有一個小學(xué)生問老師：愛因斯坦有什么發(fā)明嗎？老師說：沒有。小學(xué)生不解：既然沒有發(fā)明，為什么說愛因斯坦非常偉大？老師說：因為如果沒有他，今天的文明都將不存在 　　1904年愛因斯坦首次提出了相對論，今年是相對論問世一百年。 　　相對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)。 相對論研究的是宏觀的宇宙，包括太陽發(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)上研究出來的。這兩大理論使人類能夠了解宇宙，建設(shè)一個現(xiàn)代化的地球。 　　愛因斯坦沒有發(fā)明，甚至沒有實驗室，實驗總是在他的大腦中完成。愛因斯坦的偉大在于他不僅是相對論之父，而且量子理論也是在相對論的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，所以有人稱愛因斯坦是量子論的教父。 　　愛因斯坦與當(dāng)今世界 　　舉一個簡單的例子，就可以知道相對論與我們的生活有著怎樣密切的關(guān)系。愛因斯坦認為物質(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)這個公式設(shè)計出來的。镅241是一種帶有放射性的金屬，在每一個煙感器中，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)，就會改變微小粒子帶電的狀態(tài)，引發(fā)能量變化，啟動報警器。 　　全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)也依賴于愛因斯坦的相對論。愛因斯坦指出：傳統(tǒng)的時間概念只能在簡單的條件下才能確定，當(dāng)多種因素暫時聯(lián)系起來的時候，傳統(tǒng)的計時方法就失去作用。全球定位衛(wèi)星發(fā)出的信號，由于處在不同的參照系上，時空無法和地面同步，只有根據(jù)衛(wèi)星和地面的原子鐘不斷調(diào)整時間，才能保證定位系統(tǒng)的精確。光纖通訊也要依賴相對論的幫助。愛因斯坦指出當(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)碼相機和相對論也有關(guān)系。愛因斯坦指出光束中的光子帶有足夠能量，可以解除金屬對電子的束縛。當(dāng)光線照射到金屬，就會產(chǎn)生電流，進而能形成電子圖像。電腦的顯示屏也跟愛因斯坦有關(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)的是一團光而不是圖像，如何將電子束變成圖像就離不開相對論的幫助了。在醫(yī)學(xué)方面，同位素、放射等治療手段越來越普及，放射科醫(yī)生也用E=mc2公式測量x射線對DNA的殺傷力。相對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) 　　愛因斯坦從小就迷上了物理，16歲時就開始考慮光速問題。1904年愛因斯坦首次提出了相對論，1905年愛因斯坦在瑞士伯爾尼專利局當(dāng)一個三級小職員，但他的相對論理論已很成熟，盡管沒有人承認他。 　　傳統(tǒng)的牛頓理論認為，速度可以相加。但是對光線就不成立了，實驗證明不論火車朝什么方向開，信號燈相對火車的速度是一樣的。在相對論之前，邁克爾遜實驗已證明，順著與逆著地球運動的方向光速都是一樣。這個道理并不難懂：比如你原地不動，對面有人向你扔過來一個籃球。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向你而來的速度，這時球反射到你眼中的速度是光速加球速，比球未出手前要快(多出一個球速)。如果真是這樣，我們怎么能看籃球比賽呢？ 　　在天文觀察中也能說明光速不受星球運動方向的影響：“雙星”是某星球一會兒向地球飛來，一會兒又繞離地球的現(xiàn)象，如果按速度合成原理，這星球會以光速加星速、光速減星速(星速對地球來說又在不斷變)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)象從沒有發(fā)生，否則本來就夠紛亂的星空更是一鍋粥了。 　　愛因斯坦緊緊抓住這一點繼續(xù)追問：光速不變，只有時間和距離是變量才能成立。他用這個尺度來量運動的物體，這下可發(fā)現(xiàn)了一個大問題：原來時間、空間都沒有個固定標(biāo)準，是相對的，可變的。 　　稱稱燈光有多重 　　接著，愛因斯坦得出了幾個重要結(jié)論：時間、距離會因運動快慢而變化。 　　就是說在運動中的鐘會比靜止時走得慢，尺子也會縮短。隨著速度減慢，鐘會走得快一些，尺子會慢慢變長，直到靜止時恢復(fù)原狀。我們平時處在低速運動中當(dāng)然不可能覺察，但是如果以每秒26萬公里的速度運動時，一米的尺子就會縮成半米，地上過了一小時，運動中的時鐘卻才走了半小時。一個人要是坐上光子火箭到宇宙里去旅行，當(dāng)他歸來時會奇怪地發(fā)現(xiàn)，兒子已白發(fā)蒼蒼，而自己卻還那樣年輕。這樣的實驗我們當(dāng)然還沒有條件做，但是同樣道理的實驗卻完全可以證明，運動中的“鐘”確實會變慢。比如以原子的放射性作為衡量時間的尺度，因此我們可以把它看成是一個“鐘”。根據(jù)相對論，運動粒子比靜止粒子的衰變期應(yīng)該長一些，實驗結(jié)果證明，從粒子加速器里出來的以接近光速運動的粒子比其他靜止的粒子確是衰變得慢。 　　第二個結(jié)論是關(guān)于質(zhì)量和能量的關(guān)系，這就是那個極其著名的愛因斯坦方程：E＝mc2 　　有了這個公式，經(jīng)典物理學(xué)中不能稱重的，也變成可以稱一稱了?？梢运愠鲆粋€10瓦的燈泡每分鐘發(fā)射的光輕于7×10-12克。每天太陽放出輻射能，其損失的質(zhì)量達4×1011噸。電磁場也可以稱量，一個1米直徑的銅球充電到1000伏的電勢時，它周圍的場重2×10-22克，一個普通實驗室里的磁場重10-15克。熱能也可以稱量，一公升水在100℃時比同樣數(shù)量的冷水重10-20克，一個兩萬噸級的原子彈所釋放的總能量約重1克。這個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。 　　相對論的另一個結(jié)論是揭示了質(zhì)量和速度的關(guān)系，運動中的物體比靜止時質(zhì)量加重。 　　鏈接 　　扭曲時空才有引力 　　1916年愛因斯坦又提出：星球的質(zhì)量使周圍的時空彎曲，星球上的“引力”實際上是一個時空被彎曲的現(xiàn)象，好像一個鉛球墜在一張床單上，所有掉下去的物質(zhì)都會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。作為廣義相對論的一部分，1911年愛因斯坦在一篇論文中提出恒星發(fā)出的光由于受太陽的影響會發(fā)生彎曲，所以我們看到的恒星位置與實際位置會有一點誤差。雖然數(shù)學(xué)公式能夠證實這個理論的正確，但是為了在實踐中證實這個理論，1919年5月29日，英國劍橋大學(xué)天文臺臺長埃丁頓率領(lǐng)一支觀測隊攜帶了大批器材趕到西非幾內(nèi)亞普林西比島，在日食這個最好的時機拍攝了一批照片。將其中的16張送到英國皇家學(xué)會，結(jié)果證明愛因斯坦的理論沒有錯。 　　不存在精確時空 　　愛因斯坦認為，任何實驗也測不出絕對運動和絕對時間。在兩個做勻速直線運動的參照系中，一切自然時間、距離都是相對的。在這個參照系里觀察是靜止的，在那個參照系觀察就可能是運動的，不單力學(xué)實驗，連光學(xué)實驗，都是這樣。我們平時總覺得同時，但事實上，光把發(fā)生的一切傳到我們眼里就已經(jīng)有誤差了，只不過因為光速太快、距離太短，誤差根本覺不出來。