有一個(gè)小學(xué)生問(wèn)老師：愛(ài)因斯坦有什么發(fā)明嗎？老師說(shuō)：沒(méi)有。小學(xué)生不解：既然沒(méi)有發(fā)明，為什么說(shuō)愛(ài)因斯坦非常偉大？老師說(shuō)：因?yàn)槿绻麤](méi)有他，今天的文明都將不存在 　　1904年愛(ài)因斯坦首次提出了相對(duì)論，今年是相對(duì)論問(wèn)世一百年。 　　相對(duì)論和量子論都被列入迄今為止最偉大的科學(xué)成就，支撐著所有的現(xiàn)代物理學(xué)。 相對(duì)論研究的是宏觀的宇宙，包括太陽(yáng)發(fā)光和宇宙大爆炸；量子論研究的是非常微觀的世界，今天我們大部分的電子、化學(xué)產(chǎn)品都是在量子論的基礎(chǔ)上研究出來(lái)的。這兩大理論使人類(lèi)能夠了解宇宙，建設(shè)一個(gè)現(xiàn)代化的地球。 　　愛(ài)因斯坦沒(méi)有發(fā)明，甚至沒(méi)有實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)總是在他的大腦中完成。愛(ài)因斯坦的偉大在于他不僅是相對(duì)論之父，而且量子理論也是在相對(duì)論的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，所以有人稱(chēng)愛(ài)因斯坦是量子論的教父。 　　愛(ài)因斯坦與當(dāng)今世界 　　舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，就可以知道相對(duì)論與我們的生活有著怎樣密切的關(guān)系。愛(ài)因斯坦認(rèn)為物質(zhì)的質(zhì)量是能量的壓縮，只要用E=mc2公式就可以算出質(zhì)量或能量的變化，煙感器就是根據(jù)這個(gè)公式設(shè)計(jì)出來(lái)的。镅241是一種帶有放射性的金屬，在每一個(gè)煙感器中，都有非常微量的镅241。镅241釋放出帶電的微小粒子束，任何煙霧一旦出現(xiàn)，就會(huì)改變微小粒子帶電的狀態(tài)，引發(fā)能量變化，啟動(dòng)報(bào)警器。 　　全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)也依賴(lài)于愛(ài)因斯坦的相對(duì)論。愛(ài)因斯坦指出：傳統(tǒng)的時(shí)間概念只能在簡(jiǎn)單的條件下才能確定，當(dāng)多種因素暫時(shí)聯(lián)系起來(lái)的時(shí)候，傳統(tǒng)的計(jì)時(shí)方法就失去作用。全球定位衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)，由于處在不同的參照系上，時(shí)空無(wú)法和地面同步，只有根據(jù)衛(wèi)星和地面的原子鐘不斷調(diào)整時(shí)間，才能保證定位系統(tǒng)的精確。光纖通訊也要依賴(lài)相對(duì)論的幫助。愛(ài)因斯坦指出當(dāng)電子在特定條件下被激活，與光子發(fā)生作用，能產(chǎn)生等量的光子?？茖W(xué)家后來(lái)發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象的延續(xù)就能產(chǎn)生激光束。今天的光纜中傳送的就是激光。 　　今天的數(shù)碼相機(jī)和相對(duì)論也有關(guān)系。愛(ài)因斯坦指出光束中的光子帶有足夠能量，可以解除金屬對(duì)電子的束縛。當(dāng)光線照射到金屬，就會(huì)產(chǎn)生電流，進(jìn)而能形成電子圖像。電腦的顯示屏也跟愛(ài)因斯坦有關(guān)。雖然當(dāng)電子被加速以后，在屏幕上能產(chǎn)生光，但是出現(xiàn)的是一團(tuán)光而不是圖像，如何將電子束變成圖像就離不開(kāi)相對(duì)論的幫助了。在醫(yī)學(xué)方面，同位素、放射等治療手段越來(lái)越普及，放射科醫(yī)生也用E=mc2公式測(cè)量x射線對(duì)DNA的殺傷力。相對(duì)論與我們的生活如此密切的例子太多太多了。 　　光速導(dǎo)致發(fā)現(xiàn) 　　愛(ài)因斯坦從小就迷上了物理，16歲時(shí)就開(kāi)始考慮光速問(wèn)題。1904年愛(ài)因斯坦首次提出了相對(duì)論，1905年愛(ài)因斯坦在瑞士伯爾尼專(zhuān)利局當(dāng)一個(gè)三級(jí)小職員，但他的相對(duì)論理論已很成熟，盡管沒(méi)有人承認(rèn)他。 　　傳統(tǒng)的牛頓理論認(rèn)為，速度可以相加。但是對(duì)光線就不成立了，實(shí)驗(yàn)證明不論火車(chē)朝什么方向開(kāi)，信號(hào)燈相對(duì)火車(chē)的速度是一樣的。在相對(duì)論之前，邁克爾遜實(shí)驗(yàn)已證明，順著與逆著地球運(yùn)動(dòng)的方向光速都是一樣。這個(gè)道理并不難懂：比如你原地不動(dòng)，對(duì)面有人向你扔過(guò)來(lái)一個(gè)籃球。你能看到球，如果按照經(jīng)典的速度相加原理，球一出手后就有一個(gè)向你而來(lái)的速度，這時(shí)球反射到你眼中的速度是光速加球速，比球未出手前要快(多出一個(gè)球速)。如果真是這樣，我們?cè)趺茨芸椿@球比賽呢？ 　　在天文觀察中也能說(shuō)明光速不受星球運(yùn)動(dòng)方向的影響：“雙星”是某星球一會(huì)兒向地球飛來(lái)，一會(huì)兒又繞離地球的現(xiàn)象，如果按速度合成原理，這星球會(huì)以光速加星速、光速減星速(星速對(duì)地球來(lái)說(shuō)又在不斷變)等不同速度接連送到我們眼里，我們看到的就不是一顆星，而是一大堆星的幻影了?？墒沁@種現(xiàn)象從沒(méi)有發(fā)生，否則本來(lái)就夠紛亂的星空更是一鍋粥了。 　　愛(ài)因斯坦緊緊抓住這一點(diǎn)繼續(xù)追問(wèn)：光速不變，只有時(shí)間和距離是變量才能成立。他用這個(gè)尺度來(lái)量運(yùn)動(dòng)的物體，這下可發(fā)現(xiàn)了一個(gè)大問(wèn)題：原來(lái)時(shí)間、空間都沒(méi)有個(gè)固定標(biāo)準(zhǔn)，是相對(duì)的，可變的。 　　稱(chēng)稱(chēng)燈光有多重 　　接著，愛(ài)因斯坦得出了幾個(gè)重要結(jié)論：時(shí)間、距離會(huì)因運(yùn)動(dòng)快慢而變化。 　　就是說(shuō)在運(yùn)動(dòng)中的鐘會(huì)比靜止時(shí)走得慢，尺子也會(huì)縮短。隨著速度減慢，鐘會(huì)走得快一些，尺子會(huì)慢慢變長(zhǎng)，直到靜止時(shí)恢復(fù)原狀。我們平時(shí)處在低速運(yùn)動(dòng)中當(dāng)然不可能覺(jué)察，但是如果以每秒26萬(wàn)公里的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，一米的尺子就會(huì)縮成半米，地上過(guò)了一小時(shí)，運(yùn)動(dòng)中的時(shí)鐘卻才走了半小時(shí)。一個(gè)人要是坐上光子火箭到宇宙里去旅行，當(dāng)他歸來(lái)時(shí)會(huì)奇怪地發(fā)現(xiàn)，兒子已白發(fā)蒼蒼，而自己卻還那樣年輕。這樣的實(shí)驗(yàn)我們當(dāng)然還沒(méi)有條件做，但是同樣道理的實(shí)驗(yàn)卻完全可以證明，運(yùn)動(dòng)中的“鐘”確實(shí)會(huì)變慢。比如以原子的放射性作為衡量時(shí)間的尺度，因此我們可以把它看成是一個(gè)“鐘”。根據(jù)相對(duì)論，運(yùn)動(dòng)粒子比靜止粒子的衰變期應(yīng)該長(zhǎng)一些，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，從粒子加速器里出來(lái)的以接近光速運(yùn)動(dòng)的粒子比其他靜止的粒子確是衰變得慢。 　　第二個(gè)結(jié)論是關(guān)于質(zhì)量和能量的關(guān)系，這就是那個(gè)極其著名的愛(ài)因斯坦方程：E＝mc2 　　有了這個(gè)公式，經(jīng)典物理學(xué)中不能稱(chēng)重的，也變成可以稱(chēng)一稱(chēng)了?？梢运愠鲆粋€(gè)10瓦的燈泡每分鐘發(fā)射的光輕于7×10-12克。每天太陽(yáng)放出輻射能，其損失的質(zhì)量達(dá)4×1011噸。電磁場(chǎng)也可以稱(chēng)量，一個(gè)1米直徑的銅球充電到1000伏的電勢(shì)時(shí)，它周?chē)膱?chǎng)重2×10-22克，一個(gè)普通實(shí)驗(yàn)室里的磁場(chǎng)重10-15克。熱能也可以稱(chēng)量，一公升水在100℃時(shí)比同樣數(shù)量的冷水重10-20克，一個(gè)兩萬(wàn)噸級(jí)的原子彈所釋放的總能量約重1克。這個(gè)公式在核子裂變中最能體現(xiàn)，將質(zhì)量很小的一塊鈾的原子結(jié)構(gòu)破壞掉，將產(chǎn)生原子彈的威力。 　　相對(duì)論的另一個(gè)結(jié)論是揭示了質(zhì)量和速度的關(guān)系，運(yùn)動(dòng)中的物體比靜止時(shí)質(zhì)量加重。 　　鏈接 　　扭曲時(shí)空才有引力 　　1916年愛(ài)因斯坦又提出：星球的質(zhì)量使周?chē)臅r(shí)空彎曲，星球上的“引力”實(shí)際上是一個(gè)時(shí)空被彎曲的現(xiàn)象，好像一個(gè)鉛球墜在一張床單上，所有掉下去的物質(zhì)都會(huì)按照床單的形狀滑落，光線也不例外。黑洞就是受到“鉛球”的影響產(chǎn)生的。作為廣義相對(duì)論的一部分，1911年愛(ài)因斯坦在一篇論文中提出恒星發(fā)出的光由于受太陽(yáng)的影響會(huì)發(fā)生彎曲，所以我們看到的恒星位置與實(shí)際位置會(huì)有一點(diǎn)誤差。雖然數(shù)學(xué)公式能夠證實(shí)這個(gè)理論的正確，但是為了在實(shí)踐中證實(shí)這個(gè)理論，1919年5月29日，英國(guó)劍橋大學(xué)天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)埃丁頓率領(lǐng)一支觀測(cè)隊(duì)攜帶了大批器材趕到西非幾內(nèi)亞普林西比島，在日食這個(gè)最好的時(shí)機(jī)拍攝了一批照片。將其中的16張送到英國(guó)皇家學(xué)會(huì)，結(jié)果證明愛(ài)因斯坦的理論沒(méi)有錯(cuò)。 　　不存在精確時(shí)空 　　愛(ài)因斯坦認(rèn)為，任何實(shí)驗(yàn)也測(cè)不出絕對(duì)運(yùn)動(dòng)和絕對(duì)時(shí)間。在兩個(gè)做勻速直線運(yùn)動(dòng)的參照系中，一切自然時(shí)間、距離都是相對(duì)的。在這個(gè)參照系里觀察是靜止的，在那個(gè)參照系觀察就可能是運(yùn)動(dòng)的，不單力學(xué)實(shí)驗(yàn)，連光學(xué)實(shí)驗(yàn)，都是這樣。我們平時(shí)總覺(jué)得同時(shí)，但事實(shí)上，光把發(fā)生的一切傳到我們眼里就已經(jīng)有誤差了，只不過(guò)因?yàn)楣馑偬?、距離太短，誤差根本覺(jué)不出來(lái)。