就在你現在捧的這個手機裡,愛因斯坦的相對論離我們並不遙遠


就在你現在捧的這個手機裡,愛因斯坦的相對論離我們並不遙遠

1971年,兩位美國科學家哈夫勒和基廷把三臺原子鐘帶到機場。

這是當時最好的鐘表。這種表一旦互相調準一致後就能夠以相當精確的水準保持同步:幾百萬年的誤差只有十億分之一秒。這真是非常可靠的鐘表。

現在哈夫勒和基廷有了三臺這樣的鐘,並把它們調準同步了。

他們把一個留在地面,放在機場候機廳裡,給另兩臺鍾在兩個航班上各訂了一個座位。

那兩架飛機起飛了,一架向東飛,另一架向西,各繞地球一圈,最後回到它們出發的機場,三臺原子鐘表再次會合。因為地球本身向東自轉,因此向東與向西飛的飛機在相對於機場的整體速度上有一點點差異。

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現在,如果大自然遵循我們的直覺運行,那麼無論飛機怎麼飛,三臺原子鐘應該依然保持同步,對於上帝放在自己床頭櫃上的宇宙標準鐘錶來說,一秒鐘就是一秒鐘,每一秒鐘過去,那根秒針就移動一格。你見過或使用過的所有鐘錶,不管是不是機械的,顯然都是這樣的。就這麼簡單。

然而,大自然才不在乎我們的直覺,碰巧這個關於鐘錶與時間的直覺是錯的。只是我們通常使用的鐘表精度不夠,沒能顯示出這種差別而已。我們的直覺是錯的,而愛因斯坦卻是正確的。

當飛機回到當初的機場時,哈夫勒和基廷發現他們的三臺鍾已不再同步。

向東飛行的飛機上的鐘與放在機場的鐘相比慢了十億分之五十九秒,而往西飛的飛機上的鐘表則快了十億分之二百七十三秒。

如果這三臺原子鐘一直放在一起,需要超過三億年才能自然地產生這樣的誤差。

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哈夫勒和基廷認為,差異有著兩個不同的來源。

一是速度,按照愛因斯坦所猜想的狹義相對論:三臺原子鐘之間的相對速度的確能夠造成一些微小——但可測量——的時間膨脹效應。

而第二個來源與速度無關,而是引力,來自愛因斯坦的廣義相對論:就像一個重球滾動在橡皮膜上,球近處的膜變形比遠處的要顯著,愛因斯坦認為,地球對於時空的影響在地球表面比在飛機飛行的高空更顯著,這個高度差別也會造成兩處時間流逝的差異。

這兩種效應相互獨立,哈夫勒和基廷在進行他們的實驗之前就已算出結果。

將兩者相加。

總而言之,愛因斯坦的理論預言與固定在地球表面的鐘相比,往東飛的鐘會慢十億分之六十秒,而往西飛的鐘應該快十億分之二百七十五秒。

實驗證實了他的預測。

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這點時間差別或許聽起來微不足道,但要注意飛機並沒有飛得很快,地球也不是一個太大的天體。飛得更快或離引力更強的物體更近時,時間差異會變得巨大。

同時,哈夫勒和基廷實驗的精度自一九七一年起到現在已被不停提高,以越來越高的確定度證實了這一結論。時空的確意味著它所意味的含義:空間與時間的混合。

在我們的宇宙中,鐘錶的走動速度決定於誰在看:取決於你在哪裡、你身邊有什麼(引力部分)以及你的速度。在二十世紀早期,這一切還非常抽象,在今天,它們已成為實驗事實。我們不得不接受。

在這個我們的宇宙裡,時間與距離不是普適的絕對概念。它們取決於觀察者,取決於是誰在體驗以及誰在觀察。它們都是相對的,否則,光速就無法成為常數,也無法成為極限。

好了,那我們人類又該如何加以應對?它改變了我們的日常生活沒有?

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那個完全取決於速度的部分的確如此,是的——而且改變了很多。不僅我們的技術常常利用各種快速運動的粒子的交換來傳遞信息,而且狹義相對論還幫助我們瞭解構成我們的物質是如何工作的。構成我們身體的原子裡的電子——以及這個世界上其他許多極小的東西——都以相當快的速度運動。

關於引力或時空的部分,雖然聽起來很奇妙,但至今為止,只有一種面對大眾市場銷售的設備用到了它:GPS,即全球定位系統。每次你利用GPS確定自己的位置時,不管是智能手機裡的GPS還是車裡的GPS,它們都考慮了地球周圍空間與時間彎曲的效應。離地面越近,彎曲程度越大——不僅在空間上如此,在時間上也是如此。

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天空裡的衛星中有一個鐘錶,與你的GPS接收器通信以確定位置。如果不對地面與衛星上的時間不同進行修正的話,你的位置很快就會完全錯誤,以每天十公里的速度漂移。GPS會因此變得完全無用。GPS的成功應用得歸功於愛因斯坦的狹義相對論與廣義相對論。


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