首先不得不說(shuō)一切皆有可能,我不能否定會(huì)有題主說(shuō)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(shuō)至少在我們的這個(gè)世界,愛(ài)因斯坦的相對(duì)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(cè):可能在另一個(gè)平行宇宙相對(duì)論可能阻礙了那里的人類(lèi)物理學(xué)的進(jìn)步。不過(guò)那個(gè)世界會(huì)不會(huì)很荒誕呢?很難說(shuō)。)
相對(duì)論的驗(yàn)證
自愛(ài)因斯坦提出相對(duì)論之后,不僅狹義和廣義相對(duì)論都不斷得到實(shí)驗(yàn)的證實(shí),如:
- 麥克森-莫雷實(shí)驗(yàn)證實(shí)了光速的各向同性特征(并沒(méi)有被以太吹走);
- 而后肯尼迪·桑代克實(shí)驗(yàn)又證明了光在任何慣性參照系下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間是相同的;
- 之后,伊思-史迪威實(shí)驗(yàn)證實(shí)了,運(yùn)動(dòng)中的原子鐘的頻率會(huì)按狹義相對(duì)論所述規(guī)律變化。
后來(lái),這些經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)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(shí)了狹義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)還包括:
- 高速度下相對(duì)論能量和動(dòng)量的增加實(shí)驗(yàn)
- 時(shí)間膨脹實(shí)驗(yàn)
- 羅倫茲違反的現(xiàn)代搜索實(shí)驗(yàn)
等等。
證實(shí)廣義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)有:
- 水星軌道近日點(diǎn)歲差觀測(cè)
- 太陽(yáng)對(duì)光的扭曲觀測(cè)
- 光的引力紅移觀測(cè)
- 慣性系拖拽觀測(cè)
等等。
相對(duì)論對(duì)物理學(xué)各領(lǐng)域的推動(dòng)
狹義相對(duì)論帶來(lái)了在各種相對(duì)速度下不同于牛頓力學(xué)的物理預(yù)測(cè)的產(chǎn)生,并且當(dāng)相對(duì)速度變得與光速相當(dāng)時(shí)反直覺(jué)的相對(duì)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(lái)了極大的推動(dòng),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(cè)距,以及激光測(cè)速因?yàn)楣馑俚牟蛔冃远兊每赡堋?/li>
- 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(shí)間膨脹和尺縮效應(yīng)對(duì)于觀測(cè)和測(cè)量遙遠(yuǎn)的天體是不能回避的問(wèn)題,諸如泰瑞爾-彭羅斯效應(yīng),相對(duì)論多普勒效應(yīng)等等。
上圖:一個(gè)立方體在加速到0.99倍光速的過(guò)程中的尺寸尺寸和視覺(jué)外觀的變化。上圖左側(cè)是實(shí)測(cè)尺寸,而右側(cè)是視覺(jué)外觀。在泰瑞爾-彭羅斯旋轉(zhuǎn)效應(yīng)下,我們會(huì)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(huì)晚于正面到達(dá)我們的眼睛(實(shí)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(lái)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(chǎng)和磁場(chǎng)的有限傳播速度牽涉到帶電粒子的某些行為,于是對(duì)于移動(dòng)電荷的一般研究形成了李納-維謝勢(shì),這是向狹義相對(duì)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(duì)論的物理內(nèi)涵一致,但狹義相對(duì)論為電場(chǎng)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(duì)論與量子力學(xué)結(jié)合,形成了相對(duì)論量子力學(xué)和量子電動(dòng)力學(xué)。較早的波爾-索默菲爾德原子模型利用狹義相對(duì)論和當(dāng)時(shí)對(duì)量子力學(xué)的初步知識(shí)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(duì)論波動(dòng)方程,即狄拉克方程,與狹義相對(duì)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(chēng)為自旋的電子的固有角動(dòng)量,它還預(yù)測(cè)了電子的反粒子——正電子的存在,以及只能用狹義相對(duì)論來(lái)充分解釋的精細(xì)結(jié)構(gòu),并成為相對(duì)論量子力學(xué)的首個(gè)基礎(chǔ)。在非相對(duì)論量子力學(xué)中,自旋僅是現(xiàn)象學(xué)意義上的無(wú)法解釋。
廣義相對(duì)論導(dǎo)致了一系列的物理結(jié)論和預(yù)測(cè),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(shí)間膨脹以及頻移
- 光線彎曲和引力時(shí)延
- 引力波
- 軌道極距點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)
- 測(cè)地線進(jìn)動(dòng)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(cè)和理論
- 宇宙模型
等等。
工程上的應(yīng)用
相對(duì)論效應(yīng)不僅僅是理論,而且還是重要的實(shí)際工程需要考慮的原理。大多數(shù)基于衛(wèi)星的測(cè)量都需要考慮相對(duì)論效應(yīng),不僅因?yàn)槎鄶?shù)衛(wèi)星相對(duì)于地球上的使用者而言都是運(yùn)動(dòng)的,因此在相對(duì)論下處于不同的參照系,還因?yàn)樗鼈冊(cè)诘厍蛞?chǎng)中的距離導(dǎo)致時(shí)間流逝的速度與地面不同。
上圖:定位衛(wèi)星的時(shí)鐘校準(zhǔn)需要考慮相對(duì)于地面廣義相對(duì)論時(shí)間流逝加速的效應(yīng)(上圖方塊連線)和狹義相對(duì)論時(shí)間流逝減緩的效應(yīng)(上圖三角連線),最后得出總相對(duì)論效應(yīng)造成的定位衛(wèi)星時(shí)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(duì)論效應(yīng),包括地球引力場(chǎng)的效應(yīng),以便精確地工作。如果忽略相對(duì)論,那么從電子顯微鏡到粒子加速器之類(lèi)的儀器都將不起作用。
總結(jié)
在我們當(dāng)前的宇宙中,相對(duì)論提供了一整套得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的理論基礎(chǔ),并且持續(xù)不斷地被新的觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。由此看來(lái),相對(duì)論不像是愛(ài)因斯坦對(duì)物理學(xué)界的“大忽悠”,反而越來(lái)越像是指導(dǎo)物理學(xué)前行的動(dòng)力。
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