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理論物理研究所研究員李淼經常給報刊寫科普文章，也愛發一些不著調的議論。最近讀到他的一篇文章，把中國科學落后的原因歸咎于中國人太功利，總要追問某項科學研究對大眾生活有什么用，而其實有些重大科學發現是沒有什么實際應用價值的。他舉的例子是愛因斯坦的狹義相對論和廣義相對論。 我們對科學研究的態度固然不必太功利，基礎研究的結果也未必都有實用價值，不過這位研究員的例子卻沒有舉對。主要應用于高速狀態、微觀世界和宇觀世界的愛因斯坦相對論似乎離我們的日常生活很遙遠，其實不然，它也有實用價值，一個著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，而現在它已進入了普通人家，只要花幾百塊錢給車輛裝一個GPS導航儀，或花一、兩千塊錢買一個帶GPS的手機，就可以隨時知道自己在地球上的準確位置。 GPS是靠美國空軍發射的24顆GPS衛星來定位的（此外還有幾顆備用衛星），每顆衛星上都攜帶著原子鐘，它們計時極為準確，誤差不超過十萬億分之一，即每天的誤差不超過10納秒（1納秒等于10億分之一秒），并不停地發射無線電信號報告時間和軌道位置。這些GPS衛星在空中的位置是精心安排好的，任何時候在地球上的任何地點至少都能見到其中的4顆。GPS導航儀通過比較從4顆GPS衛星發射來的時間信號的差異，計算出所在的位置。 GPS衛星以每小時14000千米的速度繞地球飛行。根據狹義相對論，當物體運動時，時間會變慢，運動速度越快，時間就越慢。因此在地球上看GPS衛星，它們攜帶的時鐘要走得比較慢，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2萬千米的太空中。根據廣義相對論，物質質量的存在會造成時空的彎曲，質量越大，距離越近，就彎曲得越厲害，時間則會越慢。受地球質量的影響，在地球表面的時空要比GPS衛星所在的時空更加彎曲，這樣，從地球上看，GPS衛星上的時鐘就要走得比較快，用廣義相對論的公式可以計算出，每天快大約45微秒。 在同時考慮了狹義相對論和廣義相對論后，GPS衛星時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系統必須達到的時間精度是納秒級的，這個誤差就非常可觀了（38微秒等于38000納秒）。如果不校正的話，GPS系統每天將會累積大約10千米的定位誤差，是沒有用的。為此，在GPS衛星發射前，要先把其時鐘的走動頻率調慢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有所變化，如果軌道偏心率為0.02，時間就會有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產生誤差，例如當GPS導航儀在赤道上，而GPS衛星在地平線上時，由于位移產生的誤差將會達到133納秒。GPS導航儀在定位時還必須根據相對論進行計算糾正這些誤差。 可見GPS的使用既離不開狹義相對論，也離不開廣義相對論。GPS的使用是1993年開始的，但是早在1955年就有物理學家提出可以利用在衛星上放置原子鐘來驗證廣義相對論了，GPS實現了這一設想，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，令人覺得不可思議。但是也正因為他是以專家的身份宣稱相對論沒有什么實際用途的，就更容易誤導讀者，以為相對論還只是數學上的抽象和實驗室里的玩意兒。 國內有不少否定相對論的人，在網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“學術”組織互相抱團打氣，在火鍋城之類的地方“隆重”舉行“學術研討會”。其中還不乏大學教授。我就曾經收到河北一所高校的教師寄來的論文，用官方哲學理論否證相對論。這不由讓人想起文革時期對相對論的批判。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相對論，倒也情有可原。現在他們知道了，是否會改變立場？恐怕不會。這個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，即便人類早已登上了月球，他們也認為這一切不過是一場騙局，只有他們的信仰是永遠正確的。 2009.4.6. |
