相对论是差不多100年前由德籍科学家爱因斯坦提出来的,那时候他还是一个瑞士伯尔尼专利局的一位年轻的技术员。在相对论刚刚被发表的时候,曾经被当时的哲学界强烈的质疑,甚至是极端鄙夷。这是因为,相对论给出的全新时空观,是如此的与传统直觉相违背。在爱因斯坦的脑海中,时空体系是可塑的、动态的,不再是分离的、静态的。时空不但能弯曲,还能造成钟慢尺缩效应这种让人匪夷所思的情况。比如,拳王泰森臂粗腰圆,腰围起码得有3尺8,当泰森乘坐一艘以光速的99.99%运动的宇宙飞船时,他的腰围就会变为0.3尺,打败了全世界的杨柳细腰。当然,具体的数值计算需要一种叫做洛仑兹变换式的工具来做。

爱因斯坦的相对论之所以被科学界接受,主要源于英国天文学家爱丁顿爵士的大力赞许和宣传。爱丁顿爵士也是一个超重量级大牛,当时是英国科学界的扛把子。正是因为爱丁顿爵士的强烈推荐,相对论才引起当时英国科学界上层的重视,最后由英国皇家学会资助,组织了两支科考队,分别在非洲几内亚万湾的普林西比岛和巴西的索布拉尔进行了实地观测。按照相对论的预言,大质量天体会明显的扭曲光的路径,而金牛星座发射出来的光线经过太阳周边引力场的时候,我们在地球上就会观测到。科考队的观测数值证明了相对论的准确性,爱因斯坦下了一城。

但让爱因斯坦真正成为家喻户晓的热门人物,还是因为媒体界的宣传。据说,在一篇新闻报道中,记者采访了一直支持爱因斯坦的爱丁顿爵士。记者问他,据说相对论很难被搞懂,世界上只有5个人懂得它,这5个人里面有您吗?爱丁顿爵士眨了眨眼,对记者说,我也一直在想,这5个人里面到底有谁呢?这样的新闻当然是极具眼球效应的,爱因斯坦立即在西方世界火的一塌糊涂,被认为是“智慧的化身”。爱因斯坦的一言一行,都备受瞩目,他的妙语语录,被民众广泛传播。当时没有网络,否则的话,爱因斯坦就是头号网红。不过,“相对论很难,普通人不可能懂”这一理念,就一直被流传下来,以至于很多人一提相对论都说“我知道”,但是他们不敢去研究具体说的是什么?因为在传闻中相对论很可怕。其实,今天任何一个理科专业的大学生,都是可以懂得相对论的。毕竟我们的时代不同了,起点也不一样了。100多年前的知识界还普通相信以太,而科学家则早就证明它是不存在的。科学家用自己的努力,不断提升着整个社会的智慧高度。

有些朋友就会问,相对论既然这么牛,那么它在生活生产之中有什么具体的实用价值呢?按照某些人的理解,相对论等科学理论,纯粹就是科学家脑海中构思出来的“玩具”,很牛,很酷,但是与日常生活有点远。其实,除了纯粹的数论,绝大多数的科学理论或者数学理论,都是可以指导生活生产实践的。就比如量子力学,没有对它的研究,就没有半导体产业。相对论是一种很有效的科学理论,这是被严格证明的,已经没有争议。同时,相对论也是一种很好的指导生活生产实践工具。

我举一个例子,大家都听说过全球卫星导航定位系统,英文缩写是GPS。现在我们出门开车,去一个没有去过的遥远的陌生地方,就需要用到电子地图,而电子地图就需要GPS来定位。简单来说,GPS系统就是利用空间人造地球卫星向活动在地面的人提供一个三维的服务系统,这个服务系统包括了三维空间坐标定位、时间、运行速度等要素。我们有了GPS,我们去了哪里,坐在交通工具上就知道我们在具体的什么时间点运行到了具体哪里。可以这样说,如果没有了相对论,很多人都无法驾车远游,因为相对论与GPS的应用密切相关。

导航定位系统不但具有民用价值,还有很大的军事价值。而美国,就是最早研发GPS系统的国家,它一直走在这一领域的最前列。早在1978年2月22日,美国就为了建立GPS系统发射了第一颗人造卫星。如今,美国一共发射了25颗人造卫星,它们在太空轨道上围绕地球运转,时时刻刻向地面发送时间信号。由于人造卫星的覆盖面广,在地球的任何一个角落,都有至少4颗卫星在无时无刻的进行信号传输,哪怕你去了南太平洋的一个远离大陆海岸线几千千米的无人烟的荒岛,你也可以随时接收到这些卫星的信号服务。

除了美国人搞出来的GPS系统,其他国家或者地区也有类似的卫星导航定位系统的研究和应用。毕竟这东西太宝贵,价值太高,谁都不想永远受制于美国。

于是,我们国家搞出来一个北斗卫星导航系统,这是我们中国人自主建设、独立运行的一种卫星导航系统,它可以为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务。此外,我们的邻居俄罗斯也搞了一个“GLONASS”,它就是格洛纳斯卫星导航系统,其作用类似于美国的GPS和中国的“北斗导航”。欧洲研发导航系统也比较早。欧共体时代,欧洲国家就一起开始搞一个“伽利略全球卫星定位系统”,在这个系统里面,一共由30颗卫星组成,目前已经组建完毕。欧盟委员会认为,我们现在也拥有了自己的全球卫星导航系统,终于可以打破美国GPS系统的垄断地位了,在全球高科技竞争浪潮中将获取有利地位,更可以为建设欧洲独立防务赢得保证。而日本人也不甘居于人后,花费大力气搞了一个“准天顶卫星定位系统”。这个系统的规模小一点,差不多就是4颗卫星,比欧盟的少26颗。原因是日本受制于美国,由于卫星导航定位系统可以直接服务于军事用途,如果搞得规模太大,就会被美国猜忌。所以,日本人不敢搞大的,就弄4颗卫星先使用起来。总之,虽然一直有“大哥”美国的保护,日本人处心积虑还是想要在这一领域自己弄一个独立的系统出来。

不管是哪个国家或者地区搞的全球卫星导航定位系统,它们都要在距离地球表面上空至少2万千米处运动,其运行时速很快,一般不小于14000千米。这样,这些分布在地球上空的卫星,就会不可避免的牵扯到与相对论有关联的一系列的问题。比如,依据相对论的钟慢尺缩效应,卫星快速的做围绕地球的运动,就会导致一个时间的膨胀问题。简单说,卫星上的时间和地球上的时间速率不一样了。一个物体的运动速度越快,它所经历的时间就会越短暂,时间速率会趋于缓慢。这不是因为时间计算仪器的缺陷造成的计算误差,而是真正的时间出现了差别。

其次,卫星和地球表面的重力场是不完全一样的,而重力是直接影响到时间的,这样也导致了卫星上时间与地球上时间的差异。我们即使攀登上一座2层的小楼,我们站在楼顶,由于重力场的差异,楼顶的时间就与一楼的时间的速率就是不一样的,只不过由于很细微,难以直接察觉。但是人造卫星距离地表的高度有至少14000千米,而美国的GPS卫星距离地球地表高达20200千米,这样的距离已经足以把差异放大到足以影响生活生产的程度。因为,在美国GPS卫星所在的区域的高度,其重力场的值大概只有地球表面的4.8~4.9%。按照相对论的理论,重力场越强,其区域内时间流动的速率越慢,重力场越弱,则时间流动的速率越快。

所以说,黑洞的重力场强大的最变态,所以黑洞附近的时间流动非常缓慢。美国GPS卫星所在区域的重力场不到地球的5%,重力场这样的弱小,则时间流动的速率就会加快上去。这样计算下来,由于重力场的差异,卫星的时间速率与地球上的时间速率的差异将达到千分之十七秒多一点,或者是百分之一点七秒多。

一旦时间出现误差,定位就会失灵,这些误差如果不找办法解决掉,就会造成全球卫星导航地位系统的服务会越来越差,最终失去一切的应用价值。而如果我们掌握了相对论,就懂得原来这些都是有误差的,也就会提前找出修正的方案,让导航卫星的服务更加精确。一般来说,为了消除时间误差造成的定位失误,我们会将导航卫星的时钟标准频率调小为4.5X10-3赫兹。而如果我们不知道相对论理论的存在,就没有办法应用卫星导航系统了。

作者:怀疑探索者