科學也可以如此靠近

牛頓理論讓衛星上天,相對論讓GPS精確,楊振寧理論有何應用?

5月
10
2019

2019年5月10日04時 宇宙接觸

宇宙接觸

作為經典物理學的開創者,牛頓創立的物理學理論至今還與我們的生產和生活息息相關,例如,衛星上天離不開牛頓力學。不過,在某些方面,牛頓力學並不適用,這需要用到適用範圍更廣的相對論。

作為現代物理學最重要的奠定人,愛因斯坦創立的相對論讓我們深入地了解了這個世界的規律。在速度接近光速以及在強引力場的情況下,牛頓力學無法適用,只能用相對論,這已經得到了大量實驗的證實。事實上,牛頓力學是相對論在低速、弱場下的近似理論。

相對論的一個最重要應用是導航衛星(包括GPS和北斗衛星)的時鐘校準。根據狹義相對論,導航衛星相對於地表的運動速度很快,所以上面的原子鐘每天會走慢7微秒。根據廣義相對論,導航衛星比地表更加遠離地心,所受的地心引力較弱,所以上面的原子鐘每天會走快45微秒。結合狹義和廣義相對論的時間膨脹效應,導航衛星始終的原子鐘每天會走快38微秒。

雖然這個時間差非常小,但把它乘以光速之後,結果為11.39公里。如果這個時間差沒有校準,導航衛星每天會累積相當大的誤差,根本無法用於精確定位。

另一方面,我國著名物理學家楊振寧被公認為是當今在世的物理學大師,《自然》(Nature)雜誌曾把他列為人類史上最偉大的20位物理學家之一。之所以楊振寧在物理學界有著如此之高的聲譽,是因為他創立了十分重要的物理學理論,並且至今還在深刻影響理論物理學的發展。楊振寧研究的物理學十分艱深晦澀,即便是學物理的人也不一定懂得,更何況是對物理學知之甚少的普通人。

關於楊振寧的研究有兩個方面必須要講一下。第一個,他與李政道共同提出宇稱不守恆定律,表明物理定律有著輕微的不對稱性。這有助於我們理解宇宙為什麼幾乎只有正物質,而很少有反物質。由於這個貢獻,楊振寧獲得了諾貝爾物理學獎。

楊振寧的另一個貢獻更加重要,那就是創立規範場論,首次統一了四大基本作用力的其中兩個——電磁力和弱核力。在此基礎上,後來的物理學家又把強核力納入框架,創立了標準模型,該理論準確地描述了粒子加速器中所發生的一切。如果引力在未來也能納入這個框架,建立起大統一理論,那麼,楊振寧在物理學界的地位將會更進一步提升,排進前五未必不可能。

楊振寧的研究屬於理論物理學,目前在現實生活中的應用還十分有限,更多的是指導理論物理學發展。這就像當年愛因斯坦創立相對論之後的很長一段時間裡,相對論也沒有實際應用。但在未來,當人類深入揭開宇宙的本質之時,就能有效使用宇宙規律,那時才會真正見識到楊振寧理論的強大。


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