相对论有什么用

2020-12-29 11:54:26 风流一代·经典文摘 2020年12期

冷哲

1854年,黎曼提出了黎曼几何的初步设想。1905年,爱因斯坦发表狭义相对论。1912年,罗伯特·戈达德开始研究火箭。1916年,爱因斯坦发表广义相对论,其中使用黎曼几何作为核心数学工具。1957年,第一个人造卫星Sputnik1发射成功。1959年,第一种卫星定位系统Transit开始研发。1960年测试成功。1967年,Timation卫星系统将原子钟带上太空。1973年,美国决定研发全球卫星定位系统。1978年,第一颗GPS卫星发射成功。

在研发GPS卫星时,学者发现,根据爱因斯坦于1905年发表的狭义相对论,由于运动速度的关系,卫星上的原子钟每一天会比地面上的原子钟慢7微秒,而根据1916年发表的广义相对论,由于在重力场中不同位置的关系,卫星上的原子钟会比地面上的原子钟每天快45微秒。两者综合,GPS卫星上的原子钟每天会比地面快38微秒。由于GPS依靠间隔时间为20~30纳秒的时钟脉冲信号进行计算和定位,如果不对时间进行校准,定位位置将发生漂移。每天漂移距离约为10公里。

没有相对论,就没有全球卫星定位系统。

那么站在1905年或1916年,人们能够想象相对论有什么用吗?站在1854年,人们恐怕也无法想象黎曼几何能有什么应用。

即便在1978年的时候,美国研发GPS的目的也不过是为了给自己的导弹、核潜艇等进行定位。1983年大韩航空007航班误入苏联领空被击落。美国总统里根宣布GPS将向民众开放,以防止类似悲剧再次发生。1989年第一颗新一代的GPS卫星发射,1994年24颗GPS卫星全部入轨。我们今天开车必备的卫星导航,在1905年的时候连科幻小说作家都想象不出来。

当我们今天对着手机说:“帮我找一家附近评价最高的川菜馆”的时候,这背后牵扯多少纯理论呢?微积分、黎曼几何、复变函数、概率论、相对论、电学、光学、有机化学、无机化学……

每一样理论,在其诞生之时,恐怕都想不到其对今日日常生活的作用。

总而言之,理科与工科是不同的。

理科的目的在于探索这个世界的规律,而这些规律该如何得到应用,这是工科的事情。工科的主要工作就是用理科发现的理论、规律来解决人类社会中需要解决的问题。当然,工科在此过程中也发展出更多的对世界规律的认识。

理科成果的用处,极少会像工科那样明显。理科应该是超前于时代的。如果理科不能超前于时代,那是这个时代的悲哀。

理科的研究总是艰难的、缓慢的。正因为如此,我们才應该坚持不懈地进行投入,不断推进人类的认知边界。

如果工科在解决实际问题时才发现理科的理论不能够支持,这时候才去投钱到理科去研究相关的问题,那么相关问题的解决恐怕就要往后拖延几十年,这将极大地阻碍人类社会的进步。当然,很多领域我们之前没有意识到需要解决问题,等到意识到了,才发现有一些客观规律我们还没有掌握,这才会开始研究。但如果我们能预先探索这些方面,显然对人类社会的发展会更为有利。

如果我们要尽量保证现有理论能够解决现有问题,那么就需要保证理科领先于整个社会。

因此,今天最前沿的理科研究,其第一次应用往往在几十年上百年之后,它的应用形式很可能是我们现在难以想象的。

只有持续在基础学科上进行投入,人类才能不断进步,生产力才能不断提高,人民生活水平才能不断提高,人文关怀才能不断提高。时常有人质疑说,世界上还有很多贫困人群,为什么不去拿钱补助他们而要搞一些目前看不到应用场景的科学理论研究。其实正如我在“现代科学的人文关怀或者说以人为本体现在哪里”这个问题的回答里讲的那样,推动人权提升和生活改善的主要力量是生产力的提高。如果我们今天仍然保持在一千年前的生产力水平,那么无论我们怎样扶贫,大家的生活都不会好过到哪里去。适度地投入基础学科研究,即便暂时看不到应用场景,也是有利于整个社会的。

(湘琦摘自江西教育出版社《认知迭代:在复杂世界中找到正确思考的逻辑》)