相對(duì)論都有什么用

[編者按]

李淼，人稱“淼叔”，是個(gè)愛玩跨界的物理大咖。先后畢業(yè)于北京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，丹麥哥本哈根大學(xué)，獲理學(xué)和哲學(xué)博士學(xué)位。1990年起先后在美國(guó)加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校、布朗大學(xué)任研究助理、研究助理教授，1996年在芝加哥大學(xué)費(fèi)米研究所任高級(jí)研究助理。1999年回國(guó)，任中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所研究員、博士生導(dǎo)師。2013年加盟中山大學(xué)，現(xiàn)為中山大學(xué)天文與空間科學(xué)研究院院長(zhǎng)。著有《超弦史話》《越弱越暗越美麗》《<三體>中的物理學(xué)》等。本期“作家檔案”欄目節(jié)選了李淼《給孩子講相對(duì)論》中的第四講，同時(shí)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?wù)勏鄬?duì)論的用處了。其中有實(shí)際的應(yīng)用，也有在科學(xué)中的應(yīng)用。

我們?cè)诘诙v中談到光速是不變的，這一點(diǎn)在愛因斯坦第一次提出來的時(shí)候，讓很多人震驚了：這是怎么回事？難道我們?cè)谌粘Ｉ钪锌吹降乃俣炔皇钳B加的嗎？假如你的朋友坐火車，你去送行，火車開動(dòng)起來的時(shí)候，他沿著火車開動(dòng)的方向走，你看到他的走路速度就是他自己相對(duì)火車的速度加上火車相對(duì)你的速度。

現(xiàn)在，你的朋友在火車上打開手機(jī)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(huì)理解、接受的。

光速不變，對(duì)孩子來說也許比對(duì)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(shí)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(gè)后果就是運(yùn)動(dòng)的鐘變慢了，不僅是鐘變慢了，所有運(yùn)動(dòng)著的事物都變慢了，比如一個(gè)人的成長(zhǎng)。那么，物理學(xué)家是怎么證實(shí)這個(gè)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(shí)驗(yàn)最好？哦，當(dāng)然是以接近光速運(yùn)動(dòng)的物體。這些物體是些什么呢？物理學(xué)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(xué)家管它們叫基本粒子，因?yàn)樗鼈兿耠娮雍驮雍艘粯?，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(gè)希臘字母的發(fā)音。這個(gè)粒子非常像電子，只是它比電子重了大約兩百倍。另外一個(gè)和電子不同的是，它的壽命很短很短，只有五十萬分之一秒?，F(xiàn)在，我們可以驗(yàn)證相對(duì)論了，因?yàn)橹囎拥奈迨f分之一秒是它靜止不動(dòng)時(shí)的壽命。聰明的小朋友馬上會(huì)說，讓它以接近光速的速度運(yùn)動(dòng)，它的壽命就會(huì)變長(zhǎng)，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)起來的時(shí)鐘會(huì)變慢，看上去就像慢動(dòng)作，那么，一個(gè)粒子的壽命也是以“慢動(dòng)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(gè)差別實(shí)在太小了?？焖俦寂苤械闹囎涌梢源婊钜幻?，那么，它就可以跑差不多三十萬千米，科學(xué)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(guó)物理學(xué)家卡爾·安德森。這位物理學(xué)家運(yùn)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(jiǎng)，當(dāng)然，他獲獎(jiǎng)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(gè)人雖然很了不起，但故事卻比較少。

故事比較多的是預(yù)言正電子的英國(guó)物理學(xué)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(jì)最了不起的英國(guó)物理學(xué)家。我們?cè)谡勊A(yù)言正電子的故事之前，先談?wù)勊钣忻墓适隆?/p>

有一個(gè)流傳很廣的故事與狄拉克的性格有關(guān)。什么樣的性格呢？就是不隨便附和別人，對(duì)細(xì)節(jié)認(rèn)真。故事是這樣的，在狄拉克擔(dān)任劍橋大學(xué)教授期間，一位印度物理學(xué)家訪問劍橋，有機(jī)會(huì)和狄拉克共進(jìn)高桌晚宴。狄拉克這個(gè)人生性不喜歡講話，為了打破沉默，這位印度物理學(xué)家就說：“今天的風(fēng)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(xué)家正尷尬得不行，就看到狄拉克打開大門，探頭看了看，關(guān)上大門，走回來，坐到原來的位置上，對(duì)他說：“不錯(cuò)?！?/p>

這個(gè)故事說明了狄拉克性格中的兩個(gè)特點(diǎn)：第一，他對(duì)任何事都認(rèn)真；第二，他喜歡簡(jiǎn)練。說到他不喜歡多話，狄拉克自己說是因?yàn)樗赣H來自瑞士說法語的區(qū)域，為了讓狄拉克繼承法國(guó)的文化傳統(tǒng)，在他小時(shí)候要求在家里只講法語。為了逃避學(xué)習(xí)法語，狄拉克干脆就不怎么說話。還有一個(gè)關(guān)于狄拉克不愛說話的笑話，他的一個(gè)劍橋大學(xué)的同事開玩笑地發(fā)明了一個(gè)“狄拉克單位”，狄拉克單位就是“每小時(shí)說一個(gè)字”?，F(xiàn)在，如果你每小時(shí)說十個(gè)字，你的語速就是十個(gè)狄拉克單位。自從量子力學(xué)建立后，世世代代的物理學(xué)家都將狄拉克寫的《量子力學(xué)原理》作為最重要的教科書來學(xué)習(xí)，這本書本身也反映了狄拉克的風(fēng)格：嚴(yán)謹(jǐn)和惜字如金。

在《給孩子講量子力學(xué)》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(duì)量子力學(xué)貢獻(xiàn)最大的人。正因?yàn)樗呢暙I(xiàn)，在1933年他和薛定諤分享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。其實(shí)，狄拉克對(duì)量子力學(xué)最有名的貢獻(xiàn)是將相對(duì)論用到量子力學(xué)中。在海森堡、薛定諤和他自己建立量子力學(xué)的兩年后，狄拉克寫出了滿足相對(duì)論的薛定諤方程，這個(gè)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(xué)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(gè)方程美不美，關(guān)鍵看它是不是足夠簡(jiǎn)練，以及它在物理學(xué)中的應(yīng)用。狄拉克方程預(yù)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?yàn)檫@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?yàn)樗鼛д姾伞?/p>

當(dāng)然，狄拉克預(yù)言這個(gè)粒子的時(shí)候，其實(shí)有一段有趣的過程。開始的時(shí)候，他說，電子必須有一個(gè)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(gè)反粒子，災(zāi)難就會(huì)發(fā)生，它們會(huì)集合在一起、消失，然后成為光子。這種過程有點(diǎn)像自殺，所以物理學(xué)家將這一過程稱為湮滅。可是，過了一段時(shí)間，并沒有人發(fā)現(xiàn)正電子，狄拉克有點(diǎn)急了，就想修改他的理論，說電子的反粒子應(yīng)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(xué)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(gè)人真的喜歡另一個(gè)人——我覺得這種事在小說之外并不存在”，“我在小時(shí)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(shí)，狄拉克就說：“你應(yīng)該知道，我并不愛你，假裝愛你是不對(duì)的。我從來沒有愛過，所以并不能理解如此精妙的感情?！?/p>

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

關(guān)于狄拉克的風(fēng)格，還有兩個(gè)故事。在一次講座中，有一個(gè)聽眾提問：“我沒看懂黑板右上角的那個(gè)方程?！钡依寺犕旰笠恢背聊?，在主持人的要求下只說了一句：“那不是一個(gè)問題，只是一個(gè)評(píng)論?！?/p>

另一個(gè)故事是關(guān)于狄拉克和媒體的關(guān)系的。他根本沒有興趣和媒體交流。一次，狄拉克在美國(guó)麥迪遜做學(xué)術(shù)訪問，當(dāng)?shù)赜浾邘?kù)格林對(duì)狄拉克進(jìn)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?！庇浾哒f：“那好。那我這樣寫行嗎？‘狄拉克教授解決了數(shù)學(xué)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?！必惐龋斔故敲绹?guó)著名棒球運(yùn)動(dòng)員，安打是棒球及壘球運(yùn)動(dòng)中的一個(gè)名詞。

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