|
理論物理研究所研究員李淼經(jīng)常給報(bào)刊寫科普文章，也愛(ài)發(fā)一些不著調(diào)的議論。最近讀到他的一篇文章，把中國(guó)科學(xué)落后的原因歸咎于中國(guó)人太功利，總要追問(wèn)某項(xiàng)科學(xué)研究對(duì)大眾生活有什么用，而其實(shí)有些重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)是沒(méi)有什么實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的。他舉的例子是愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論。 我們對(duì)科學(xué)研究的態(tài)度固然不必太功利，基礎(chǔ)研究的結(jié)果也未必都有實(shí)用價(jià)值，不過(guò)這位研究員的例子卻沒(méi)有舉對(duì)。主要應(yīng)用于高速狀態(tài)、微觀世界和宇觀世界的愛(ài)因斯坦相對(duì)論似乎離我們的日常生活很遙遠(yuǎn)，其實(shí)不然，它也有實(shí)用價(jià)值，一個(gè)著名的例子是全球定位系統(tǒng)（GPS）。在十幾年前，GPS還是高尖端的東西，而現(xiàn)在它已進(jìn)入了普通人家，只要花幾百塊錢給車輛裝一個(gè)GPS導(dǎo)航儀，或花一、兩千塊錢買一個(gè)帶GPS的手機(jī)，就可以隨時(shí)知道自己在地球上的準(zhǔn)確位置。 GPS是靠美國(guó)空軍發(fā)射的24顆GPS衛(wèi)星來(lái)定位的（此外還有幾顆備用衛(wèi)星），每顆衛(wèi)星上都攜帶著原子鐘，它們計(jì)時(shí)極為準(zhǔn)確，誤差不超過(guò)十萬(wàn)億分之一，即每天的誤差不超過(guò)10納秒（1納秒等于10億分之一秒），并不停地發(fā)射無(wú)線電信號(hào)報(bào)告時(shí)間和軌道位置。這些GPS衛(wèi)星在空中的位置是精心安排好的，任何時(shí)候在地球上的任何地點(diǎn)至少都能見(jiàn)到其中的4顆。GPS導(dǎo)航儀通過(guò)比較從4顆GPS衛(wèi)星發(fā)射來(lái)的時(shí)間信號(hào)的差異，計(jì)算出所在的位置。 GPS衛(wèi)星以每小時(shí)14000千米的速度繞地球飛行。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，運(yùn)動(dòng)速度越快，時(shí)間就越慢。因此在地球上看GPS衛(wèi)星，它們攜帶的時(shí)鐘要走得比較慢，用狹義相對(duì)論的公式可以計(jì)算出，每天慢大約7微秒。 GPS衛(wèi)星位于距離地面大約2萬(wàn)千米的太空中。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，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GPS衛(wèi)星所在的時(shí)空更加彎曲，這樣，從地球上看，GPS衛(wèi)星上的時(shí)鐘就要走得比較快，用廣義相對(duì)論的公式可以計(jì)算出，每天快大約45微秒。 在同時(shí)考慮了狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論后，GPS衛(wèi)星時(shí)鐘每天還要快上大約38微秒，這似乎微不足道，但是如果我們考慮到GPS系統(tǒng)必須達(dá)到的時(shí)間精度是納秒級(jí)的，這個(gè)誤差就非常可觀了（38微秒等于38000納秒）。如果不校正的話，GPS系統(tǒng)每天將會(huì)累積大約10千米的定位誤差，是沒(méi)有用的。為此，在GPS衛(wèi)星發(fā)射前，要先把其時(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。此外，GPS衛(wèi)星的運(yùn)行軌道并非完美的圓形，與地面的距離和運(yùn)行速度會(huì)有所變化，如果軌道偏心率為0.02，時(shí)間就會(huì)有46納秒的誤差。由于地球的自轉(zhuǎn)，GPS導(dǎo)航儀在地球表面上的位移也會(huì)產(chǎn)生誤差，例如當(dāng)GPS導(dǎo)航儀在赤道上，而GPS衛(wèi)星在地平線上時(shí)，由于位移產(chǎn)生的誤差將會(huì)達(dá)到133納秒。GPS導(dǎo)航儀在定位時(shí)還必須根據(jù)相對(duì)論進(jìn)行計(jì)算糾正這些誤差。 可見(jiàn)GPS的使用既離不開(kāi)狹義相對(duì)論，也離不開(kāi)廣義相對(duì)論。GPS的使用是1993年開(kāi)始的，但是早在1955年就有物理學(xué)家提出可以利用在衛(wèi)星上放置原子鐘來(lái)驗(yàn)證廣義相對(duì)論了，GPS實(shí)現(xiàn)了這一設(shè)想，并讓普通人也能親身體驗(yàn)到相對(duì)論的威力。一名研究相對(duì)論的理論物理研究員不知道這一點(diǎn)，令人覺(jué)得不可思議。但是也正因?yàn)樗且詫＜业纳矸菪Q相對(duì)論沒(méi)有什么實(shí)際用途的，就更容易誤導(dǎo)讀者，以為相對(duì)論還只是數(shù)學(xué)上的抽象和實(shí)驗(yàn)室里的玩意兒。 國(guó)內(nèi)有不少否定相對(duì)論的人，在網(wǎng)上到處宣揚(yáng)他們已證明了相對(duì)論是錯(cuò)誤的。他們還成立批判相對(duì)論的“學(xué)術(shù)”組織互相抱團(tuán)打氣，在火鍋城之類的地方“隆重”舉行“學(xué)術(shù)研討會(huì)”。其中還不乏大學(xué)教授。我就曾經(jīng)收到河北一所高校的教師寄來(lái)的論文，用官方哲學(xué)理論否證相對(duì)論。這不由讓人想起文革時(shí)期對(duì)相對(duì)論的批判。這些人的思想還停留在30多年前，他們不知道我們的日常生活早已離不開(kāi)相對(duì)論，倒也情有可原。現(xiàn)在他們知道了，是否會(huì)改變立場(chǎng)？恐怕不會(huì)。這個(gè)世界上偏執(zhí)的人很多。比如，還有很多人堅(jiān)定地相信地是平的，即便衛(wèi)星早已拍下了地球的照片，即便人類早已登上了月球，他們也認(rèn)為這一切不過(guò)是一場(chǎng)騙局，只有他們的信仰是永遠(yuǎn)正確的。 2009.4.6. |
