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有沒有可能愛因斯坦的相對論誤導(dǎo)科學(xué)界,導(dǎo)致基礎(chǔ)物理停滯不前?

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首先不得不說一切皆有可能,我不能否定會有題主說的這種情況。這也是關(guān)于量子世界中不確定性的多世界詮釋所描述的情形。但我也不得不說至少在我們的這個世界,愛因斯坦的相對論并不是誤導(dǎo)而是極大地指導(dǎo)了物理學(xué)的發(fā)展。(只能揣測:可能在另一個平行宇宙相對論可能阻礙了那里的人類物理學(xué)的進(jìn)步。不過那個世界會不會很荒誕呢?很難說。)



相對論的驗證

自愛因斯坦提出相對論之后,不僅狹義和廣義相對論都不斷得到實驗的證實,如:

  • 麥克森-莫雷實驗證實了光速的各向同性特征(并沒有被以太吹走);
  • 而后肯尼迪·桑代克實驗又證明了光在任何慣性參照系下往復(fù)運動的時間是相同的;
  • 之后,伊思-史迪威實驗證實了,運動中的原子鐘的頻率會按狹義相對論所述規(guī)律變化。

后來,這些經(jīng)典的實驗又被以不斷提升的精度重復(fù)了很多次。除此之外,其他證實了狹義相對論的實驗還包括:

  • 高速度下相對論能量和動量的增加實驗
  • 時間膨脹實驗
  • 羅倫茲違反的現(xiàn)代搜索實驗

等等。

證實廣義相對論的實驗有:

  • 水星軌道近日點歲差觀測
  • 太陽對光的扭曲觀測
  • 光的引力紅移觀測
  • 慣性系拖拽觀測

等等。

相對論對物理學(xué)各領(lǐng)域的推動

狹義相對論帶來了在各種相對速度下不同于牛頓力學(xué)的物理預(yù)測的產(chǎn)生,并且當(dāng)相對速度變得與光速相當(dāng)時反直覺的相對論效應(yīng)最為明顯。這些效應(yīng)給物理學(xué)不同的領(lǐng)域都帶來了極大的推動,例如:

  • 在光學(xué)方面,以薩格納克效應(yīng)制成的環(huán)激光干涉儀或者光纖干涉儀可以非常精確地度量角速度。激光測距,以及激光測速因為光速的不變性而變得可能。
  • 在宇宙學(xué)方面,諸如光年這樣的距離單位只有在光速不變性之下才能成立;此外像時間膨脹和尺縮效應(yīng)對于觀測和測量遙遠(yuǎn)的天體是不能回避的問題,諸如泰瑞爾-彭羅斯效應(yīng),相對論多普勒效應(yīng)等等。



上圖:一個立方體在加速到0.99倍光速的過程中的尺寸尺寸和視覺外觀的變化。上圖左側(cè)是實測尺寸,而右側(cè)是視覺外觀。在泰瑞爾-彭羅斯旋轉(zhuǎn)效應(yīng)下,我們會觀察到此立方體發(fā)生了泰瑞爾旋轉(zhuǎn),這是由于立方體背面的光線會晚于正面到達(dá)我們的眼睛(實際上該立方體并未發(fā)生旋轉(zhuǎn))。

  • 在力學(xué)方面,依據(jù)狹義等效性原理推導(dǎo)出來的質(zhì)能等效性,其最精辟的結(jié)論就是質(zhì)能方程。此方程在力學(xué)方面意義深遠(yuǎn)。
  • 在電磁學(xué)方面,經(jīng)典電磁學(xué)的理論研究發(fā)現(xiàn)了電磁波。推廣的電磁效應(yīng)方程發(fā)現(xiàn)電場和磁場的有限傳播速度牽涉到帶電粒子的某些行為,于是對于移動電荷的一般研究形成了李納-維謝勢,這是向狹義相對論邁出的一小步。雖然麥克斯韋方程組的3d形式,已經(jīng)與狹義相對論的物理內(nèi)涵一致,但狹義相對論為電場在不同慣性系之間的轉(zhuǎn)換提供了規(guī)則。
  • 在量子力學(xué)方面,狹義相對論與量子力學(xué)結(jié)合,形成了相對論量子力學(xué)和量子電動力學(xué)。較早的波爾-索默菲爾德原子模型利用狹義相對論和當(dāng)時對量子力學(xué)的初步知識解釋了堿金屬原子的精細(xì)結(jié)構(gòu)。1928年,保羅·狄拉克又構(gòu)建的相對論波動方程,即狄拉克方程,與狹義相對論和1926年以后形成的量子理論的最終版本完全兼容。此方程不僅解釋了被稱為自旋的電子的固有角動量,它還預(yù)測了電子的反粒子——正電子的存在,以及只能用狹義相對論來充分解釋的精細(xì)結(jié)構(gòu),并成為相對論量子力學(xué)的首個基礎(chǔ)。在非相對論量子力學(xué)中,自旋僅是現(xiàn)象學(xué)意義上的無法解釋。

廣義相對論導(dǎo)致了一系列的物理結(jié)論和預(yù)測,除了直接導(dǎo)致引力波天文學(xué)的誕生,還涉及天文學(xué)宇宙學(xué)和天體物理學(xué)等等諸多方面,基本上都與引力有關(guān),諸如:

  • 引力時間膨脹以及頻移
  • 光線彎曲和引力時延
  • 引力波
  • 軌道極距點的進(jìn)動
  • 測地線進(jìn)動和參照系拖拽效應(yīng)
  • 軌道衰減



  • 上圖:PSR1913+1630年間的軌道周期衰減(單位:秒)
  • 引力透鏡效應(yīng)
  • 關(guān)于黑洞以及其他致密天體的預(yù)測和理論
  • 宇宙模型

等等。

工程上的應(yīng)用

相對論效應(yīng)不僅僅是理論,而且還是重要的實際工程需要考慮的原理。大多數(shù)基于衛(wèi)星的測量都需要考慮相對論效應(yīng),不僅因為多數(shù)衛(wèi)星相對于地球上的使用者而言都是運動的,因此在相對論下處于不同的參照系,還因為它們在地球引力場中的距離導(dǎo)致時間流逝的速度與地面不同。



上圖:定位衛(wèi)星的時鐘校準(zhǔn)需要考慮相對于地面廣義相對論時間流逝加速的效應(yīng)(上圖方塊連線)和狹義相對論時間流逝減緩的效應(yīng)(上圖三角連線),最后得出總相對論效應(yīng)造成的定位衛(wèi)星時鐘偏差量。

全球定位系統(tǒng),如北斗、GPS、GLONASS和伽利略等,都必須考慮所有的相對論效應(yīng),包括地球引力場的效應(yīng),以便精確地工作。如果忽略相對論,那么從電子顯微鏡到粒子加速器之類的儀器都將不起作用。

總結(jié)

在我們當(dāng)前的宇宙中,相對論提供了一整套得到了實驗驗證的理論基礎(chǔ),并且持續(xù)不斷地被新的觀測和實驗所證實。由此看來,相對論不像是愛因斯坦對物理學(xué)界的“大忽悠”,反而越來越像是指導(dǎo)物理學(xué)前行的動力。

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