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【欣赏】相对论都有什么用

《科普创作》 李淼 2018-07-26 18:00

编者按

李淼,人称“淼叔”,是个爱玩跨界的物理大咖。

先后毕业于北京大学、中国科学技术大学,丹麦哥本哈根大学,获理学和哲学博士学位。1990年起先后在美国加州大学圣塔芭芭拉分校、布朗大学任研究助理、研究助理教授,1996年在芝加哥大学费米研究所任高级研究助理。1999年回国,任中国科学院理论物理研究所研究员、博士生导师。2013年加盟中山大学,现为中山大学天文与空间科学研究院院长。著有《超弦史话》《越弱越暗越美丽》《〈三体〉中的物理学》等。

本文节选自李淼《给孩子讲相对论》中的第四讲。

 

到了这一讲,我该和小朋友们谈谈相对论的用处了。其中有实际的应用,也有在科学中的应用。

我们在第二讲中谈到光速是不变的,这一点在爱因斯坦第一次提出来的时候,让很多人震惊了:这是怎么回事?难道我们在日常生活中看到的速度不是叠加的吗?假如你的朋友坐火车,你去送行,火车开动起来的时候,他沿着火车开动的方向走,你看到他的走路速度就是他自己相对火车的速度加上火车相对你的速度。

现在,你的朋友在火车上打开手机上的手电筒,他看到的光的速度居然和你看到的手电筒发出的光的速度一样,这太不可思议了。假如你看懂了第二讲,这种事虽然不可思议,相信你还是会理解、接受的。

光速不变,对孩子来说也许比对成人来说更容易接受一些,毕竟孩子的头脑里没有那么多条条框框,所以我有时真的觉得跟小朋友们交流比跟成人交流容易一些。

在第二讲中我们谈到光速不变的后果,第一个后果就是运动的钟变慢了,不仅是钟变慢了,所有运动着的事物都变慢了,比如一个人的成长。那么,物理学家是怎么证实这个令人震惊的结论的呢?我们自己想一想,找什么样的东西来做实验最好?哦,当然是以接近光速运动的物体。这些物体是些什么呢?物理学家发现,很多来自宇宙深处的基本粒子的速度跟光速相差不大。

在宇宙中,除了组成分子、原子的电子和原子核,还有很多粒子,物理学家管它们叫基本粒子,因为它们像电子和原子核一样,都非常非常小。在地球上存在的粒子之外,最早被发现的基本粒子叫谬子,谬是一个希腊字母的发音。这个粒子非常像电子,只是它比电子重了大约两百倍。另外一个和电子不同的是,它的寿命很短很短,只有五十万分之一秒。现在,我们可以验证相对论了,因为谬子的五十万分之一秒是它静止不动时的寿命。聪明的小朋友马上会说,让它以接近光速的速度运动,它的寿命就会变长,因为运动起来的时钟会变慢,看上去就像慢动作,那么,一个粒子的寿命也是以“慢动作”来展示的。

假如,我们想将谬子的寿命变成一秒,让我们能够看到它,它的速度需要多大呢?谬子的速度只比光速慢了每秒五分之三毫米,想想看,光的速度是每秒三十万千米,这个差别实在太小了。快速奔跑中的谬子可以存活一秒,那么,它就可以跑差不多三十万千米,科学家可以很容易看到它了。

谬子最早是在宇宙射线中被发现的,发现这种粒子的人是美国物理学家卡尔·安德森。这位物理学家运气特别好,在发现谬子的那年也就是1936年,获得了诺贝尔奖,当然,他获奖的原因不是发现了谬子,而是发现了电子的反物质——正电子。这个人虽然很了不起,但故事却比较少。

故事比较多的是预言正电子的英国物理学家狄拉克。虽然霍金现在比他有名得多,但狄拉克才是20世纪最了不起的英国物理学家。我们在谈他预言正电子的故事之前,先谈谈他最有名的故事。

有一个流传很广的故事与狄拉克的性格有关。什么样的性格呢?就是不随便附和别人,对细节认真。故事是这样的,在狄拉克担任剑桥大学教授期间,一位印度物理学家访问剑桥,有机会和狄拉克共进高桌晚宴。狄拉克这个人生性不喜欢讲话,为了打破沉默,这位印度物理学家就说:“今天的风很大。”狄拉克一声不吭,并且站了起来向大门走去。印度物理学家正尴尬得不行,就看到狄拉克打开大门,探头看了看,关上大门,走回来,坐到原来的位置上,对他说:“不错。”

这个故事说明了狄拉克性格中的两个特点:第一,他对任何事都认真;第二,他喜欢简练。说到他不喜欢多话,狄拉克自己说是因为他父亲来自瑞士说法语的区域,为了让狄拉克继承法国的文化传统,在他小时候要求在家里只讲法语。为了逃避学习法语,狄拉克干脆就不怎么说话。还有一个关于狄拉克不爱说话的笑话,他的一个剑桥大学的同事开玩笑地发明了一个“狄拉克单位”,狄拉克单位就是“每小时说一个字”。现在,如果你每小时说十个字,你的语速就是十个狄拉克单位。自从量子力学建立后,世世代代的物理学家都将狄拉克写的《量子力学原理》作为最重要的教科书来学习,这本书本身也反映了狄拉克的风格:严谨和惜字如金。

在《给孩子讲量子力学》中,很可惜由于篇幅限制,我没有谈到狄拉克。狄拉克是除了海森堡和薛定谔之外对量子力学贡献最大的人。正因为他的贡献,在1933年他和薛定谔分享了诺贝尔物理学奖。其实,狄拉克对量子力学最有名的贡献是将相对论用到量子力学中。在海森堡、薛定谔和他自己建立量子力学的两年后,狄拉克写出了满足相对论的薛定谔方程,这个方程后来被大家称为狄拉克方程。

有人说,狄拉克方程是物理学中最优美的方程之一。在我看来,狄拉克方程可以和麦克斯韦为电磁现象写下的方程以及爱因斯坦为万有引力写下的方程并列。一个方程美不美,关键看它是不是足够简练,以及它在物理学中的应用。狄拉克方程预言了电子有反粒子,也就是说,世界上必须存在一种电荷正好和电子相反、质量和电子一样重的粒子。因为这种粒子的性质和电子相反,所以被称为电子的反粒子,这种粒子叫正电子,因为它带正电荷。

当然,狄拉克预言这个粒子的时候,其实有一段有趣的过程。开始的时候,他说,电子必须有一个反粒子,电荷和它相反,但质量是一样大的。如果电子遇到这个反粒子,灾难就会发生,它们会集合在一起、消失,然后成为光子。这种过程有点像自杀,所以物理学家将这一过程称为湮灭。可是,过了一段时间,并没有人发现正电子,狄拉克有点急了,就想修改他的理论,说电子的反粒子应该是质子,就是氢原子核。质子正好带正电荷,可是它的质量比电子大了差不多两千倍。好在过了四年,也就是1932年,前面提到的安德森就发现了正电子。安德森也是在宇宙射线中发现正电子的。

狄拉克的太太是犹太物理学家魏格纳的妹妹曼茜。在他给曼茜的信中,他写道,“我从来没见过一个人真的喜欢另一个人——我觉得这种事在小说之外并不存在”,“我在小时候就发现,最好的策略是把幸福寄托在自己身上,而不是别人”。在他感到曼茜想要与他交往时,狄拉克就说:“你应该知道,我并不爱你,假装爱你是不对的。我从来没有爱过,所以并不能理解如此精妙的感情。”

在他给曼茜的另一封信中,他甚至画了一个表格,左边是曼茜在之前的信中提过的问题,右边是对应的回答,这封信现在还存有影印件。这封信正是狄拉克风格的证明。关于狄拉克的风格,还有两个故事。在一次讲座中,有一个听众提问:“我没看懂黑板右上角的那个方程。”狄拉克听完后一直沉默,在主持人的要求下只说了一句:“那不是一个问题,只是一个评论。”

另一个故事是关于狄拉克和媒体的关系的。他根本没有兴趣和媒体交流。一次,狄拉克在美国麦迪逊做学术访问,当地记者库格林对狄拉克进行了短暂采访,有如下记录。记者问:“博士,您现在能用几句话给我讲讲您做的研究吗?”狄拉克说:“不行。”记者说:“那好。那我这样写行吗?‘狄拉克教授解决了数学物理的所有问题,但无法找到合适的方法算出贝比·鲁斯的安打率。’”狄拉克说:“行。”贝比·鲁斯是美国著名棒球运动员,安打是棒球及垒球运动中的一个名词。

今天,物理学家每天都在加速器上大量产生正电子,比如,北京的正负电子对撞机中就有很多正电子。在狄拉克用相对论和量子力学预言了反物质之后,物理学家找到了所有粒子的反物质,没有任何例外。

(本文节选自《给孩子讲相对论》,湖南科技出版社,2018年3月)

本文转载自《科普创作》2018年第2期。

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