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日志

 
 

相对论的百年论证史  

2007-11-26 16:52:00|  分类: 封面故事 |  标签: |举报 |字号 订阅

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相对论一百多年的验证探索历程

 

http://www.sina.com.cn 2007年11月26日 07:30  新京报

 相对论的百年论证史 - 新知周刊 - 《新京报·新知周刊》
根据相对论,速度不仅能改变时间,也能改变物体的长度。

 

 

1905年,瑞士专利局三级技术员爱因斯坦在《论动体的电动力学》一文中提出了“狭义相对论”。不久,他又推出了“广义相对论”。这套理论给物理学界带来了一阵暴风骤雨般的冲击。在此基础上建立的宇宙观,成了当代理论物理学的主流。尽管如此,他依然强调自己不过是站在牛顿的肩上而已。

 

“时间佯谬”是狭义相对论的核心问题。尽管100多年来无数物理学家试图通过实验证明这一理论,但加拿大温尼伯曼尼托大学最近发表的一项实验却依然取得了令人惊讶的成就。因为使用了原子钟作为时间计量工具,所以这可能是我们对相对论最精确的论证结果。

 

研究的相关成果发表在近日的《自然》子刊《自然—物理》中。在中国相关研究者看来,国外这一新的研究,使得对爱因斯坦相对论的检验进入了一个更精确的时代。

 

 

1 实验一个更为精确的结论

 

爱因斯坦的相对论的核心是“时间佯谬”。它来源于《论动体的电动力学》一文,爱因斯坦提出的一个命题:如果A处有两只同步的钟,其中一只以恒定速度沿一条闭合曲线运动,经历了t秒后回到A,那么,比起那只在A处始终未动的钟来,这只钟在它到达A时,要更慢一些。

 

无数物理学家试图反驳爱因斯坦。现在,依然有不少物理学家孜孜不倦地寻求爱因斯坦相对论中的瑕疵。“然而,从现在开始,他们寻找起来将会更为艰难:因为一项新的实验已经证实了爱因斯坦狭义相对论的时间观。”《科学》杂志在其网站新闻中报道指出。

 

引起关注的,是一个科研小组关于爱因斯坦时间相对论的实验,相关的论文发表在最近一期《自然-物理》上。

 

格罗德·格温纳(Gerald Gwinner)是加拿大温尼伯曼尼托大学的副教授。他是此次研究的负责人。对于此次的实验结果,他表示自己非常满意,也认为这是目前为止对相对论最精确的实验。

 

国外各媒体在报道此事时,大都声称“爱因斯坦相对论终获确认”。这么说稍微有点夸张。“目前来说,爱因斯坦时间相对论已经得到了认同,而自 1905年以来各种实验也在不断地验证相对论。”中科院理论物理研究所研究员张元仲指出,此次实验与其他证明方式的不同点在于,实验者在实验过程中使用的是原子钟,这是到目前为止精度最高的实验工具。所以,格罗德能自信地说,自己的实验比任何时候都能肯定准确性。

 

这一切都归功于格罗德实验小组采用的实验方法。研究人员用分子加速器把原子打成两条光束,在真空管内绕圈而行,模拟“时间佯谬”理论中较快的钟。这个分子加速器是环状的。他们利用分子加速器将原子加速到光速的6%,即每秒1万千米的速度,然后用激光打出两条光束,同样绕圈而行。

 

由于原子的“年龄”,即其运行的时间,可以通过激光技术测量它们的内部状态来取得。研究人员用高精密度的激光光谱测量时间,发现光束上较靠外的部分的确慢了一些。而这种快慢的差别恰恰就如102年前相对论中所提到的那样。“爱因斯坦的想法确实非常伟大。不过,只有实验才能真正给出答案。”格罗德表示。

 

 

2 应用 GPS也受相对论效应影响

 

张元仲一直从事相对论的相关研究。在上世纪70年代末,他便编写了有关相对论物理实验方法的著作《狭义相对论实验基础》。上世纪90年代末,在将此前的著作翻译成英文时,张元仲发现尽管过去了十多年,实验的方法依然还是原来那几种,“只是那时的实验精度还不够。”

 

对这一点,中科院物理研究所聂玉昕也表示了认同:百年来,相对论不断地得到验证,事实上绝大多数相关研究人员已经接受了狭义相对论中的观点,不过物理学界同时也在不断提高相关实验的精度。

 

即使已有众多的物理实验证实了“时间佯谬”的正确性,但是格罗德并不认为自己的实验是多此一举。他强调说:“理论就是为了应用,而实验也是为了应用。”格罗德等人在论文中还专门提到,此次实验对GPS(全球定位系统)的工作具有一定的推动作用。

 

格罗德指出,这些实验证实,美国军用卫星上的空间技术提供的GPS信号能用于全球航行援助。

 

但是GPS的信号总是存在一定的误差。相对论效应是导致这些误差产生的原因之一。根据爱因斯坦相对论,原子钟在强重力下的摇摆频率比在弱重力条件下的更慢。因为国际空间站上的重力比地球表面的弱,所以PARCS原子钟每过10000年,就会比地球上的原子钟延长1秒钟。

 

早期的GPS接收器确定物体位置的误差是在15米范围内,这个误差实际是需要通过爱因斯坦相对论来进行修正的。由于全球定位系统的卫星是在不同圆心的轨道上,由于各个卫星的运行速度不同,距离地面的高度也不一样,它们之间就出现了许多不同的变化。这些信息从每颗卫星上传送到地面的接收器,就需要地面控制人员根据误差水平对卫星做出调整。

 

“GPS用卫星来定位地球上物体的位置,但在定位过程中我们必须考虑到相对论效应。”格罗德特别强调了卫星也在以高速度运动着,由此必须考虑到相对论因素的校正。


 

相对论的百年论证史 - 新知周刊 - 《新京报·新知周刊》
1911年首次索尔未会议的照片。与会者是当时最著名的一批物理学家,其中包括普朗克(后排左二)、居里夫人(前排右一)、庞加莱(前排右二)、朗之万(后排右一)及爱因斯坦(后排右二)。

 

 

3 回顾 不断受到挑战的时间观

 

“从趋势上看,相对论实验做的是越来越细。”聂玉昕指出,目前关于相对论的实验依然是物理界的一大热点。而关于时间的讨论,则是热点中的热点。

 

“生活于时间中的人们,不管他愿意与否,都会被迫随时间前行,他无法回到过去的哪怕某一瞬间。他不由自主地前行,却丝毫不受惊吓。”这是美国比较宗教史权威埃利亚代(M. Eliade)在他的代表作《永恒回归的神话》中对传统时间观的一段描述。

 

时间的概念,在古代是模糊不清而又神秘莫测的。而对时间重要性的认识,则是亚里士多德在对物体运动的研究中发现的。虽然亚里士多德并没有把时间作为一个抽象的数量参数,但他认为“时间就是运动”的观点极具突破性。

 

最早把时间作为一个可计量的参量用于研究有规律的运动的人是伽利略。当年伽利略在教堂祈祷时,根据自己的脉搏来测量钟的摆动,最终发现了钟摆运动的基本规律:它的摆动周期与其摆幅无关。

 

真正确定时间观的科学地位的,还是牛顿。他的理论让时间在研究宇宙规律中起到关键性作用。17世纪晚期,牛顿继承和发展了伽利略的时空观,时间和空间时彼此独立,互不相关,且不受物质和运动的影响。

 

从其自身性质来看,牛顿的时间是精确的,根据时间普遍流动的思想,牛顿发展了他的“流数理论”。牛顿所作的贡献在于,为时间做了希腊几何学没为空间做的事:把时间理想化为能精确测量的维。

 

应该说,牛顿的时间是常识的时间。而在牛顿之前的亚里士多德和伽利略想象的也都是绝对时间。在牛顿看来,世界上只有一个包含一切的、普适性的时间,时间不可能受到任何事物的影响。不论你在何时何地,不论你在怎么运动,不论你在做些什么,对于任何人来说,时间都是按照相同的速度阔步前行,准确无误地在整个宇宙中勾勒出现实的连续片断。这就是牛顿的普遍性时间概念。它吸引我们用绝对而又普遍的方法把时间分割成过去、现在和未来。

 

直到19世纪末,这个传统的时间观念还是牢牢占据着主导的地位。然而,这一切都随着科学的发展而变得不同了。爱因斯坦告诉我们,时间是相对的。

 

大约在20世纪初,科学家们在解释电磁学与热力学的冲突时,在涉及光信号的变化和物体的运动时、在处理以光速或接近光速运动的物体时,发现牛顿的普遍性时间概念得出了矛盾的结论。

 

第一个矛盾是电磁学与热力学的冲突,是在试着理解时间之箭时产生的。大多数物理过程具有内在的方向性,这个事实在热量流动的方向(从热到冷)上表现得尤为明显。第二个矛盾体现为牛顿的绝对时间观与带电粒子的运动相对性之间的冲突。

 

这时候爱因斯坦站了出来,带着他的狭义相对论。1905年,爱因斯坦在《论动体的电动力学》一文中提出了狭义相对论,这成为现代物理学的时空理论。他强调,光速对所有的惯性系都是不变的。

 

当时,年仅26岁的爱因斯坦大胆地摈弃了经典权威的概念。他从相对性原理和光速不变原理出发,对洛仑兹变换方程进行了修正,得出了洛伦兹变化。爱因斯坦同时指出,因为无法探测相对于以太的运动,因此,以太的概念是多余的。这就对人们以往奉之为金科玉律的“同时性”概念提出了挑战。在爱因斯坦看来,如果两个人是相对静止的,那么,他们的时间就是一致的。如果存在相互的运动,他们观测到的时间就是不同的。

 

 

4 验证 一百多年的探索历程

 

爱因斯坦的时间观甫一问世,就被视为科学异端。因为它要求物理学家改变最普通的概念,这在物理学界引起了许多争论。相对论指出,不能笼统地说所有物体的时间,而必须考虑这些物体的相对运动。其次物体的长度也不再是绝对的,同一个物体具有的不是一个长度,而是有若干长度,这取决于如何去测量这一物体,以及在质能关系问题上。对于爱因斯坦在上世纪发出的箴言,一百余年来,反对者有之,赞成者则更多。

 

然而,相对论的出场是顺应时事而为的。爱因斯坦的追随者英费尔德曾对爱因斯坦说:在我看来,即使您没有建立它,狭义相对论的出现也不会再等多久。因为庞加莱已很接近构成狭义相对论的那些东西了。事实上,狭义相对论中的许多变换公式在1905年之前就已经有了,我们甚至可以说,庞加莱和洛伦兹早在爱因斯坦前,便已经走到了狭义相对论的大门口。然而,走到了大门口,与等不了多久就可以走进大门之间,并不是必然就要画上等号。

 

尽管如此,庞加莱对爱因斯坦的理论一直很冷淡,甚至有时还表示了怀疑、厌恶的态度。1911年,爱因斯坦曾表示,在第一次索尔未 (Solvay)会议期间,庞加莱是如何对相对论采取完全否定态度的。正如爱因斯坦的传记作者佩斯(A. Pais)所言:这不是单独哪一个人的悲哀,而是一个时代的悲哀。他们毕竟是老一辈的物理学家,不易走出传统时空观的阴影。

在人们掀起了一阵阵对狭义相对论反对意见的时候,爱因斯坦却表示:上帝难以捉摸,但他并不邪恶。在爱因斯坦看来,大自然是微妙的也是高傲的,它不让世人轻易地去揭示它的奥秘。

 

最初的抵抗过后,爱因斯坦的相对论在物理界开始赢得市场。在谈及爱因斯坦1905年的成就时,芝加哥大学宇宙学家特纳(Michael Turner)曾指出:“爱因斯坦以一种公众能够理解的方式改变了物理学家对宇宙的看法。”

 

爱因斯坦自己也对特别相对论进行进一步的扩展,他于1916年发表了《一般相对论》,就对地球引力做了更多的解释。爱因斯坦想到,如果质量和能量会造成四维空间(三维空间加上时间)的弯曲,那么,狭义相对论与重力理论不相容的问题就迎刃而解了。这就是广义相对论。霍金曾评价道:“它彻底改变了人们对宇宙的起源及归宿的讨论方向。静止的宇宙可能永远存在……但根据广义相对论,宇宙大爆炸标志着宇宙的起源,时间的开始。”

 

而在张元仲看来,这一百余年来,狭义相对论和广义相对论是同时被验证的。第一个测试爱因斯坦狭义相对论的实验发生在1938年,当时美国的科学家用多普勒效应———当人和声源在相对远离或相对靠近时听到的单调改变———作为测量工具。此后,各种实验手法轮番上阵,足足可以写上一本书。

 

狭义相对论的论证中,也伴随着对广义相对论的实验。后者更难验证,“但是目前我们已经有了很多验证途径。”张元仲指出,广义相对论既解释了牛顿理论所不能完全解释的水星近日点近动,而且预言了很多新的物理效应,类似引力红移、光线偏折、雷达回波的时间延缓、引力波、中子星、黑洞等等,这些大都已被实验或天文观测所证实。

 

 

5 延展 揭示宇宙的奥秘

 

自相对论诞生之日起,它所带来的时空观革命就极大地拓展了人类对宇宙的理解。时间旅行的奥秘、原子裂变的巨大能量、宇宙的起源和终结、黑洞和暗能量等奇妙现象,几乎都隐藏在相对论那几行简单的公式中。由此,科学家们更孜孜不倦地投入到相对论的实验论证中。“相对论的实验没有尽头,就像牛顿的经典理论一样,直到现在我们还在实验室里做着。”张元仲表示。

 

而广义相对论框架下关于宇宙奥秘的揭示更是吸引着科学家前行,不仅是物理学界,还有天文学界。

 

在宇宙学的应用方面,大型的天文观测装置(包括地面装置和空间装置)前几年陆续所获得的大量观测数据极大地促进了大爆炸宇宙模型的研究,预示了宇宙常数(或暗能量)的存在。来自天文观测等实验结果表明,现在的宇宙是一个接近平坦的和加速膨胀的宇宙;宇宙中大约包含5%的可见物质、25%的暗物质和70%的暗能量。但是,暗物质和暗能量的构成问题还不清楚。

 

此外,其他新的大型天文观测装置已经建成或将陆续建成。类似用来检验空间弯曲和自旋效应的“引力探测器B”已于2004年4月20日在美国升空,“本来是计划一年后公布数据的,但是直到现在还没有公布。”张元仲看来,这些数据的公布会使我们对广义相对论的认识更为丰富。

 

事实上,相对论在揭示宇宙奥秘的同时,也给了人们想象的空间。类似相对论的思想表明,时间旅行是可能的。既然狭义相对论证明高速旅行会使时间变慢,那么人类就有可能回到过去,哪怕只倒回去几秒。而广义相对论更是表明,时空可以不是平坦的,而是弯曲的。我们可以在地球与宇宙遥远的地方这两点之间 “凿出”一个虫洞,成为我们回到过去的通道。而对时间机器的实验,也是不绝于报道之中。

 

爱因斯坦的相对论开启了一个新纪元,何时会是转折?关于这个问题,谁也无法给出答案。相对论经历的百年实验路,也许依然还要走下去。

 

 

新知专题采写本报记者 李健亚

本专题图片均为资料图

本专题感谢:

张元仲(中科院理论物理研究所研究员)

聂玉昕(中科院物理研究所研究员)

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