guān)研究人員已經(jīng)接受了狹義相對(duì)論中的觀點(diǎn)，不過(guò)物理學(xué)界同時(shí)也在不斷提高相關(guān)實(shí)驗(yàn)的精度。 即使已有眾多的物理實(shí)驗(yàn)證實(shí)了“時(shí)間佯謬”的正確性，但是格羅德并不認(rèn)為自己的實(shí)驗(yàn)是多此一舉。他強(qiáng)調(diào)說(shuō)：“理論就是為了應(yīng)用，而實(shí)驗(yàn)也是為了應(yīng)用?！备窳_德等人在論文中還專門提到，此次實(shí)驗(yàn)對(duì)GPS(全球定位系統(tǒng))的工作具有一定的推動(dòng)作用。 格羅德指出，這些實(shí)驗(yàn)證實(shí)，美國(guó)軍用衛(wèi)星上的空間技術(shù)提供的GPS信號(hào)能用于全球航行援助。 但是GPS的信號(hào)總是存在一定的誤差。相對(duì)論效應(yīng)是導(dǎo)致這些誤差產(chǎn)生的原因之一。根據(jù)愛因斯坦相對(duì)論，原子鐘在強(qiáng)重力下的搖擺頻率比在弱重力條件下的更慢。因?yàn)閲?guó)際空間站上的重力比地球表面的弱，所以PARCS原子鐘每過(guò)10000年，就會(huì)比地球上的原子鐘延長(zhǎng)1秒鐘。 早期的GPS接收器確定物體位置的誤差是在15米范圍內(nèi)，這個(gè)誤差實(shí)際是需要通過(guò)愛因斯坦相對(duì)論來(lái)進(jìn)行修正的。由于全球定位系統(tǒng)的衛(wèi)星是在不同圓心的軌道上，由于各個(gè)衛(wèi)星的運(yùn)行速度不同，距離地面的高度也不一樣，它們之間就出現(xiàn)了許多不同的變化。這些信息從每顆衛(wèi)星上傳送到地面的接收器，就需要地面控制人員根據(jù)誤差水平對(duì)衛(wèi)星做出調(diào)整。 “GPS用衛(wèi)星來(lái)定位地球上物體的位置，但在定位過(guò)程中我們必須考慮到相對(duì)論效應(yīng)?！备窳_德特別強(qiáng)調(diào)了衛(wèi)星也在以高速度運(yùn)動(dòng)著，由此必須考慮到相對(duì)論因素的校正。 3 回顧不斷受到挑戰(zhàn)的時(shí)間觀 “從趨勢(shì)上看，相對(duì)論實(shí)驗(yàn)做的是越來(lái)越細(xì)?！甭櫽耜恐赋?，目前關(guān)于相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)依然是物理界的一大熱點(diǎn)。而關(guān)于時(shí)間的討論，則是熱點(diǎn)中的熱點(diǎn)。 “生活于時(shí)間中的人們，不管他愿意與否，都會(huì)被迫隨時(shí)間前行，他無(wú)法回到過(guò)去的哪怕某一瞬間。他不由自主地前行，卻絲毫不受驚嚇?！边@是美國(guó)比較宗教史權(quán)威埃利亞代(M. Eliade)在他的代表作《永恒回歸的神話》中對(duì)傳統(tǒng)時(shí)間觀的一段描述。 時(shí)間的概念，在古代是模糊不清而又神秘莫測(cè)的。而對(duì)時(shí)間重要性的認(rèn)識(shí)，則是亞里士多德在對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的研究中發(fā)現(xiàn)的。雖然亞里士多德并沒有把時(shí)間作為一個(gè)抽象的數(shù)量參數(shù)，但他認(rèn)為“時(shí)間就是運(yùn)動(dòng)”的觀點(diǎn)極具突破性。 最早把時(shí)間作為一個(gè)可計(jì)量的參量用于研究有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)的人是伽利略。當(dāng)年伽利略在教堂祈禱時(shí)，根據(jù)自己的脈搏來(lái)測(cè)量鐘的擺動(dòng)，最終發(fā)現(xiàn)了鐘擺運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律：它的擺動(dòng)周期與其擺幅無(wú)關(guān)。 真正確定時(shí)間觀的科學(xué)地位的，還是牛頓。他的理論讓時(shí)間在研究宇宙規(guī)律中起到關(guān)鍵性作用。17世紀(jì)晚期，牛頓繼承和發(fā)展了伽利略的時(shí)空觀，時(shí)間和空間時(shí)彼此獨(dú)立，互不相關(guān)，且不受物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)的影響。 從其自身性質(zhì)來(lái)看，牛頓的時(shí)間是精確的，根據(jù)時(shí)間普遍流動(dòng)的思想，牛頓發(fā)展了他的“流數(shù)理論”。牛頓所作的貢獻(xiàn)在于，為時(shí)間做了希臘幾何學(xué)沒為空間做的事：把時(shí)間理想化為能精確測(cè)量的維。 應(yīng)該說(shuō)，牛頓的時(shí)間是常識(shí)的時(shí)間。而在牛頓之前的亞里士多德和伽利略想象的也都是絕對(duì)時(shí)間。在牛頓看來(lái)，世界上只有一個(gè)包含一切的、普適性的時(shí)間，時(shí)間不可能受到任何事物的影響。不論你在何時(shí)何地，不論你在怎么運(yùn)動(dòng)，不論你在做些什么，對(duì)于任何人來(lái)說(shuō)，時(shí)間都是按照相同的速度闊步前行，準(zhǔn)確無(wú)誤地在整個(gè)宇宙中勾勒出現(xiàn)實(shí)的連續(xù)片斷。這就是牛頓的普遍性時(shí)間概念。它吸引我們用絕對(duì)而又普遍的方法把時(shí)間分割成過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)。 直到19世紀(jì)末，這個(gè)傳統(tǒng)的時(shí)間觀念還是牢牢占據(jù)著主導(dǎo)的地位。然而，這一切都隨著科學(xué)的發(fā)展而變得不同了。愛因斯坦告訴我們，時(shí)間是相對(duì)的。 大約在20世紀(jì)初，科學(xué)家們?cè)诮忉岆姶艑W(xué)與熱力學(xué)的沖突時(shí)，在涉及光信號(hào)的變化和物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)、在處理以光速或接近光速運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)，發(fā)現(xiàn)牛頓的普遍性時(shí)間概念得出了矛盾的結(jié)論。 第一個(gè)矛盾是電磁學(xué)與熱力學(xué)的沖突，是在試著理解時(shí)間之箭時(shí)產(chǎn)生的。大多數(shù)物理過(guò)程具有內(nèi)在的方向性，這個(gè)事實(shí)在熱量流動(dòng)的方向(從熱到冷)上表現(xiàn)得尤為明顯。第二個(gè)矛盾體現(xiàn)為牛頓的絕對(duì)時(shí)間觀與帶電粒子的運(yùn)動(dòng)相對(duì)性之間的沖突。 這時(shí)候愛因斯坦站了出來(lái)，帶著他的狹義相對(duì)論。1905年，愛因斯坦在《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》一文中提出了狹義相對(duì)論，這成為現(xiàn)代物理學(xué)的時(shí)空理論。他強(qiáng)調(diào)，光速對(duì)所有的慣性系都是不變的。 當(dāng)時(shí)，年僅26歲的愛因斯坦大膽地?cái)P棄了經(jīng)典權(quán)威的概念。他從相對(duì)性原理和光速不變?cè)沓霭l(fā)，對(duì)洛侖茲變換方程進(jìn)行了修正，得出了洛倫茲變化。愛因斯坦同時(shí)指出，因?yàn)闊o(wú)法探測(cè)相對(duì)于以太的運(yùn)動(dòng)，因此，以太的概念是多余的。這就對(duì)人們以往奉之為金科玉律的“同時(shí)性”概念提出了挑戰(zhàn)。在愛因斯坦看來(lái)，如果兩個(gè)人是相對(duì)靜止的，那么，他們的時(shí)間就是一致的。如果存在相互的運(yùn)動(dòng)，他們觀測(cè)到的時(shí)間就是不同的。 4 驗(yàn)證一百多年的探索歷程 愛因斯坦的時(shí)間觀甫一問世，就被視為科學(xué)異端。因?yàn)樗笪锢韺W(xué)家改變最普通的概念，這在物理學(xué)界引起了許多爭(zhēng)論。相對(duì)論指出，不能籠統(tǒng)地說(shuō)所有物體的時(shí)間，而必須考慮這些物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。其次物體的長(zhǎng)度也不再是絕對(duì)的，同一個(gè)物體具有的不是一個(gè)長(zhǎng)度，而是有若干長(zhǎng)度，這取決于如何去測(cè)量這一物體，以及在質(zhì)能關(guān)系問題上。對(duì)于愛因斯坦在上世紀(jì)發(fā)出的箴言，一百余年來(lái)，反對(duì)者有之，贊成者則更多。 然而，相對(duì)論的出場(chǎng)是順應(yīng)時(shí)事而為的。愛因斯坦的追隨者英費(fèi)爾德曾對(duì)愛因斯坦說(shuō)：在我看來(lái)，即使您沒有建立它，狹義相對(duì)論的出現(xiàn)也不會(huì)再等多久。因?yàn)辇嫾尤R已很接近構(gòu)成狹義相對(duì)論的那些東西了。事實(shí)上，狹義相對(duì)論中的許多變換公式在1905年之前就已經(jīng)有了，我們甚至可以說(shuō)，龐加萊和洛倫茲早在愛因斯坦前，便已經(jīng)走到了狹義相對(duì)論的大門口。然而，走到了大門口，與等不了多久就可以走進(jìn)大門之間，并不是必然就要畫上等號(hào)。 盡管如此，龐加萊對(duì)愛因斯坦的理論一直很冷淡，甚至有時(shí)還表示了懷疑、厭惡的態(tài)度。1911年，愛因斯坦曾表示，在第一次索爾未(Solvay)會(huì)議期間，龐加萊是如何對(duì)相對(duì)論采取完全否定態(tài)度的。正如愛因斯坦的傳記作者佩斯(A. Pais)所言：這不是單獨(dú)哪一個(gè)人的悲哀，而是一個(gè)時(shí)代的悲哀。他們畢竟是老一輩的物理學(xué)家，不易走出傳統(tǒng)時(shí)空觀的陰影。 在人們掀起了一陣陣對(duì)狹義相對(duì)論反對(duì)意見的時(shí)候，愛因斯坦卻表示：上帝難以捉摸，但他并不邪惡。在愛因斯坦看來(lái)，大自然是微妙的也是高傲的，它不讓世人輕易地去揭示它的奧秘。 最初的抵抗過(guò)后，愛因斯坦的相對(duì)論在物理界開始贏得市場(chǎng)。在談及愛因斯坦1905年的成就時(shí)，芝加哥大學(xué)宇宙學(xué)家特納(Michael Turner)曾指出：“愛因斯坦以一種公眾能夠理解的方式改變了物理學(xué)家對(duì)宇宙的看法。” 愛因斯坦自己也對(duì)特別相對(duì)論進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)展，他于1916年發(fā)表了《一般相對(duì)論》，就對(duì)地球引力做了更多的解釋。愛因斯坦想到，如果質(zhì)量和能量會(huì)造成四維空間(三維空間加上時(shí)間)的彎曲，那么，狹義相對(duì)論與重力理論不相容的問題就迎刃而解了。這就是廣義相對(duì)論。霍金曾評(píng)價(jià)道：“它徹底改變了人們對(duì)宇宙的起源及歸宿的討論方向。靜止的宇宙可能永遠(yuǎn)存在……但根據(jù)廣義相對(duì)論，宇宙大爆炸標(biāo)志著宇宙的起源，時(shí)間的開始。” 而在張?jiān)倏磥?lái)，這一百余年來(lái)，狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論是同時(shí)被驗(yàn)證的。第一個(gè)測(cè)試愛因斯坦狹義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)發(fā)生在1938年，當(dāng)時(shí)美國(guó)的科學(xué)家用多普勒效應(yīng)———當(dāng)人和聲源在相對(duì)遠(yuǎn)離或相對(duì)靠近時(shí)聽到的單調(diào)改變———作為測(cè)量工具。此后，各種實(shí)驗(yàn)手法輪番上陣，足足可以寫上一本書。 狹義相對(duì)論的論證中，也伴隨著對(duì)廣義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)。后者更難驗(yàn)證，“但是目前我們已經(jīng)有了很多驗(yàn)證途徑。”張?jiān)僦赋?，廣義相對(duì)論既解釋了牛頓理論所不能完全解釋的水星近日點(diǎn)近動(dòng)，而且預(yù)言了很多新的物理效應(yīng)，類似引力紅移、光線偏折、雷達(dá)回波的時(shí)間延緩、引力波、中子星、黑洞等等，這些大都已被實(shí)驗(yàn)或天文觀測(cè)所證實(shí)。 5 延展揭示宇宙的奧秘 自相對(duì)論誕生之日起，它所帶來(lái)的時(shí)空觀革命就極大地拓展了人類對(duì)宇宙的理解。時(shí)間旅行的奧秘、原子裂變的巨大能量、宇宙的起源和終結(jié)、黑洞和暗能量等奇妙現(xiàn)象，幾乎都隱藏在相對(duì)論那幾行簡(jiǎn)單的公式中。由此，科學(xué)家們更孜孜不倦地投入到相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)論證中?！跋鄬?duì)論的實(shí)驗(yàn)沒有盡頭，就像牛頓的經(jīng)典理論一樣，直到現(xiàn)在我們還在實(shí)驗(yàn)室里做著?！睆?jiān)俦硎尽?br> 而廣義相對(duì)論框架下關(guān)于宇宙奧秘的揭示更是吸引著科學(xué)家前行，不僅是物理學(xué)界，還有天文學(xué)界。 在宇宙學(xué)的應(yīng)用方面，大型的天文觀測(cè)裝置(包括地面裝置和空間裝置)前幾年陸續(xù)所獲得的大量觀測(cè)數(shù)據(jù)極大地促進(jìn)了大爆炸宇宙模型的研究，預(yù)示了宇宙常數(shù)(或暗能量)的存在。來(lái)自天文觀測(cè)等實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，現(xiàn)在的宇宙是一個(gè)接近平坦的和加速膨脹的宇宙；宇宙中大約包含5%的可見物質(zhì)、25%的暗物質(zhì)和70%的暗能量。但是，暗物質(zhì)和暗能量的構(gòu)成問題還不清楚。 此外，其他新的大型天文觀測(cè)裝置已經(jīng)建成或?qū)㈥懤m(xù)建成。類似用來(lái)檢驗(yàn)空間彎曲和自旋效應(yīng)的“引力探測(cè)器B”已于2004年4月20日在美國(guó)升空，“本來(lái)是計(jì)劃一年后公布數(shù)據(jù)的，但是直到現(xiàn)在還沒有公布?！睆?jiān)倏磥?lái)，這些數(shù)據(jù)的公布會(huì)使我們對(duì)廣義相對(duì)論的認(rèn)識(shí)更為豐富。 事實(shí)上，相對(duì)論在揭示宇宙奧秘的同時(shí)，也給了人們想象的空間。類似相對(duì)論的思想表明，時(shí)間旅行是可能的。既然狹義相對(duì)論證明高速旅行會(huì)使時(shí)間變慢，那么人類就有可能回到過(guò)去，哪怕只倒回去幾秒。而廣義相對(duì)論更是表明，時(shí)空可以不是平坦的，而是彎曲的。我們可以在地球與宇宙遙遠(yuǎn)的地方這兩點(diǎn)之間“鑿出”一個(gè)蟲洞，成為我們回到過(guò)去的通道。而對(duì)時(shí)間機(jī)器的實(shí)驗(yàn)，也是不絕于報(bào)道之中。 愛因斯坦的相對(duì)論開啟了一個(gè)新紀(jì)元，何時(shí)會(huì)是轉(zhuǎn)折？關(guān)于這個(gè)問題，誰(shuí)也無(wú)法給出答案。相對(duì)論經(jīng)歷的百年實(shí)驗(yàn)路，也許依然還要走下去。 新知補(bǔ)丁:以太Ether 在古希臘，以太指的是青天或上層大氣。在宇宙學(xué)中，有時(shí)又用以太來(lái)表示占據(jù)天體空間的物質(zhì)。17世紀(jì)的笛卡兒是一個(gè)對(duì)科學(xué)思想發(fā)展有重大影響的哲學(xué)家，他最先將以太引入科學(xué)，并賦予它某種力學(xué)性質(zhì)。 在笛卡兒看來(lái)，物體之間的所有作用力都必須通過(guò)某種中間媒介物質(zhì)來(lái)傳遞，不存在任何超距作用。因此，空間不可能是空無(wú)所有的，它被以太這種媒介物質(zhì)所充滿。以太雖然不能為人的感官所感覺，但卻能傳遞力的作用，如磁力和月球?qū)Τ毕淖饔昧Α?br> 后來(lái)，以太又在很大程度上作為光波的荷載物同光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)相聯(lián)系。光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)是由胡克首先提出的，并為惠更斯所進(jìn)一步發(fā)展。在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)(直到20世紀(jì)初)，人們對(duì)波的理解只局限于某種媒介物質(zhì)的力學(xué)振動(dòng)。這種媒介物質(zhì)就稱為波的荷載物，如空氣就是聲波的荷載物。 |
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