相对论改变百年

尽管大多数人至今还不知道相对论究竟是怎么回事，但事实上，它早就深刻地影响到整个人类社会，直接或间接地影响了我们每一个人。

1919年，阿尔伯特·爱因斯坦(1879～1955)在与儿子埃德瓦的谈话中说：“当一只甲虫在一根弯曲的树枝上爬行的时候，它并没有觉察到这根树枝是弯曲的。我有幸觉察到了甲虫没有觉察到的东西。”

爱因斯坦的这一觉察，在其后近100年中改变了整个世界，并且，这种改变现在还在继续。

2005年是爱因斯坦作出关键性科学发现100周年，国际纯粹与应用物理联合会邀请联合国教科文组织，与世界各国、包括发展中国家的物理学会和团体一道，组织活动庆祝2005国际物理年。

1月13日，在巴黎召开的国际物理年发起会议上，国际物理年在全球正式启动。随后，1月19日，德国总理施罗德也宣布本国的“爱因斯坦年”(德、英等国把国际物理年直接命名为“爱因斯坦年”)开始。施罗德称赞爱因斯坦“用他的思想给科学带来了彻底变革，并改变了世界”。

“100年前，近代世界最著名科学家阿尔伯特·爱因斯坦发表了具有划时代意义的5篇物理学论文，奠定了相对论的基础，并且为量子理论的发展做出了重要贡献。原子能、晶体管、计算机、激光、纳米材料、宇宙飞船、生命科学等20世纪的重大发明，都是由爱因斯坦开创的近代物理学的结晶。”在珠海闭幕的“2005年理论物理研讨会”上，中国理论物理学家吴式枢院士、张宗烨院士等人给予爱因斯坦和他的理论如此评价。

颠覆传统的时空观

在爱因斯坦为数众多的贡献中，一直抓住公众想像力的就是一个词：相对论。狭义相对论产生于爱因斯坦26岁那年。但事实上，这个思想并不是那一年突然在他大脑里面产生的，而是经过了长时间的酝酿。

当和爱因斯坦一般年纪的大多数男孩子在追女生的时候，他却在梦想着一个“追光试验”。那时他大约16岁，他意识到，如果他能跑得足够快追上光的话，那么一束光对于他来说就成了一个冻结在时间里面的电磁场。“但是，那样的事情是不可能存在的！”爱因斯坦说。十年之后，这一见识发展成为狭义相对论。在爱因斯坦之前，牛顿经典力学经过几百年的发展，被一些人认为已经臻于完美，以至于当时有一个科学家说：“现在，后世物理学家可做的事情已经不多了。”然而，19世纪末，臻于完美的物理学殿堂上空出现了两朵“乌云”：迈克尔逊-莫雷实验寻找绝对参考系“以太”遭到了失败；“黑体辐射”现象无法用经典理论解释。

于是，1905年，德国《物理学年鉴》刊登了一系列论文，以不到70页的篇幅解答第一个谜：我们不需要“以太”，自然界根本不存在绝对静止的参考系。论文彻底颠覆了我们以往的时空观。论文的作者是一位名不见经传的年轻人26岁的爱因斯坦。

在1905年之前，物理学家相信空间是一个宽广的舞台，在这个展现着宇宙戏剧的舞台上，时间对于所有的演员而言都在以同样的速度“滴答滴答”地流逝着。

狭义相对论否定了所有的这一切。它用一个简单的“时空”代替了作为独特实体的空间和时间，而“时空”这个概念，对于彼此相对运动着的观察者而言看上去是不同的——也就是说，对于坐在地面上的一个人和坐着飞机旅行的另一个人，时间的流逝速度完全不同。

“绝对”的相对论

中国科学院理论物理研究所研究员、博士生导师张元仲在接受本刊采访时说，事实上，相对论作为一种新的哲学，已经彻底颠覆了牛顿力学的时空观。在应用上，牛顿力学可以在普通宏观低速的情况下作为一种近似计算而运用，但在概念上，牛顿力学对客观世界的描述实际上已经是一种错误。

相对论中，“相对”指的是宇宙中不存在绝对静止的参考系。作为一种理论，相对论的很多结论在表述上都是很“绝对”的，甚至于绝对到了让很多“科学”幻想者绝望的地步。

首先，相对论指出真空中的光速是不可超越的。在牛顿力学里面，速度可以没有上限，而现在，30万公里/秒成为了我们宇宙中的速度极限。这让很多科幻迷感到不舒服：它让我们乘宇宙飞船作星际旅行的愿望几乎不可能实现。

并且，对于任何人(无论你是静坐在地球上还是乘飞船在作高速旅行)而言，测量一束光相对于你的速度都将得到同样的答案——真空中的一束光对于任何参考系都是以30万公里/秒的速度前进。

其次，时间不能独立于空间而存在，“时空”是完全一体的。

还有就是，质量和能量存在密不可分的关系即质能关系，E=mc2成为了有史以来最伟大的公式。

实际上，爱因斯坦非常喜欢那种能够“绝对准确”地描述物质运动客观规律的理论。也因此，对于20世纪发展起来的另一个重要理论体系——量子力学，尽管他也是奠基人之一，爱因斯坦却因为它的概率论(认为微观世界存在“不确定性”)的性质而感到沮丧，他执著地认为“上帝不会掷骰子”，物质的运动状态应该是确定的。

广义相对论指引天文学

现代天文学又被称作相对论天文学，那是因为整个现代天文学系统各个领域的发展都必须依靠相对论作为理论工具，主要依靠的是广义相对论。

在1905年创立狭义相对论之后，爱因斯坦开始考虑在时空中加入引力的情况。与数学家合作，经过10年的努力，1916年他创立了广义相对论。20世纪发展出的两大物理学基本理论体系中，可以说，量子力学是包括爱因斯坦在内的众多科学家共同努力的结果，而狭义相对论整个体系，几乎是凭借爱因斯坦一个人的力量构建起来的。

据国家天文台研究员李竞介绍，在狭义相对论出现之前，天文学更多地集中于观测，和理论物理没有多少关系。当狭义相对论刚出来的时候，天文学家觉得这是电动力学的事，跟天文挂不上边。但到了1915年广义相对论诞生之后，由于它的表述用到了极其深奥的数学工具，绝大多数天文学家又根本看不懂它，更不用说是去理解它。这就是广义相对论出来之初和者极寡的原因所在。也因此，在1929年之前，相对论并没有对天文学的发展起到什么作用。但在1929年之前，用牛顿力学解释天文学观测结果的方法已经出现了危机。最先的阴影就是水星的进动，即天文学家用牛顿力学计算得到的水星运行轨迹和实际观测的结果不符。一开始人们以为存在一颗水内行星，甚至已经为它起好了名字“祝融星”。于是大家用望远镜去寻找它，由于旁边存在太过明亮的太阳，寻找水内行星是很艰难的一件事。天文学家为此吃尽了苦头，也没有找到这颗实际上并不存在的“祝融星”。

当爱因斯坦用他的广义相对论来对水星的运行轨迹进行计算时，他发现，由于水星的运行速度太快，已经必须考虑其相对论效应，牛顿力学已经不适应对它进行描述。相对论很好地解释了水星的进动现象。重新认识宇宙

随后爱因斯坦试着用广义相对论来考察宇宙，得到了同用牛顿力学计算完全不同的结果：当恒星的运行速度达到接近光速、相互距离达到上亿光年时，牛顿力学已经无法下手。从大尺度考察宇宙，得到的结果是宇宙不可能稳定。这远远超出了牛顿力学的计算范围。相对论得到了与牛顿力学指导下的经典宇宙观完全不同的动态宇宙。

进一步研究将得到令牛顿时期无法想像的一个结论：动态宇宙必然有着起源、演化和未来。也就是说，我们的宇宙和时间有一个起点，并且也不一定是永恒的。这成了20世纪、也是有史以来人类对客观世界认识的最大改变。从此，相对论和天文学中的最后一个领域——宇宙学——相结合，指导了现代天文学近百年的发展，指导了今天人类对宇宙的认识。

“今天我们观测哪颗恒星或者类星体离我们多远、谈论暗物质和暗能量、黑洞等等，所有的一切都离不开相对论。”李竞说，“爱因斯坦为我们建立了一个很好的框架，沿着他给出的道路，后世的科学家在不同的领域里进一步认识我们的这个世界。”

重审狭义相对论

相对论迫使我们接受新的空间和时间、物质和能量的概念,这个理论在数学上直截了当，但是听上去却是超现实主义的，因此尽管狭义相对论已经深入现代物理学的每一个角落，还是有那么多人努力地试图证明它是错误的。原因有很多。哈佛大学的Gerald Gabrielse说：“如果我们发现可以推翻爱因斯坦理论的东西，将其应用到物理学中，将影响到我们在各方面对宇宙结构的理解。”其中一些人希望能在相对论的关键组成部分中发现微妙的缺点——这些缺点，或许能将物理学领入比爱因斯坦所开辟的更加陌生的领域。这个人群的数目还在不断增长。

另一方面，如同19世纪末一样，一些粒子理论学家开始感觉到，如果相对论一直正确下去，对于现代物理学家而言，“剩下的就没有多少可以做的了”。马萨诸塞技术学院的理论物理学家Roman Jackiw说，粒子理论学家现在只有一点点新鲜和具有挑战性的数据可以咀嚼。

物理学家们现在用巨大的粒子加速器加速粒子，期望它能突破光速，从而推翻狭义相对论。他们甚至重复1887年完成的著名的迈克尔逊-莫雷实验，期望发现“以太”一样的东西。最有名的是一种被称为“背景场”的理论，“背景场”类似于一个绝对的参考系“以太”。但正如迈克尔逊和莫雷没有抓到任何“以太”的气息一样，现代实验者们经过多年的反复努力，也没有发现任何存在“背景场”的蛛丝马迹。尽管有这样那样的努力，狭义相对论迄今为止还是纹丝未动。

人们依然对相对论不理解

更多质疑相对论的人，并不是因为希望在相对论基础上进一步发展，而是因为牛顿力学更深入人心，并且，相对论的很多结论和我们的日常经验并不一致，他们从心底里不能接受——因此想重新回到牛顿力学时代。

张元仲从上世纪70年代开始，一直在执行一项特殊的任务：回答难以计数的、来自全国各地的质疑相对论的信件。张元仲告诉本刊记者：“他们提出的问题全部都可以在相对论范围内得到解决。他们之所以认为相对论出现问题，全都是在思考问题过程中，某一环节又回到了牛顿力学的思维。”

爱因斯坦给今天的人们留下了太多的遗产。相对论和量子论为20世纪物理学的发展奠定了基础。回顾上个世纪，物理学在半导体、集成电路、激光、磁性、超导等方面的发现是信息革命的科学基础，由物理学研究衍生的新技术和新产品深刻地改变了人们的生产方式和生活方式。它还为生物、医疗、地学、农业提供了强大的探测手段和研究方法，促进了化学、天文、材料、能源、信息等学科的发展。

当然，爱因斯坦的遗产，还包括那为数众多的、继承了他衣钵的物理学家。