相對論都有什么用

[編者按]

李淼，人稱“淼叔”，是個愛玩跨界的物理大咖。先后畢業(yè)于北京大學、中國科學技術大學，丹麥哥本哈根大學，獲理學和哲學博士學位。1990年起先后在美國加州大學圣塔芭芭拉分校、布朗大學任研究助理、研究助理教授，1996年在芝加哥大學費米研究所任高級研究助理。1999年回國，任中國科學院理論物理研究所研究員、博士生導師。2013年加盟中山大學，現(xiàn)為中山大學天文與空間科學研究院院長。著有《超弦史話》《越弱越暗越美麗》《<三體>中的物理學》等。本期“作家檔案”欄目節(jié)選了李淼《給孩子講相對論》中的第四講，同時附張昊的閱讀筆記以及張曉磊的采訪手記。

到了這一講，我該和小朋友們談談相對論的用處了。其中有實際的應用，也有在科學中的應用。

我們在第二講中談到光速是不變的，這一點在愛因斯坦第一次提出來的時候，讓很多人震驚了：這是怎么回事？難道我們在日常生活中看到的速度不是疊加的嗎？假如你的朋友坐火車，你去送行，火車開動起來的時候，他沿著火車開動的方向走，你看到他的走路速度就是他自己相對火車的速度加上火車相對你的速度。

現(xiàn)在，你的朋友在火車上打開手機上的手電筒，他看到的光的速度居然和你看到的手電筒發(fā)出的光的速度一樣，這太不可思議了。假如你看懂了第二講，這種事雖然不可思議，相信你還是會理解、接受的。

光速不變，對孩子來說也許比對成人來說更容易接受一些，畢竟孩子的頭腦里沒有那么多條條框框，所以我有時真的覺得跟小朋友們交流比跟成人交流容易一些。

在第二講中我們談到光速不變的后果，第一個后果就是運動的鐘變慢了，不僅是鐘變慢了，所有運動著的事物都變慢了，比如一個人的成長。那么，物理學家是怎么證實這個令人震驚的結(jié)論的呢？我們自己想一想，找什么樣的東西來做實驗最好？哦，當然是以接近光速運動的物體。這些物體是些什么呢？物理學家發(fā)現(xiàn)，很多來自宇宙深處的基本粒子的速度跟光速相差不大。

在宇宙中，除了組成分子、原子的電子和原子核，還有很多粒子，物理學家管它們叫基本粒子，因為它們像電子和原子核一樣，都非常非常小。在地球上存在的粒子之外，最早被發(fā)現(xiàn)的基本粒子叫謬子，謬是一個希臘字母的發(fā)音。這個粒子非常像電子，只是它比電子重了大約兩百倍。另外一個和電子不同的是，它的壽命很短很短，只有五十萬分之一秒。現(xiàn)在，我們可以驗證相對論了，因為謬子的五十萬分之一秒是它靜止不動時的壽命。聰明的小朋友馬上會說，讓它以接近光速的速度運動，它的壽命就會變長，因為運動起來的時鐘會變慢，看上去就像慢動作，那么，一個粒子的壽命也是以“慢動作”來展示的。

假如，我們想將謬子的壽命變成一秒，讓我們能夠看到它，它的速度需要多大呢？謬子的速度只比光速慢了每秒五分之三毫米，想想看，光的速度是每秒三十萬千米，這個差別實在太小了。快速奔跑中的謬子可以存活一秒，那么，它就可以跑差不多三十萬千米，科學家可以很容易看到它了。

謬子最早是在宇宙射線中被發(fā)現(xiàn)的，發(fā)現(xiàn)這種粒子的人是美國物理學家卡爾·安德森。這位物理學家運氣特別好，在發(fā)現(xiàn)謬子的那年也就是1936年，獲得了諾貝爾獎，當然，他獲獎的原因不是發(fā)現(xiàn)了謬子，而是發(fā)現(xiàn)了電子的反物質(zhì)——正電子。這個人雖然很了不起，但故事卻比較少。

故事比較多的是預言正電子的英國物理學家狄拉克。雖然霍金現(xiàn)在比他有名得多，但狄拉克才是20世紀最了不起的英國物理學家。我們在談他預言正電子的故事之前，先談談他最有名的故事。

有一個流傳很廣的故事與狄拉克的性格有關。什么樣的性格呢？就是不隨便附和別人，對細節(jié)認真。故事是這樣的，在狄拉克擔任劍橋大學教授期間，一位印度物理學家訪問劍橋，有機會和狄拉克共進高桌晚宴。狄拉克這個人生性不喜歡講話，為了打破沉默，這位印度物理學家就說：“今天的風很大。”狄拉克一聲不吭，并且站了起來向大門走去。印度物理學家正尷尬得不行，就看到狄拉克打開大門，探頭看了看，關上大門，走回來，坐到原來的位置上，對他說：“不錯。”

這個故事說明了狄拉克性格中的兩個特點：第一，他對任何事都認真；第二，他喜歡簡練。說到他不喜歡多話，狄拉克自己說是因為他父親來自瑞士說法語的區(qū)域，為了讓狄拉克繼承法國的文化傳統(tǒng)，在他小時候要求在家里只講法語。為了逃避學習法語，狄拉克干脆就不怎么說話。還有一個關于狄拉克不愛說話的笑話，他的一個劍橋大學的同事開玩笑地發(fā)明了一個“狄拉克單位”，狄拉克單位就是“每小時說一個字”。現(xiàn)在，如果你每小時說十個字，你的語速就是十個狄拉克單位。自從量子力學建立后，世世代代的物理學家都將狄拉克寫的《量子力學原理》作為最重要的教科書來學習，這本書本身也反映了狄拉克的風格：嚴謹和惜字如金。

在《給孩子講量子力學》中，很可惜由于篇幅限制，我沒有談到狄拉克。狄拉克是除了海森堡和薛定諤之外對量子力學貢獻最大的人。正因為他的貢獻，在1933年他和薛定諤分享了諾貝爾物理學獎。其實，狄拉克對量子力學最有名的貢獻是將相對論用到量子力學中。在海森堡、薛定諤和他自己建立量子力學的兩年后，狄拉克寫出了滿足相對論的薛定諤方程，這個方程后來被大家稱為狄拉克方程。

有人說，狄拉克方程是物理學中最優(yōu)美的方程之一。在我看來，狄拉克方程可以和麥克斯韋為電磁現(xiàn)象寫下的方程以及愛因斯坦為萬有引力寫下的方程并列。一個方程美不美，關鍵看它是不是足夠簡練，以及它在物理學中的應用。狄拉克方程預言了電子有反粒子，也就是說，世界上必須存在一種電荷正好和電子相反、質(zhì)量和電子一樣重的粒子。因為這種粒子的性質(zhì)和電子相反，所以被稱為電子的反粒子，這種粒子叫正電子，因為它帶正電荷。

當然，狄拉克預言這個粒子的時候，其實有一段有趣的過程。開始的時候，他說，電子必須有一個反粒子，電荷和它相反，但質(zhì)量是一樣大的。如果電子遇到這個反粒子，災難就會發(fā)生，它們會集合在一起、消失，然后成為光子。這種過程有點像自殺，所以物理學家將這一過程稱為湮滅。可是，過了一段時間，并沒有人發(fā)現(xiàn)正電子，狄拉克有點急了，就想修改他的理論，說電子的反粒子應該是質(zhì)子，就是氫原子核。質(zhì)子正好帶正電荷，可是它的質(zhì)量比電子大了差不多兩千倍。好在過了四年，也就是1932年，前面提到的安德森就發(fā)現(xiàn)了正電子。安德森也是在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)正電子的。

狄拉克的太太是猶太物理學家魏格納的妹妹曼茜。在他給曼茜的信中，他寫道，“我從來沒見過一個人真的喜歡另一個人——我覺得這種事在小說之外并不存在”，“我在小時候就發(fā)現(xiàn)，最好的策略是把幸福寄托在自己身上，而不是別人”。在他感到曼茜想要與他交往時，狄拉克就說：“你應該知道，我并不愛你，假裝愛你是不對的。我從來沒有愛過，所以并不能理解如此精妙的感情。”

在他給曼茜的另一封信中，他甚至畫了一個表格，左邊是曼茜在之前的信中提過的問題，右邊是對應的回答，這封信現(xiàn)在還存有影印件。這封信正是狄拉克風格的證明。

關于狄拉克的風格，還有兩個故事。在一次講座中，有一個聽眾提問：“我沒看懂黑板右上角的那個方程。”狄拉克聽完后一直沉默，在主持人的要求下只說了一句：“那不是一個問題，只是一個評論。”

另一個故事是關于狄拉克和媒體的關系的。他根本沒有興趣和媒體交流。一次，狄拉克在美國麥迪遜做學術訪問，當?shù)赜浾邘旄窳謱Φ依诉M行了短暫采訪，有如下記錄。記者問：“博士，您現(xiàn)在能用幾句話給我講講您做的研究嗎？”狄拉克說：“不行。”記者說：“那好。那我這樣寫行嗎？‘狄拉克教授解決了數(shù)學物理的所有問題，但無法找到合適的方法算出貝比，魯斯的安打率。”狄拉克說：“行。”貝比，魯斯是美國著名棒球運動員，安打是棒球及壘球運動中的一個名詞。

今天，物理學家每天都在加速器上大量產(chǎn)生正電子，比如，北京的正負電子對撞機中就有很多正電子。在狄拉克用相對論和量子力學預言了反物質(zhì)之后，物理學家找到了所有粒子的反物質(zhì)，沒有任何例外。