1905年，瑞士專(zhuān)利局三級技術(shù)員愛(ài)因斯坦在《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》一文中提出了“狹義相對論”。不久，他又推出了“廣義相對論”。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。在此基礎上建立的宇宙觀(guān)，成了當代理論物理學(xué)的主流。盡管如此，他依然強調自己不過(guò)是站在牛頓的肩上而已。
“時(shí)間佯謬”是狹義相對論的核心問(wèn)題。盡管100多年來(lái)無(wú)數物理學(xué)家試圖通過(guò)實(shí)驗證明這一理論，但加拿大溫尼伯曼尼托大學(xué)最近發(fā)表的一項實(shí)驗卻依然取得了令人驚訝的成就。因為使用了原子鐘作為時(shí)間計量工具，所以這可能是我們對相對論最精確的論證結果。
研究的相關(guān)成果發(fā)表在近日的《自然》子刊《自然—物理》中。在中國相關(guān)研究者看來(lái)，國外這一新的研究，使得對愛(ài)因斯坦相對論的檢驗進(jìn)入了一個(gè)更精確的時(shí)代。
1 實(shí)驗一個(gè)更為精確的結論
愛(ài)因斯坦的相對論的核心是“時(shí)間佯謬”。它來(lái)源于《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》一文，愛(ài)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(xiàn)運動(dòng)，經(jīng)歷了t秒后回到A，那么，比起那只在A(yíng)處始終未動(dòng)的鐘來(lái)，這只鐘在它到達A時(shí)，要更慢一些。
無(wú)數物理學(xué)家試圖反駁愛(ài)因斯坦?，F在，依然有不少物理學(xué)家孜孜不倦地尋求愛(ài)因斯坦相對論中的瑕疵?！叭欢?，從現在開(kāi)始，他們尋找起來(lái)將會(huì )更為艱難：因為一項新的實(shí)驗已經(jīng)證實(shí)了愛(ài)因斯坦狹義相對論的時(shí)間觀(guān)?！薄犊茖W(xué)》雜志在其網(wǎng)站新聞中報道指出。
引起關(guān)注的，是一個(gè)科研小組關(guān)于愛(ài)因斯坦時(shí)間相對論的實(shí)驗，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。他是此次研究的負責人。對于此次的實(shí)驗結果，他表示自己非常滿(mǎn)意，也認為這是目前為止對相對論最精確的實(shí)驗。
國外各媒體在報道此事時(shí)，大都聲稱(chēng)“愛(ài)因斯坦相對論終獲確認”。這么說(shuō)稍微有點(diǎn)夸張?！澳壳皝?lái)說(shuō)，愛(ài)因斯坦時(shí)間相對論已經(jīng)得到了認同，而自1905年以來(lái)各種實(shí)驗也在不斷地驗證相對論?！敝锌圃豪碚撐锢硌芯克芯繂T張元仲指出，此次實(shí)驗與其他證明方式的不同點(diǎn)在于，實(shí)驗者在實(shí)驗過(guò)程中使用的是原子鐘，這是到目前為止精度最高的實(shí)驗工具。所以，格羅德能自信地說(shuō)，自己的實(shí)驗比任何時(shí)候都能肯定準確性。
這一切都歸功于格羅德實(shí)驗小組采用的實(shí)驗方法。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”，即其運行的時(shí)間，可以通過(guò)激光技術(shù)測量它們的內部狀態(tài)來(lái)取得。研究人員用高精密度的激光光譜測量時(shí)間，發(fā)現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年前相對論中所提到的那樣?！皭?ài)因斯坦的想法確實(shí)非常偉大。不過(guò)，只有實(shí)驗才能真正給出答案?！备窳_德表示。
2 應用GPS也受相對論效應影響
張元仲一直從事相對論的相關(guān)研究。在上世紀70年代末，他便編寫(xiě)了有關(guān)相對論物理實(shí)驗方法的著(zhù)作《狹義相對論實(shí)驗基礎》。上世紀90年代末，在將此前的著(zhù)作翻譯成英文時(shí)，張元仲發(fā)現盡管過(guò)去了十多年，實(shí)驗的方法依然還是原來(lái)那幾種，“只是那時(shí)的實(shí)驗精度還不夠?！?center>
對這一點(diǎn)，中科院物理研究所聶玉昕也表示了認同：百年來(lái)，相對論不斷地得到驗證，事實(shí)上絕大多數相關(guān)研究人員已經(jīng)接受了狹義相對論中的觀(guān)點(diǎn)，不過(guò)物理學(xué)界同時(shí)也在不斷提高相關(guān)實(shí)驗的精度。
即使已有眾多的物理實(shí)驗證實(shí)了“時(shí)間佯謬”的正確性，但是格羅德并不認為自己的實(shí)驗是多此一舉。他強調說(shuō)：“理論就是為了應用，而實(shí)驗也是為了應用?！备窳_德等人在論文中還專(zhuān)門(mén)提到，此次實(shí)驗對GPS(全球定位系統)的工作具有一定的推動(dòng)作用。
格羅德指出，這些實(shí)驗證實(shí)，美國軍用衛星上的空間技術(shù)提供的GPS信號能用于全球航行援助。
但是GPS的信號總是存在一定的誤差。相對論效應是導致這些誤差產(chǎn)生的原因之一。根據愛(ài)因斯坦相對論，原子鐘在強重力下的搖擺頻率比在弱重力條件下的更慢。因為國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(cháng)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，這個(gè)誤差實(shí)際是需要通過(guò)愛(ài)因斯坦相對論來(lái)進(jìn)行修正的。由于全球定位系統的衛星是在不同圓心的軌道上，由于各個(gè)衛星的運行速度不同，距離地面的高度也不一樣，它們之間就出現了許多不同的變化。這些信息從每顆衛星上傳送到地面的接收器，就需要地面控制人員根據誤差水平對衛星做出調整。
“GPS用衛星來(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論效應?！备窳_德特別強調了衛星也在以高速度運動(dòng)著(zhù)，由此必須考慮到相對論因素的校正。
3 回顧不斷受到挑戰的時(shí)間觀(guān)
“從趨勢上看，相對論實(shí)驗做的是越來(lái)越細?！甭櫽耜恐赋?，目前關(guān)于相對論的實(shí)驗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@是美國比較宗教史權威埃利亞代(M. Eliade)在他的代表作《永恒回歸的神話(huà)》中對傳統時(shí)間觀(guān)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的。而對時(shí)間重要性的認識，則是亞里士多德在對物體運動(dòng)的研究中發(fā)現的。雖然亞里士多德并沒(méi)有把時(shí)間作為一個(gè)抽象的數量參數，但他認為“時(shí)間就是運動(dòng)”的觀(guān)點(diǎn)極具突破性。
最早把時(shí)間作為一個(gè)可計量的參量用于研究有規律的運動(dòng)的人是伽利略。當年伽利略在教堂祈禱時(shí)，根據自己的脈搏來(lái)測量鐘的擺動(dòng)，最終發(fā)現了鐘擺運動(dòng)的基本規律：它的擺動(dòng)周期與其擺幅無(wú)關(guān)。
真正確定時(shí)間觀(guān)的科學(xué)地位的，還是牛頓。他的理論讓時(shí)間在研究宇宙規律中起到關(guān)鍵性作用。17世紀晚期，牛頓繼承和發(fā)展了伽利略的時(shí)空觀(guān)，時(shí)間和空間時(shí)彼此獨立，互不相關(guān)，且不受物質(zhì)和運動(dòng)的影響。
從其自身性質(zhì)來(lái)看，牛頓的時(shí)間是精確的，根據時(shí)間普遍流動(dòng)的思想，牛頓發(fā)展了他的“流數理論”。牛頓所作的貢獻在于，為時(shí)間做了希臘幾何學(xué)沒(méi)為空間做的事：把時(shí)間理想化為能精確測量的維。
應該說(shuō)，牛頓的時(shí)間是常識的時(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，不論你在怎么運動(dòng)，不論你在做些什么，對于任何人來(lái)說(shuō)，時(shí)間都是按照相同的速度闊步前行，準確無(wú)誤地在整個(gè)宇宙中勾勒出現實(shí)的連續片斷。這就是牛頓的普遍性時(shí)間概念。它吸引我們用絕對而又普遍的方法把時(shí)間分割成過(guò)去、現在和未來(lái)。
直到19世紀末，這個(gè)傳統的時(shí)間觀(guān)念還是牢牢占據著(zhù)主導的地位。然而，這一切都隨著(zhù)科學(xué)的發(fā)展而變得不同了。愛(ài)因斯坦告訴我們，時(shí)間是相對的。
大約在20世紀初，科學(xué)家們在解釋電磁學(xué)與熱力學(xué)的沖突時(shí)，在涉及光信號的變化和物體的運動(dòng)時(shí)、在處理以光速或接近光速運動(dòng)的物體時(shí)，發(fā)現牛頓的普遍性時(shí)間概念得出了矛盾的結論。
第一個(gè)矛盾是電磁學(xué)與熱力學(xué)的沖突，是在試著(zhù)理解時(shí)間之箭時(shí)產(chǎn)生的。大多數物理過(guò)程具有內在的方向性，這個(gè)事實(shí)在熱量流動(dòng)的方向(從熱到冷)上表現得尤為明顯。第二個(gè)矛盾體現為牛頓的絕對時(shí)間觀(guān)與帶電粒子的運動(dòng)相對性之間的沖突。
這時(shí)候愛(ài)因斯坦站了出來(lái)，帶著(zhù)他的狹義相對論。1905年，愛(ài)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論，這成為現代物理學(xué)的時(shí)空理論。他強調，光速對所有的慣性系都是不變的。
當時(shí)，年僅26歲的愛(ài)因斯坦大膽地擯棄了經(jīng)典權威的概念。他從相對性原理和光速不變原理出發(fā)，對洛侖茲變換方程進(jìn)行了修正，得出了洛倫茲變化。愛(ài)因斯坦同時(shí)指出，因為無(wú)法探測相對于以太的運動(dòng)，因此，以太的概念是多余的。這就對人們以往奉之為金科玉律的“同時(shí)性”概念提出了挑戰。在愛(ài)因斯坦看來(lái)，如果兩個(gè)人是相對靜止的，那么，他們的時(shí)間就是一致的。如果存在相互的運動(dòng)，他們觀(guān)測到的時(shí)間就是不同的。
4 驗證一百多年的探索歷程
愛(ài)因斯坦的時(shí)間觀(guān)甫一問(wèn)世，就被視為科學(xué)異端。因為它要求物理學(xué)家改變最普通的概念，這在物理學(xué)界引起了許多爭論。相對論指出，不能籠統地說(shuō)所有物體的時(shí)間，而必須考慮這些物體的相對運動(dòng)。其次物體的長(cháng)度也不再是絕對的，同一個(gè)物體具有的不是一個(gè)長(cháng)度，而是有若干長(cháng)度，這取決于如何去測量這一物體，以及在質(zhì)能關(guān)系問(wèn)題上。對于愛(ài)因斯坦在上世紀發(fā)出的箴言，一百余年來(lái)，反對者有之，贊成者則更多。
然而，相對論的出場(chǎng)是順應時(shí)事而為的。愛(ài)因斯坦的追隨者英費爾德曾對愛(ài)因斯坦說(shuō)：在我看來(lái)，即使您沒(méi)有建立它，狹義相對論的出現也不會(huì )再等多久。因為龐加萊已很接近構成狹義相對論的那些東西了。事實(shí)上，狹義相對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(ài)因斯坦前，便已經(jīng)走到了狹義相對論的大門(mén)口。然而，走到了大門(mén)口，與等不了多久就可以走進(jìn)大門(mén)之間，并不是必然就要畫(huà)上等號。
盡管如此，龐加萊對愛(ài)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(ài)因斯坦曾表示，在第一次索爾未(Solvay)會(huì )議期間，龐加萊是如何對相對論采取完全否定態(tài)度的。正如愛(ài)因斯坦的傳記作者佩斯(A. Pais)所言：這不是單獨哪一個(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，不易走出傳統時(shí)空觀(guān)的陰影。
在人們掀起了一陣陣對狹義相對論反對意見(jiàn)的時(shí)候，愛(ài)因斯坦卻表示：上帝難以捉摸，但他并不邪惡。在愛(ài)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(ài)因斯坦的相對論在物理界開(kāi)始贏(yíng)得市場(chǎng)。在談及愛(ài)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(ài)因斯坦以一種公眾能夠理解的方式改變了物理學(xué)家對宇宙的看法?！?br>
愛(ài)因斯坦自己也對特別相對論進(jìn)行進(jìn)一步的擴展，他于1916年發(fā)表了《一般相對論》，就對地球引力做了更多的解釋。愛(ài)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，狹義相對論與重力理論不相容的問(wèn)題就迎刃而解了。這就是廣義相對論?；艚鹪u價(jià)道：“它徹底改變了人們對宇宙的起源及歸宿的討論方向。靜止的宇宙可能永遠存在……但根據廣義相對論，宇宙大爆炸標志著(zhù)宇宙的起源，時(shí)間的開(kāi)始?！?br>
而在張元仲看來(lái)，這一百余年來(lái)，狹義相對論和廣義相對論是同時(shí)被驗證的。第一個(gè)測試愛(ài)因斯坦狹義相對論的實(shí)驗發(fā)生在1938年，當時(shí)美國的科學(xué)家用多普勒效應———當人和聲源在相對遠離或相對靠近時(shí)聽(tīng)到的單調改變———作為測量工具。此后，各種實(shí)驗手法輪番上陣，足足可以寫(xiě)上一本書(shū)。
狹義相對論的論證中，也伴隨著(zhù)對廣義相對論的實(shí)驗。后者更難驗證，“但是目前我們已經(jīng)有了很多驗證途徑?！睆堅僦赋?，廣義相對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)，而且預言了很多新的物理效應，類(lèi)似引力紅移、光線(xiàn)偏折、雷達回波的時(shí)間延緩、引力波、中子星、黑洞等等，這些大都已被實(shí)驗或天文觀(guān)測所證實(shí)。
5 延展揭示宇宙的奧秘
自相對論誕生之日起，它所帶來(lái)的時(shí)空觀(guān)革命就極大地拓展了人類(lèi)對宇宙的理解。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、黑洞和暗能量等奇妙現象，幾乎都隱藏在相對論那幾行簡(jiǎn)單的公式中。由此，科學(xué)家們更孜孜不倦地投入到相對論的實(shí)驗論證中?！跋鄬φ摰膶?shí)驗沒(méi)有盡頭，就像牛頓的經(jīng)典理論一樣，直到現在我們還在實(shí)驗室里做著(zhù)?！睆堅俦硎?。
而廣義相對論框架下關(guān)于宇宙奧秘的揭示更是吸引著(zhù)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)的應用方面，大型的天文觀(guān)測裝置(包括地面裝置和空間裝置)前幾年陸續所獲得的大量觀(guān)測數據極大地促進(jìn)了大爆炸宇宙模型的研究，預示了宇宙常數(或暗能量)的存在。來(lái)自天文觀(guān)測等實(shí)驗結果表明，現在的宇宙是一個(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(jiàn)物質(zhì)、25%的暗物質(zhì)和70%的暗能量。但是，暗物質(zhì)和暗能量的構成問(wèn)題還不清楚。
此外，其他新的大型天文觀(guān)測裝置已經(jīng)建成或將陸續建成。類(lèi)似用來(lái)檢驗空間彎曲和自旋效應的“引力探測器B”已于2004年4月20日在美國升空，“本來(lái)是計劃一年后公布數據的，但是直到現在還沒(méi)有公布?！睆堅倏磥?lái)，這些數據的公布會(huì )使我們對廣義相對論的認識更為豐富。
事實(shí)上，相對論在揭示宇宙奧秘的同時(shí)，也給了人們想象的空間。類(lèi)似相對論的思想表明，時(shí)間旅行是可能的。既然狹義相對論證明高速旅行會(huì )使時(shí)間變慢，那么人類(lèi)就有可能回到過(guò)去，哪怕只倒回去幾秒。而廣義相對論更是表明，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的地方這兩點(diǎn)之間“鑿出”一個(gè)蟲(chóng)洞，成為我們回到過(guò)去的通道。而對時(shí)間機器的實(shí)驗，也是不絕于報道之中。
愛(ài)因斯坦的相對論開(kāi)啟了一個(gè)新紀元，何時(shí)會(huì )是轉折？關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，誰(shuí)也無(wú)法給出答案。相對論經(jīng)歷的百年實(shí)驗路，也許依然還要走下去。
新知補丁: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)表示占據天體空間的物質(zhì)。17世紀的笛卡兒是一個(gè)對科學(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(mǎn)。以太雖然不能為人的感官所感覺(jué)，但卻能傳遞力的作用，如磁力和月球對潮汐的作用力。
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。在相當長(cháng)的時(shí)期內(直到20世紀初)，人們對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(chēng)為波的荷載物，如空氣就是聲波的荷載物。
來(lái)源: 新知周刊
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