|
1905年，瑞士專利局三級技術(shù)員愛因斯坦在《論動體的電動力學(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，他依然強調(diào)自己不過是站在牛頓的肩上而已。 “時間佯謬”是狹義相對論的核心問題。盡管100多年來無數(shù)物理學(xué)家試圖通過實驗證明這一理論，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間計量工具，所以這可能是我們對相對論最精確的論證結(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。在中國相關(guān)研究者看來，國外這一新的研究，使得對愛因斯坦相對論的檢驗進入了一個更精確的時代。 1 實驗一個更為精確的結(jié)論 愛因斯坦的相對論的核心是“時間佯謬”。它來源于《論動體的電動力學(xué)》一文，愛因斯坦提出的一個命題：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動，經(jīng)歷了t秒后回到A，那么，比起那只在A處始終未動的鐘來，這只鐘在它到達A時，要更慢一些。 無數(shù)物理學(xué)家試圖反駁愛因斯坦?，F(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論中的瑕疵。“然而，從現(xiàn)在開始，他們尋找起來將會更為艱難：因為一項新的實驗已經(jīng)證實了愛因斯坦狹義相對論的時間觀?！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，是一個科研小組關(guān)于愛因斯坦時間相對論的實驗，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(fù)責(zé)人。對于此次的實驗結(jié)果，他表示自己非常滿意，也認(rèn)為這是目前為止對相對論最精確的實驗。 國外各媒體在報道此事時，大都聲稱“愛因斯坦相對論終獲確認(rèn)”。這么說稍微有點夸張。“目前來說，愛因斯坦時間相對論已經(jīng)得到了認(rèn)同，而自1905年以來各種實驗也在不斷地驗證相對論。”中科院理論物理研究所研究員張元仲指出，此次實驗與其他證明方式的不同點在于，實驗者在實驗過程中使用的是原子鐘，這是到目前為止精度最高的實驗工具。所以，格羅德能自信地說，自己的實驗比任何時候都能肯定準(zhǔn)確性。 這一切都?xì)w功于格羅德實驗小組采用的實驗方法。研究人員用分子加速器把原子打成兩條光束，在真空管內(nèi)繞圈而行，模擬“時間佯謬”理論中較快的鐘。這個分子加速器是環(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”，即其運行的時間，可以通過激光技術(shù)測量它們的內(nèi)部狀態(tài)來取得。研究人員用高精密度的激光光譜測量時間，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年前相對論中所提到的那樣。“愛因斯坦的想法確實非常偉大。不過，只有實驗才能真正給出答案?！备窳_德表示。 2 應(yīng)用GPS也受相對論效應(yīng)影響 張元仲一直從事相對論的相關(guān)研究。在上世紀(jì)70年代末，他便編寫了有關(guān)相對論物理實驗方法的著作《狹義相對論實驗基礎(chǔ)》。上世紀(jì)90年代末，在將此前的著作翻譯成英文時，張元仲發(fā)現(xiàn)盡管過去了十多年，實驗的方法依然還是原來那幾種，“只是那時的實驗精度還不夠。” 對這一點，中科院物理研究所聶玉昕也表示了認(rèn)同：百年來，相對論不斷地得到驗證，事實上絕大多數(shù)相關(guān)研究人員已經(jīng)接受了狹義相對論中的觀點，不過物理學(xué)界同時也在不斷提高相關(guān)實驗的精度。 即使已有眾多的物理實驗證實了“時間佯謬”的正確性，但是格羅德并不認(rèn)為自己的實驗是多此一舉。他強調(diào)說：“理論就是為了應(yīng)用，而實驗也是為了應(yīng)用?！备窳_德等人在論文中還專門提到，此次實驗對GPS(全球定位系統(tǒng))的工作具有一定的推動作用。 格羅德指出，這些實驗證實，美國軍用衛(wèi)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(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10000年，就會比地球上的原子鐘延長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)，這個誤差實際是需要通過愛因斯坦相對論來進行修正的。由于全球定位系統(tǒng)的衛(wèi)星是在不同圓心的軌道上，由于各個衛(wèi)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(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)誤差水平對衛(wèi)星做出調(diào)整。 “GPS用衛(wèi)星來定位地球上物體的位置，但在定位過程中我們必須考慮到相對論效應(yīng)?！备窳_德特別強調(diào)了衛(wèi)星也在以高速度運動著，由此必須考慮到相對論因素的校正。 3 回顧不斷受到挑戰(zhàn)的時間觀 “從趨勢上看，相對論實驗做的是越來越細(xì)。”聶玉昕指出，目前關(guān)于相對論的實驗依然是物理界的一大熱點。而關(guān)于時間的討論，則是熱點中的熱點。 “生活于時間中的人們，不管他愿意與否，都會被迫隨時間前行，他無法回到過去的哪怕某一瞬間。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(quán)威埃利亞代(M. Eliade)在他的代表作《永恒回歸的神話》中對傳統(tǒng)時間觀的一段描述。 時間的概念，在古代是模糊不清而又神秘莫測的。而對時間重要性的認(rèn)識，則是亞里士多德在對物體運動的研究中發(fā)現(xiàn)的。雖然亞里士多德并沒有把時間作為一個抽象的數(shù)量參數(shù)，但他認(rèn)為“時間就是運動”的觀點極具突破性。 最早把時間作為一個可計量的參量用于研究有規(guī)律的運動的人是伽利略。當(dāng)年伽利略在教堂祈禱時，根據(jù)自己的脈搏來測量鐘的擺動，最終發(fā)現(xiàn)了鐘擺運動的基本規(guī)律：它的擺動周期與其擺幅無關(guān)。 真正確定時間觀的科學(xué)地位的，還是牛頓。他的理論讓時間在研究宇宙規(guī)律中起到關(guān)鍵性作用。17世紀(jì)晚期，牛頓繼承和發(fā)展了伽利略的時空觀，時間和空間時彼此獨立，互不相關(guān)，且不受物質(zhì)和運動的影響。 從其自身性質(zhì)來看，牛頓的時間是精確的，根據(jù)時間普遍流動的思想，牛頓發(fā)展了他的“流數(shù)理論”。牛頓所作的貢獻在于，為時間做了希臘幾何學(xué)沒為空間做的事：把時間理想化為能精確測量的維。 應(yīng)該說，牛頓的時間是常識的時間。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間。在牛頓看來，世界上只有一個包含一切的、普適性的時間，時間不可能受到任何事物的影響。不論你在何時何地，不論你在怎么運動，不論你在做些什么，對于任何人來說，時間都是按照相同的速度闊步前行，準(zhǔn)確無誤地在整個宇宙中勾勒出現(xiàn)實的連續(xù)片斷。這就是牛頓的普遍性時間概念。它吸引我們用絕對而又普遍的方法把時間分割成過去、現(xiàn)在和未來。 直到19世紀(jì)末，這個傳統(tǒng)的時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，時間是相對的。 大約在20世紀(jì)初，科學(xué)家們在解釋電磁學(xué)與熱力學(xué)的沖突時，在涉及光信號的變化和物體的運動時、在處理以光速或接近光速運動的物體時，發(fā)現(xiàn)牛頓的普遍性時間概念得出了矛盾的結(jié)論。 第一個矛盾是電磁學(xué)與熱力學(xué)的沖突，是在試著理解時間之箭時產(chǎn)生的。大多數(shù)物理過程具有內(nèi)在的方向性，這個事實在熱量流動的方向(從熱到冷)上表現(xiàn)得尤為明顯。第二個矛盾體現(xiàn)為牛頓的絕對時間觀與帶電粒子的運動相對性之間的沖突。 這時候愛因斯坦站了出來，帶著他的狹義相對論。1905年，愛因斯坦在《論動體的電動力學(xué)》一文中提出了狹義相對論，這成為現(xiàn)代物理學(xué)的時空理論。他強調(diào)，光速對所有的慣性系都是不變的。 當(dāng)時，年僅26歲的愛因斯坦大膽地擯棄了經(jīng)典權(quán)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行了修正，得出了洛倫茲變化。愛因斯坦同時指出，因為無法探測相對于以太的運動，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“同時性”概念提出了挑戰(zhàn)。在愛因斯坦看來，如果兩個人是相對靜止的，那么，他們的時間就是一致的。如果存在相互的運動，他們觀測到的時間就是不同的。 4 驗證一百多年的探索歷程 愛因斯坦的時間觀甫一問世，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(tǒng)地說所有物體的時間，而必須考慮這些物體的相對運動。其次物體的長度也不再是絕對的，同一個物體具有的不是一個長度，而是有若干長度，這取決于如何去測量這一物體，以及在質(zhì)能關(guān)系問題上。對于愛因斯坦在上世紀(jì)發(fā)出的箴言，一百余年來，反對者有之，贊成者則更多。 然而，相對論的出場是順應(yīng)時事而為的。愛因斯坦的追隨者英費爾德曾對愛因斯坦說：在我看來，即使您沒有建立它，狹義相對論的出現(xiàn)也不會再等多久。因為龐加萊已很接近構(gòu)成狹義相對論的那些東西了。事實上，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，龐加萊和洛倫茲早在愛因斯坦前，便已經(jīng)走到了狹義相對論的大門口。然而，走到了大門口，與等不了多久就可以走進大門之間，并不是必然就要畫上等號。 盡管如此，龐加萊對愛因斯坦的理論一直很冷淡，甚至有時還表示了懷疑、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。正如愛因斯坦的傳記作者佩斯(A. Pais)所言：這不是單獨哪一個人的悲哀，而是一個時代的悲哀。他們畢竟是老一輩的物理學(xué)家，不易走出傳統(tǒng)時空觀的陰影。 在人們掀起了一陣陣對狹義相對論反對意見的時候，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，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。 最初的抵抗過后，愛因斯坦的相對論在物理界開始贏得市場。在談及愛因斯坦1905年的成就時，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)家對宇宙的看法?！?br> 愛因斯坦自己也對特別相對論進行進一步的擴展，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。愛因斯坦想到，如果質(zhì)量和能量會造成四維空間(三維空間加上時間)的彎曲，那么，狹義相對論與重力理論不相容的問題就迎刃而解了。這就是廣義相對論?；艚鹪u價道：“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(jù)廣義相對論，宇宙大爆炸標(biāo)志著宇宙的起源，時間的開始?！?br> 而在張元仲看來，這一百余年來，狹義相對論和廣義相對論是同時被驗證的。第一個測試愛因斯坦狹義相對論的實驗發(fā)生在1938年，當(dāng)時美國的科學(xué)家用多普勒效應(yīng)———當(dāng)人和聲源在相對遠離或相對靠近時聽到的單調(diào)改變———作為測量工具。此后，各種實驗手法輪番上陣，足足可以寫上一本書。 狹義相對論的論證中，也伴隨著對廣義相對論的實驗。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近動，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、雷達回波的時間延緩、引力波、中子星、黑洞等等，這些大都已被實驗或天文觀測所證實。 5 延展揭示宇宙的奧秘 自相對論誕生之日起，它所帶來的時空觀革命就極大地拓展了人類對宇宙的理解。時間旅行的奧秘、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，幾乎都隱藏在相對論那幾行簡單的公式中。由此，科學(xué)家們更孜孜不倦地投入到相對論的實驗論證中?！跋鄬φ摰膶嶒灈]有盡頭，就像牛頓的經(jīng)典理論一樣，直到現(xiàn)在我們還在實驗室里做著?！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)所獲得的大量觀測數(shù)據(jù)極大地促進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。來自天文觀測等實驗結(jié)果表明，現(xiàn)在的宇宙是一個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裝置已經(jīng)建成或?qū)㈥懤m(xù)建成。類似用來檢驗空間彎曲和自旋效應(yīng)的“引力探測器B”已于2004年4月20日在美國升空，“本來是計劃一年后公布數(shù)據(jù)的，但是直到現(xiàn)在還沒有公布?！睆堅倏磥?，這些數(shù)據(jù)的公布會使我們對廣義相對論的認(rèn)識更為豐富。 事實上，相對論在揭示宇宙奧秘的同時，也給了人們想象的空間。類似相對論的思想表明，時間旅行是可能的。既然狹義相對論證明高速旅行會使時間變慢，那么人類就有可能回到過去，哪怕只倒回去幾秒。而廣義相對論更是表明，時空可以不是平坦的，而是彎曲的。我們可以在地球與宇宙遙遠的地方這兩點之間“鑿出”一個蟲洞，成為我們回到過去的通道。而對時間機器的實驗，也是不絕于報道之中。 愛因斯坦的相對論開啟了一個新紀(jì)元，何時會是轉(zhuǎn)折？關(guān)于這個問題，誰也無法給出答案。相對論經(jīng)歷的百年實驗路，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，有時又用以太來表示占據(jù)天體空間的物質(zhì)。17世紀(jì)的笛卡兒是一個對科學(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，物體之間的所有作用力都必須通過某種中間媒介物質(zhì)來傳遞，不存在任何超距作用。因此，空間不可能是空無所有的，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，以太又在很大程度上作為光波的荷載物同光的波動學(xué)說相聯(lián)系。光的波動學(xué)說是由胡克首先提出的，并為惠更斯所進一步發(fā)展。在相當(dāng)長的時期內(nèi)(直到20世紀(jì)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。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。 |
|
|
