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理論物理研究所研究員李淼經(jīng)常給報刊寫(xiě)科普文章，也愛(ài)發(fā)一些不著(zhù)調的議論。最近讀到他的一篇文章，把中國科學(xué)落后的原因歸咎于中國人太功利，總要追問(wèn)某項科學(xué)研究對大眾生活有什么用，而其實(shí)有些重大科學(xué)發(fā)現是沒(méi)有什么實(shí)際應用價(jià)值的。他舉的例子是愛(ài)因斯坦的狹義相對論和廣義相對論。 我們對科學(xué)研究的態(tài)度固然不必太功利，基礎研究的結果也未必都有實(shí)用價(jià)值，不過(guò)這位研究員的例子卻沒(méi)有舉對。主要應用于高速狀態(tài)、微觀(guān)世界和宇觀(guān)世界的愛(ài)因斯坦相對論似乎離我們的日常生活很遙遠，其實(shí)不然，它也有實(shí)用價(jià)值，一個(gè)著(zhù)名的例子是全球定位系統（GPS）。在十幾年前，GPS還是高尖端的東西，而現在它已進(jìn)入了普通人家，只要花幾百塊錢(qián)給車(chē)輛裝一個(gè)GPS導航儀，或花一、兩千塊錢(qián)買(mǎi)一個(gè)帶GPS的手機，就可以隨時(shí)知道自己在地球上的準確位置。 GPS是靠美國空軍發(fā)射的24顆GPS衛星來(lái)定位的（此外還有幾顆備用衛星），每顆衛星上都攜帶著(zhù)原子鐘，它們計時(shí)極為準確，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(xiàn)電信號報告時(shí)間和軌道位置。這些GPS衛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導航儀通過(guò)比較從4顆GPS衛星發(fā)射來(lái)的時(shí)間信號的差異，計算出所在的位置。 GPS衛星以每小時(shí)14000千米的速度繞地球飛行。根據狹義相對論，當物體運動(dòng)時(shí)，時(shí)間會(huì )變慢，運動(dòng)速度越快，時(shí)間就越慢。因此在地球上看GPS衛星，它們攜帶的時(shí)鐘要走得比較慢，用狹義相對論的公式可以計算出，每天慢大約7微秒。 GPS衛星位于距離地面大約2萬(wàn)千米的太空中。根據廣義相對論，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衛星所在的時(shí)空更加彎曲，這樣，從地球上看，GPS衛星上的時(shí)鐘就要走得比較快，用廣義相對論的公式可以計算出，每天快大約45微秒。 在同時(shí)考慮了狹義相對論和廣義相對論后，GPS衛星時(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系統必須達到的時(shí)間精度是納秒級的，這個(gè)誤差就非�？捎^(guān)了（38微秒等于38000納秒）。如果不校正的話(huà)，GPS系統每天將會(huì )累積大約10千米的定位誤差，是沒(méi)有用的。為此，在GPS衛星發(fā)射前，要先把其時(shí)鐘的走動(dòng)頻率調慢100億分之4.465，把10.23兆赫調為10.22999999543兆赫。此外，GPS衛星的運行軌道并非完美的圓形，與地面的距離和運行速度會(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，GPS導航儀在地球表面上的位移也會(huì )產(chǎn)生誤差，例如當GPS導航儀在赤道上，而GPS衛星在地平線(xiàn)上時(shí)，由于位移產(chǎn)生的誤差將會(huì )達到133納秒。GPS導航儀在定位時(shí)還必須根據相對論進(jìn)行計算糾正這些誤差。 可見(jiàn)GPS的使用既離不開(kāi)狹義相對論，也離不開(kāi)廣義相對論。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星上放置原子鐘來(lái)驗證廣義相對論了，GPS實(shí)現了這一設想，并讓普通人也能親身體驗到相對論的威力。一名研究相對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。但是也正因為他是以專(zhuān)家的身份宣稱(chēng)相對論沒(méi)有什么實(shí)際用途的，就更容易誤導讀者，以為相對論還只是數學(xué)上的抽象和實(shí)驗室里的玩意兒。 國內有不少否定相對論的人，在網(wǎng)上到處宣揚他們已證明了相對論是錯誤的。他們還成立批判相對論的“學(xué)術(shù)”組織互相抱團打氣，在火鍋城之類(lèi)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)理論否證相對論。這不由讓人想起文革時(shí)期對相對論的批判。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)相對論，倒也情有可原�，F在他們知道了，是否會(huì )改變立場(chǎng)？恐怕不會(huì )。這個(gè)世界上偏執的人很多。比如，還有很多人堅定地相信地是平的，即便衛星早已拍下了地球的照片，即便人類(lèi)早已登上了月球，他們也認為這一切不過(guò)是一場(chǎng)騙局，只有他們的信仰是永遠正確的。 2009.4.6. |
