相對論一百多年的驗證探索歷程（圖）

1905年，瑞士專利局三級技術員愛因斯坦在《論動體的電動力學》一文中提出了「狹義相對論」。不久，他又推出了「廣義相對論」。這套理論給物理學界帶來了一陣暴風驟雨般的衝擊。在此基礎上建立的宇宙觀，成了當代理論物理學的主流。儘管如此，他依然強調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。儘管100多年來無數物理學家試圖通過實驗證明這一理論，但加拿大溫尼伯曼尼託大學最近發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果。　　研究的相關成果發表在近日的《自然》子刊《自然—物理》中。在中國相關研究者看來，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論　　愛因斯坦的相對論的核心是「時間佯謬」。它來源於《論動體的電動力學》一文，愛因斯坦提出的一個命題：如果A處有兩隻同步的鐘，其中一隻以恆定速度沿一條閉合曲線運動，經歷了t秒後回到A，那麼，比起那隻在A處始終未動的鐘來，這隻鍾在它到達A時，要更慢一些。

愛因斯坦說自己是站在牛頓的肩上取得了科學成就。現在，他的理論又為其後的物理學家提供了研究方向

　　無數物理學家試圖反駁愛因斯坦。現在，依然有不少物理學家孜孜不倦地尋求愛因斯坦相對論中的瑕疵。「然而，從現在開始，他們尋找起來將會更為艱難：因為一項新的實驗已經證實了愛因斯坦狹義相對論的時間觀。」《科學》雜誌在其網站新聞中報道指出。　　引起關注的，是一個科研小組關於愛因斯坦時間相對論的實驗，相關的論文發表在最近一期《自然-物理》上。　　格羅德·格溫納(Gerald Gwinner)是加拿大溫尼伯曼尼託大學的副教授。他是此次研究的負責人。對於此次的實驗結果，他表示自己非常滿意，也認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」。這麼說稍微有點誇張。「目前來說，愛因斯坦時間相對論已經得到了認同，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於，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確性。　　這一切都歸功于格羅德實驗小組採用的實驗方法。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，然後用激光打出兩條光束，同樣繞圈而行。　　由於原子的「年齡」，即其運行的時間，可以通過激光技術測量它們的內部狀態來取得。研究人員用高精密度的激光光譜測量時間，發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。「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。」格羅德表示。　　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研究。在上世紀70年代末，他便編寫了有關相對論物理實驗方法的著作《狹義相對論實驗基礎》。上世紀90年代末，在將此前的著作翻譯成英文時，張元仲發現儘管過去了十多年，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。」

根據相對論，速度不僅能改變時間，也能改變物體的長度

　　對這一點，中科院物理研究所聶玉昕也表示了認同：百年來，相對論不斷地得到驗證，事實上絕大多數相關研究人員已經接受了狹義相對論中的觀點，不過物理學界同時也在不斷提高相關實驗的精度。　　即使已有眾多的物理實驗證實了「時間佯謬」的正確性，但是格羅德並不認為自己的實驗是多此一舉。他強調說：「理論就是為了應用，而實驗也是為了應用。」格羅德等人在論文中還專門提到，此次實驗對GPS(全球定位系統)的工作具有一定的推動作用。　　格羅德指出，這些實驗證實，美國軍用衛星上的空間技術提供的GPS信號能用於全球航行援助。　　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生的原因之一。根據愛因斯坦相對論，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米範圍內，這個誤差實際是需要通過愛因斯坦相對論來進行修正的。由於全球定位系統的衛星是在不同圓心的軌道上，由於各個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。」格羅德特彆強調了衛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 回顧不斷受到挑戰的時間觀　　「從趨勢上看，相對論實驗做的是越來越細。」聶玉昕指出，目前關於相對論的實驗依然是物理界的一大熱點。而關於時間的討論，則是熱點中的熱點。　　「生活於時間中的人們，不管他願意與否，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。」這是美國比較宗教史權威埃利亞代(M. Eliade)在他的代表作《永恆回歸的神話》中對傳統時間觀的一段描述。

1911年首次索爾未會議的照片。與會者是當時最著名的一批物理學家，其中包括普朗克（後排左二）、居里夫人（前排右一）、龐加萊（前排右二）、朗之萬（後排右一）及愛因斯坦（後排右二）

　　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識，則是亞里士多德在對物體運動的研究中發現的。雖然亞里士多德並沒有把時間作為一個抽象的數量參數，但他認為「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於研究有規律的運動的人是伽利略。當年伽利略在教堂祈禱時，根據自己的脈搏來測量鐘的擺動，最終發現了鐘擺運動的基本規律：它的擺動周期與其擺幅無關。　　真正確定時間觀的科學地位的，還是牛頓。他的理論讓時間在研究宇宙規律中起到關鍵性作用。17世紀晚期，牛頓繼承和發展了伽利略的時空觀，時間和空間時彼此獨立，互不相關，且不受物質和運動的影響。　　從其自身性質來看，牛頓的時間是精確的，根據時間普遍流動的思想，牛頓發展了他的「流數理論」。牛頓所作的貢獻在於，為時間做了希臘幾何學沒為空間做的事：把時間理想化為能精確測量的維。　　應該說，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像的也都是絕對時間。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，不論你在怎麼運動，不論你在做些什麼，對於任何人來說，時間都是按照相同的速度闊步前行，準確無誤地在整個宇宙中勾勒出現實的連續片斷。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、現在和未來。　　直到19世紀末，這個傳統的時間觀念還是牢牢佔據著主導的地位。然而，這一切都隨著科學的發展而變得不同了。愛因斯坦告訴我們，時間是相對的。　　大約在20世紀初，科學家們在解釋電磁學與熱力學的衝突時，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，發現牛頓的普遍性時間概念得出了矛盾的結論。　　第一個矛盾是電磁學與熱力學的衝突，是在試著理解時間之箭時產生的。大多數物理過程具有內在的方向性，這個事實在熱量流動的方向(從熱到冷)上表現得尤為明顯。第二個矛盾體現為牛頓的絕對時間觀與帶電粒子的運動相對性之間的衝突。　　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》一文中提出了狹義相對論，這成為現代物理學的時空理論。他強調，光速對所有的慣性系都是不變的。　　當時，年僅26歲的愛因斯坦大膽地擯棄了經典權威的概念。他從相對性原理和光速不變原理出發，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，因為無法探測相對於以太的運動，因此，以太的概念是多餘的。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。在愛因斯坦看來，如果兩個人是相對靜止的，那麼，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，就被視為科學異端。因為它要求物理學家改變最普通的概念，這在物理學界引起了許多爭論。相對論指出，不能籠統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，這取決於如何去測量這一物體，以及在質能關係問題上。對於愛因斯坦在上世紀發出的箴言，一百餘年來，反對者有之，贊成者則更多。　　然而，相對論的出場是順應時事而為的。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，狹義相對論的出現也不會再等多久。因為龐加萊已很接近構成狹義相對論的那些東西了。事實上，狹義相對論中的許多變換公式在1905年之前就已經有了，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，並不是必然就要畫上等號。　　儘管如此，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採取完全否定態度的。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家，不易走出傳統時空觀的陰影。　　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，但他並不邪惡。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。　　最初的抵抗過後，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，芝加哥大學宇宙學家特納(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家對宇宙的看法。」　　愛因斯坦自己也對特別相對論進行進一步的擴展，他於1916年發表了《一般相對論》，就對地球引力做了更多的解釋。愛因斯坦想到，如果質量和能量會造成四維空間(三維空間加上時間)的彎曲，那麼，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。霍金曾評價道：「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……但根據廣義相對論，宇宙大爆炸標誌著宇宙的起源，時間的開始。」　　而在張元仲看來，這一百餘年來，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生在1938年，當時美國的科學家用多普勒效應———當人和聲源在相對遠離或相對靠近時聽到的單調改變———作為測量工具。此後，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。後者更難驗證，「但是目前我們已經有了很多驗證途徑。」張元仲指出，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，而且預言了很多新的物理效應，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、黑洞和暗能量等奇妙現象，幾乎都隱藏在相對論那幾行簡單的公式中。由此，科學家們更孜孜不倦地投入到相對論的實驗論證中。「相對論的實驗沒有盡頭，就像牛頓的經典理論一樣，直到現在我們還在實驗室里做著。」張元仲表示。　　而廣義相對論框架下關於宇宙奧秘的揭示更是吸引著科學家前行，不僅是物理學界，還有天文學界。　　在宇宙學的應用方面，大型的天文觀測裝置(包括地面裝置和空間裝置)前幾年陸續所獲得的大量觀測數據極大地促進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。來自天文觀測等實驗結果表明，現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、25%的暗物質和70%的暗能量。但是，暗物質和暗能量的構成問題還不清楚。　　此外，其他新的大型天文觀測裝置已經建成或將陸續建成。類似用來檢驗空間彎曲和自旋效應的「引力探測器B」已於2004年4月20日在美國升空，「本來是計劃一年後公布數據的，但是直到現在還沒有公布。」張元仲看來，這些數據的公布會使我們對廣義相對論的認識更為豐富。　　事實上，相對論在揭示宇宙奧秘的同時，也給了人們想像的空間。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，那麼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，也是不絕於報道之中。　　愛因斯坦的相對論開啟了一個新紀元，何時會是轉折？關於這個問題，誰也無法給出答案。相對論經歷的百年實驗路，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。在宇宙學中，有時又用以太來表示佔據天體空間的物質。17世紀的笛卡兒是一個對科學思想發展有重大影響的哲學家，他最先將以太引入科學，並賦予它某種力學性質。　　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，如磁力和月球對潮汐的作用力。　　後來，以太又在很大程度上作為光波的荷載物同光的波動學說相聯繫。光的波動學說是由胡克首先提出的，並為惠更斯所進一步發展。在相當長的時期內(直到20世紀初)，人們對波的理解只局限於某種媒介物質的力學振動。這種媒介物質就稱為波的荷載物，如空氣就是聲波的荷載物。來源: 新知周刊
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