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牛顿理论让卫星上天,相对论让GPS精确,杨振宁理论有何应用?

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作为经典物理学的开创者,牛顿创立的物理学理论至今还与我们的生产和生活息息相关,例如,卫星上天离不开牛顿力学。不过,在某些方面,牛顿力学并不适用,这需要用到适用范围更广的相对论。

作为现代物理学最重要的奠定人,爱因斯坦创立的相对论让我们深入地了解了这个世界的规律。在速度接近光速以及在强引力场的情况下,牛顿力学无法适用,只能用相对论,这已经得到了大量实验的证实。事实上,牛顿力学是相对论在低速、弱场下的近似理论。

相对论的一个最重要应用是导航卫星(包括GPS和北斗卫星)的时钟校准。根据狭义相对论,导航卫星相对于地表的运动速度很快,所以上面的原子钟每天会走慢7微秒。根据广义相对论,导航卫星比地表更加远离地心,所受的地心引力较弱,所以上面的原子钟每天会走快45微秒。结合狭义和广义相对论的时间膨胀效应,导航卫星始终的原子钟每天会走快38微秒。

虽然这个时间差非常小,但把它乘以光速之后,结果为11.39公里。如果这个时间差没有校准,导航卫星每天会累积相当大的误差,根本无法用于精确定位。

另一方面,我国著名物理学家杨振宁被公认为是当今在世的物理学大师,《自然》(Nature)杂志曾把他列为人类史上最伟大的20位物理学家之一。之所以杨振宁在物理学界有着如此之高的声誉,是因为他创立了十分重要的物理学理论,并且至今还在深刻影响理论物理学的发展。杨振宁研究的物理学十分艰深晦涩,即便是学物理的人也不一定懂得,更何况是对物理学知之甚少的普通人。

关于杨振宁的研究有两个方面必须要讲一下。第一个,他与李政道共同提出宇称不守恒定律,表明物理定律有着轻微的不对称性。这有助于我们理解宇宙为什么几乎只有正物质,而很少有反物质。由于这个贡献,杨振宁获得了诺贝尔物理学奖。

杨振宁的另一个贡献更加重要,那就是创立规范场论,首次统一了四大基本作用力的其中两个——电磁力和弱核力。在此基础上,后来的物理学家又把强核力纳入框架,创立了标准模型,该理论准确地描述了粒子加速器中所发生的一切。如果引力在未来也能纳入这个框架,建立起大统一理论,那么,杨振宁在物理学界的地位将会更进一步提升,排进前五未必不可能。

杨振宁的研究属于理论物理学,目前在现实生活中的应用还十分有限,更多的是指导理论物理学发展。这就像当年爱因斯坦创立相对论之后的很长一段时间里,相对论也没有实际应用。但在未来,当人类深入揭开宇宙的本质之时,就能有效使用宇宙规律,那时才会真正见识到杨振宁理论的强大。

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