相對論有什么用

冷哲

1854年，黎曼提出了黎曼幾何的初步設想。1905年，愛因斯坦發表狹義相對論。1912年，羅伯特·戈達德開始研究火箭。1916年，愛因斯坦發表廣義相對論，其中使用黎曼幾何作為核心數學工具。1957年，第一個人造衛星Sputnik1發射成功。1959年，第一種衛星定位系統Transit開始研發。1960年測試成功。1967年，Timation衛星系統將原子鐘帶上太空。1973年，美國決定研發全球衛星定位系統。1978年，第一顆GPS衛星發射成功。

在研發GPS衛星時，學者發現，根據愛因斯坦于1905年發表的狹義相對論，由于運動速度的關系，衛星上的原子鐘每一天會比地面上的原子鐘慢7微秒，而根據1916年發表的廣義相對論，由于在重力場中不同位置的關系，衛星上的原子鐘會比地面上的原子鐘每天快45微秒。兩者綜合，GPS衛星上的原子鐘每天會比地面快38微秒。由于GPS依靠間隔時間為20～30納秒的時鐘脈沖信號進行計算和定位，如果不對時間進行校準，定位位置將發生漂移。每天漂移距離約為10公里。

沒有相對論，就沒有全球衛星定位系統。

那么站在1905年或1916年，人們能夠想象相對論有什么用嗎？站在1854年，人們恐怕也無法想象黎曼幾何能有什么應用。

即便在1978年的時候，美國研發GPS的目的也不過是為了給自己的導彈、核潛艇等進行定位。1983年大韓航空007航班誤入蘇聯領空被擊落。美國總統里根宣布GPS將向民眾開放，以防止類似悲劇再次發生。1989年第一顆新一代的GPS衛星發射，1994年24顆GPS衛星全部入軌。我們今天開車必備的衛星導航，在1905年的時候連科幻小說作家都想象不出來。

當我們今天對著手機說：“幫我找一家附近評價最高的川菜館”的時候，這背后牽扯多少純理論呢？微積分、黎曼幾何、復變函數、概率論、相對論、電學、光學、有機化學、無機化學……

每一樣理論，在其誕生之時，恐怕都想不到其對今日日常生活的作用。

總而言之，理科與工科是不同的。

理科的目的在于探索這個世界的規律，而這些規律該如何得到應用，這是工科的事情。工科的主要工作就是用理科發現的理論、規律來解決人類社會中需要解決的問題。當然，工科在此過程中也發展出更多的對世界規律的認識。

理科成果的用處，極少會像工科那樣明顯。理科應該是超前于時代的。如果理科不能超前于時代，那是這個時代的悲哀。

理科的研究總是艱難的、緩慢的。正因為如此，我們才應該堅持不懈地進行投入，不斷推進人類的認知邊界。

如果工科在解決實際問題時才發現理科的理論不能夠支持，這時候才去投錢到理科去研究相關的問題，那么相關問題的解決恐怕就要往后拖延幾十年，這將極大地阻礙人類社會的進步。當然，很多領域我們之前沒有意識到需要解決問題，等到意識到了，才發現有一些客觀規律我們還沒有掌握，這才會開始研究。但如果我們能預先探索這些方面，顯然對人類社會的發展會更為有利。

如果我們要盡量保證現有理論能夠解決現有問題，那么就需要保證理科領先于整個社會。

因此，今天最前沿的理科研究，其第一次應用往往在幾十年上百年之后，它的應用形式很可能是我們現在難以想象的。

只有持續在基礎學科上進行投入，人類才能不斷進步，生產力才能不斷提高，人民生活水平才能不斷提高，人文關懷才能不斷提高。時常有人質疑說，世界上還有很多貧困人群，為什么不去拿錢補助他們而要搞一些目前看不到應用場景的科學理論研究。其實正如我在“現代科學的人文關懷或者說以人為本體現在哪里”這個問題的回答里講的那樣，推動人權提升和生活改善的主要力量是生產力的提高。如果我們今天仍然保持在一千年前的生產力水平，那么無論我們怎樣扶貧，大家的生活都不會好過到哪里去。適度地投入基礎學科研究，即便暫時看不到應用場景，也是有利于整個社會的。

（湘琦摘自江西教育出版社《認知迭代：在復雜世界中找到正確思考的邏輯》）