和恩馨

今年是愛因斯坦提出廣義相對(duì)論100周年，這個(gè)偉大理論把引力描述為空間和時(shí)間的彎曲，顛覆了人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)，開啟了近代物理學(xué)上一個(gè)全新的領(lǐng)域。

那么，相對(duì)論到底是神馬東西，它又是怎樣被提出來的？

改寫宇宙認(rèn)知法則

關(guān)于愛因斯坦和廣義相對(duì)論的故事，還要從1915年說起。

1915年秋天，德國(guó)威廉皇家物理研究所。所長(zhǎng)阿爾伯特·愛因斯坦的心情不太好，他正在遭遇學(xué)術(shù)上的瓶頸——10年前，狹義相對(duì)論的提出震動(dòng)了物理學(xué)界，那一年也因此被命名為“愛因斯坦奇跡年”。此后，他又在此基礎(chǔ)上提出了關(guān)于引力的新理論，但興奮勁兒還未過去，他卻發(fā)現(xiàn)這一理論中存在致命缺陷。

于是，愛因斯坦回到了黑板前——他不斷地思索著、計(jì)算著，尋找著開啟問題的鑰匙。正是在這樣的忘我中，1915年11月25日，他寫下了那個(gè)改寫宇宙認(rèn)知法則的方程式：

這個(gè)看似簡(jiǎn)潔的公式，詮釋了愛因斯坦對(duì)宇宙時(shí)空的解讀：光線在經(jīng)過引力場(chǎng)時(shí)將會(huì)彎曲。打個(gè)形象的比方，宇宙就好像是一張彈性極好的海綿床墊，物質(zhì)與能量仿佛一個(gè)從沉睡中醒來的人，他爆發(fā)出的力量，扭曲了宇宙（床墊）的幾何形態(tài)，進(jìn)而創(chuàng)造出引力效應(yīng)，迫使光線像彈珠或掉落的蘋果那樣，沿著彎曲的路徑穿越空間。

這就是廣義相對(duì)論，它徹底顛覆了人類對(duì)時(shí)空的傳統(tǒng)理解，注定成為物理學(xué)上劃時(shí)代的一筆重彩。

愛因斯坦對(duì)引力的描述，能解釋多個(gè)牛頓定律無法解釋的現(xiàn)象，如水星等行星軌道的反常；這一理論還提供了關(guān)于黑洞的基礎(chǔ)理論，同時(shí)也是宇宙大爆炸模型的組成部分……

但如果你就此以為相對(duì)論是物理學(xué)家的事，和我們普通人沒有什么關(guān)系，那你就錯(cuò)了，實(shí)際上，相對(duì)論在生活中有著許多重要的應(yīng)用，比如，在GPS、北斗等導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)中，如果沒有基于相對(duì)論的數(shù)據(jù)修正，誤差會(huì)越來越大——人們將越走越迷路。

精確導(dǎo)航，拯救“路癡”族

在生活中，我們正在越來越多地依賴著導(dǎo)航系統(tǒng)：當(dāng)我們?nèi)ヒ粋€(gè)不太熟悉的地方時(shí)，通常會(huì)打開手機(jī)導(dǎo)航或汽車導(dǎo)航。而此時(shí)，我們就會(huì)用到GPS或北斗導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)。

那么，這些導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)與看似高大上的相對(duì)論之間又有什么關(guān)系呢？

為了提供全方位、全天候、全時(shí)段、高精度的導(dǎo)航信息，導(dǎo)航衛(wèi)星上都裝有原子鐘，它們計(jì)時(shí)極為準(zhǔn)確，誤差不超過十萬(wàn)億分之一，也就是說，每天的誤差不超過10納秒（1納秒等于10億分之一秒）。

此外，原子鐘和導(dǎo)航衛(wèi)星一起每天以每小時(shí)14000千米的速度不辭辛苦地繞地球飛行。如此快的速度，已經(jīng)讓我等普羅大眾望而興嘆了，但這跟光速（3.0×108m/s）相比，卻仍然慢了很多。

根據(jù)狹義相對(duì)論，當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，時(shí)間會(huì)變慢；物體運(yùn)動(dòng)的速度越快，時(shí)間就越慢。因此在地球上看導(dǎo)航衛(wèi)星，它們攜帶的時(shí)鐘要走得比太空中更慢。用狹義相對(duì)論的公式計(jì)算，地球上的時(shí)間與原子鐘的時(shí)間相比，每天要快7.2微秒（1微妙=1000納秒）。待導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號(hào)傳遞到地球上的訊號(hào)站，然后再反饋到定位上，就會(huì)造成數(shù)公里的誤差。

這就好像是，當(dāng)你愛車的定位軟件告訴你下一個(gè)加油站是在0.8公里以外，而一天下來，定位軟件告訴你的最后一個(gè)加油站所處的位置和它的實(shí)際位置就相差了8公里。也就意味著，你要多開8公里，如果此時(shí)車輛油量已經(jīng)耗盡，也許你就只能崩潰了。

然而，根據(jù)廣義相對(duì)論，物質(zhì)質(zhì)量的存在會(huì)造成時(shí)空的彎曲，質(zhì)量越大，距離越近，時(shí)光就彎曲得越厲害，時(shí)間則會(huì)越慢。受地球質(zhì)量的影響，在地球表面的時(shí)空要比導(dǎo)航衛(wèi)星所在的時(shí)空更加彎曲，這樣，從地球上看，地球上的時(shí)間每天要比導(dǎo)航衛(wèi)星上的時(shí)間慢45.9微秒。

即便把狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論都考慮進(jìn)去，導(dǎo)航衛(wèi)星時(shí)鐘比地球上的時(shí)間相比，每天還是要快上大約38微秒。而衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)必須達(dá)到的時(shí)間精度是納秒級(jí)的，這個(gè)誤差可是其精度的38000倍呢。如果不校正的話，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)每天將會(huì)積累大約10千米的定位誤差。

因此，為了確保這些衛(wèi)星軟件定位準(zhǔn)確，需要計(jì)算和抵消所有的相對(duì)論效應(yīng)。為此，在GPS衛(wèi)星發(fā)射前，科學(xué)家要先把GPS衛(wèi)星上的時(shí)鐘的走動(dòng)頻率調(diào)慢100億分之4.465，把10.23兆赫調(diào)為10.22999999543兆赫。

核電，讓能源更清潔

1945年8月6日和9日，美軍向日本廣島和長(zhǎng)崎分別投擲原子彈，加速了第二次世界大戰(zhàn)的結(jié)束。而原子彈之所以能爆發(fā)出如此驚人的威力，其理論基礎(chǔ)正是相對(duì)論的一個(gè)推論，即質(zhì)能方程E=mc2。

時(shí)光回溯到1905年11月，這一年，愛因斯坦在他的文章《物體的慣性同它所包含的能量有關(guān)嗎？》中提出，物體的質(zhì)量并不是恒定不變的，而是隨著運(yùn)動(dòng)速度的增加而增加，這就是運(yùn)動(dòng)中物體的“質(zhì)增效應(yīng)”。

根據(jù)牛頓定律可知，如果物體所受的合力不為零，且力的方向和物體原來的運(yùn)動(dòng)方向相同，那么它的速度會(huì)越來越快?，F(xiàn)在假設(shè)有這么一輛質(zhì)量很輕的“理想”板車，在真空中不受任何力，只要你持續(xù)地推它，它的速度就會(huì)越來越快。

根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)增效應(yīng)，隨著時(shí)間推移，這輛車的質(zhì)量會(huì)越來越大，起初車上像堆滿了石塊，之后像是裝著一座喜馬拉雅山、再然后像是裝著一個(gè)地球、一個(gè)太陽(yáng)系、一個(gè)銀河系……當(dāng)板車的速度接近光速時(shí)，好像整個(gè)宇宙都裝在了它上面——它的質(zhì)量達(dá)到了無窮大。這時(shí)，你無論施加多大力，無論推多長(zhǎng)時(shí)間，它都不可能運(yùn)動(dòng)得再快一些。

你也許會(huì)疑惑，我們施加的能量去哪里了呢？其實(shí)能量并沒有消失，而是轉(zhuǎn)化為了質(zhì)量。愛因斯坦就是在說明物體的質(zhì)量與能量的聯(lián)系過程中，提出了著名的質(zhì)能方程：E=mc2，即能量是質(zhì)量的900萬(wàn)倍，換句話說就是，即使是指甲蓋般大小的物質(zhì)，其質(zhì)量如果完全消失，其釋放的能量是以萬(wàn)噸煤炭來計(jì)算的。

愛因斯坦的質(zhì)能方程在1939年得到了驗(yàn)證。這一年，約里奧·居里（居里夫人的長(zhǎng)女）、費(fèi)米、西拉德3位科學(xué)家分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，即鈾235的核受到中子轟擊后，會(huì)分裂成兩個(gè)中等質(zhì)量的新原子核，放出中子，并釋放出巨大能量，這些中子又能引發(fā)其它鈾核再分裂，如此反復(fù)，不斷釋放巨大能量，這使人類找到了釋放巨大原子能的方法。

6年后（1945年），世界第一顆原子彈在美國(guó)試爆成功并投向了日本，二戰(zhàn)提前結(jié)束。

但原子能帶來的并不都是摧毀的力量。后來，通過合理控制核反應(yīng)堆的反應(yīng)劇烈程度，前蘇聯(lián)、美國(guó)等在20世紀(jì)五六十年代，建造了世界第一批核電站。此后，越來越多的核電站開始出現(xiàn)，核電在各國(guó)電力消費(fèi)中的比例日趨增高，成為新一代清潔能源。數(shù)據(jù)顯示，目前發(fā)達(dá)國(guó)家中，法國(guó)電力的75%、美國(guó)電力的20%都來自核電，中國(guó)、印度、巴西等發(fā)展中國(guó)家雖然核電占比較低，但也有近5%的電力來自核電。

粒子加速器，為生活助力

也許你和其他年輕人一樣，都喜歡薯片和牛奶，但你是否知道，美味薯片和牛奶包裝盒也與相對(duì)論有關(guān)？

原來，薯片及牛奶的包裝盒，是利用離子加速器里粒子束的定向運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)瞬間封口的——這是粒子加速器在工業(yè)上的最早應(yīng)用。而粒子加速器的設(shè)計(jì)和使用，則是在相對(duì)論效應(yīng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。

那么，基于相對(duì)論效應(yīng)的粒子加速器，給我們的生活帶來了哪些便捷或功用呢？

粒子加速器產(chǎn)生的電子束可以對(duì)蘋果、草莓、菠菜等進(jìn)行輻照滅菌，以殺死其中的沙門氏菌或大腸桿菌等微生物。目前，這項(xiàng)技術(shù)已在40余個(gè)國(guó)家應(yīng)用。

粒子加速器還可以用來處理污泥和酸雨。它能夠殺死污泥中的病原體，并將污泥中那些引發(fā)藻類大量繁殖的氮和磷及對(duì)魚類有害的激素和抗生素轉(zhuǎn)化成無害的化合物或分解成基本元素。它還可以通過電子束照射，將酸雨轉(zhuǎn)化成硫酸銨和硝酸銨等肥料。

粒子加速器還有更強(qiáng)大的功能——治療癌癥。由于質(zhì)子比電子的穿透力更強(qiáng)，在穿透組織的過程中造成的傷害很少，但在路程終點(diǎn)會(huì)失去大部分能量并造成最大傷害，因此，科學(xué)家通過調(diào)整粒子加速器，將質(zhì)子的破壞力釋放到腫瘤的精確位置，從而治愈癌癥。

粒子加速器還可以用來創(chuàng)造新的材料。比如，在計(jì)算機(jī)芯片的生產(chǎn)過程中，粒子加速器可以控制硼、磷等離子束的方向，將這些離子放置到精確的位置，從而改變材料的導(dǎo)電性。

給超級(jí)計(jì)算機(jī)設(shè)限

2015年11月16日，全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單在美國(guó)公布，中國(guó)“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)，以每秒5.59億億次的峰值運(yùn)算速度和3.39億億次的實(shí)際運(yùn)算速度，第六度蟬聯(lián)全球榜首，繼續(xù)領(lǐng)跑全球超級(jí)計(jì)算機(jī)“競(jìng)賽”。

如此快的速度意味著什么？打個(gè)比方，假設(shè)每人每秒鐘進(jìn)行一次運(yùn)算，“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)算一小時(shí)的量，就相當(dāng)于13億人同時(shí)用計(jì)算器算上1000年。

即使是如此之快，但“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)也有它的速度極限，而相對(duì)論就是衡量這一極限的標(biāo)尺——相對(duì)論指出，光速是信息傳遞速度的極限，所以超級(jí)計(jì)算機(jī)的總線時(shí)脈一般不能超越30GHz，否則在脈沖到達(dá)超級(jí)計(jì)算機(jī)的另一處之前，另一脈沖就已經(jīng)發(fā)出了，這就會(huì)導(dǎo)致超級(jí)計(jì)算機(jī)內(nèi)不同地方的元件不協(xié)調(diào)。由此可見，相對(duì)論為超級(jí)電腦的布線長(zhǎng)度和時(shí)脈上限提供了理論基礎(chǔ)。

電視機(jī)影像和金屬顏色從何而來？

幾十年前，當(dāng)液晶電視機(jī)還未出現(xiàn)時(shí)，人們普遍用CRT電視機(jī)觀看電視劇和新聞等節(jié)目。

CRT電視機(jī)之所以能呈現(xiàn)各種色彩繽紛的影像，其原理是電視機(jī)內(nèi)部的陰極射線管從一個(gè)大磁鐵發(fā)射電子到熒光粉表面上，每一個(gè)電子到達(dá)熒光粉表面就會(huì)點(diǎn)亮一個(gè)畫素。但是，當(dāng)電子從被發(fā)射到成像時(shí)，其速度大概是光速的1/3，因此在設(shè)計(jì)CRT電視機(jī)中的偏轉(zhuǎn)磁鐵時(shí)，研發(fā)者參考了相對(duì)論效應(yīng)來對(duì)其進(jìn)行精確設(shè)計(jì)。

除了電視機(jī)外，相對(duì)論還能用來解釋為什么大多數(shù)金屬是有光澤的——這是因?yàn)榻饘僦械碾娮榆壍儡S遷的緣故。由于電子的移動(dòng)速度足夠快，根據(jù)相對(duì)論，其質(zhì)量也是顯著增加的。在黃金中，光被吸收并重新發(fā)射的波長(zhǎng)接近黃色光，因此我們看到的黃金就是黃色的。

未來的時(shí)間旅行？

在相對(duì)論中，愛因斯坦提出，如果一個(gè)人的運(yùn)動(dòng)速度趨近于光速，對(duì)他來說，時(shí)間就會(huì)趨近于停滯。那么，如果運(yùn)動(dòng)速度超過光速，時(shí)間會(huì)不會(huì)倒轉(zhuǎn)？人能否回到過去？

實(shí)際上，時(shí)空穿梭或時(shí)空旅行并非只是科幻大片中的情節(jié)，科學(xué)家們也在為此不斷探索著。

1976年，物理學(xué)家維索特和列文向太空發(fā)射了一枚載有時(shí)鐘的火箭。他們觀察到，這個(gè)時(shí)鐘與放置在地球上的時(shí)鐘相比，多獲得了1/10微秒。他們?cè)O(shè)想，如果利用強(qiáng)度遠(yuǎn)高于地球重力的引力場(chǎng)，比如中子星引力場(chǎng)，就能讓宇宙飛船在較短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)一顆中子星上，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)光穿梭。

美國(guó)教授馬利特將這一設(shè)想進(jìn)一步付諸實(shí)驗(yàn)。1955年，馬利特10歲時(shí)，父親因長(zhǎng)期吸煙而死于心臟病。因此，他一直希望能發(fā)明出一部時(shí)光機(jī)，回到過去提醒父親“吸煙危害健康”。長(zhǎng)大后，馬利特成為康涅狄格大學(xué)物理學(xué)教授并開始著手研制時(shí)光機(jī)。馬利特計(jì)劃用時(shí)光機(jī)傳送一個(gè)亞原子粒子——中子，在他看來，激光束光環(huán)可以扭曲環(huán)內(nèi)的空間，引力會(huì)迫使中子側(cè)向一邊旋轉(zhuǎn)。此時(shí)如果增加能量，另一個(gè)中子將會(huì)出現(xiàn)，這粒中子是第一粒中子由未來前來探訪過去的“自己”。

當(dāng)然，馬利特的實(shí)驗(yàn)至今并未獲得成功，但人類關(guān)于時(shí)空旅行的探索卻不會(huì)停息。未來，當(dāng)科學(xué)家們對(duì)相對(duì)論的研究有了更深入的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展時(shí)，也許，時(shí)空旅行將不再是遙不可及的夢(mèng)想。（責(zé)任編輯/清揚(yáng)）