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现实生活中的8种相对论相关现象 你注意到了多少?

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深远的影响

相对论是20世纪最著名的科学理论之一,但它能在多大程度上解释我们在日常生活中看到的事物呢?

相对论于1905年由阿尔伯特·爱因斯坦提出,它认为物理定律在任何地方都是一样的。该理论解释了物体在时空中的行为,它可以用来预测一切,包括从黑洞的存在,到重力导致光的弯曲,再到水星的轨道行为。

这个理论看起来好像很简单。第一,世上没有“绝对”的参照系。每次当你测量一个物体的速度,或者它的动量,或者它如何经历时间的时候,它总是和其他的东西有关。第二,不管是谁测量光速,或者测量光速的人速度得有多快,光速都是恒定的。第三,没有什么能比光速更快。

爱因斯坦最著名的理论有着深远的意义。如果光速是恒定的话,这就意味着一个相对于地球来说运动速度非常快的宇航员,在测量秒数速度的时候将会比在地球上的测量者经历更长的时间——对宇航员来说,时间实际上变慢了,这一现象被称为时间膨胀。

大重力场中的任何物体都在加速,所以这些物体也会经历时间膨胀。与此同时,宇航员的宇宙飞船也将经历长度收缩,这意味着如果你在飞船飞过时给它拍张照片,它看起来就会像在运动方向上被“压扁”了。然而,对宇航员来说,一切似乎都很正常,此外,从地球人的角度来看,宇宙飞船的质量似乎会增加。

但想要看到这种相对论效应,你并不一定需要一艘能够以接近光速的速度运行的宇宙飞船。事实上,我们可以在日常生活中看到相对论的一些例子,我们今天使用的技术也证明爱因斯坦是正确的,下面就是我们能够看到相对论的一些方式。

电磁铁

磁力是一种相对论效应,如果你现在正在用电的话,你可以感谢一下相对论,因为没有相对论就不会有发电机。

如果你把一圈导线穿过磁场,导线中就会产生电流。导线中的带电粒子会受到不断变化的磁场影响,磁场迫使其中一些带电粒子移动就会产生电流。

但现在想象有一条静止的导线,这次移动的是磁铁,在这种情况下,导线中的带电粒子(电子和质子)不再运动,按理说磁场不应该影响它们才对,但导线中依然有电流存在,这表明参考框架并不是绝对的。

加州克莱蒙特波莫纳学院(Pomona College)的物理学教授托马斯•摩尔(Thomas Moore)利用相对论原理,证明了法拉第定律(Faraday’s Law)的正确性。法拉第定律认为,不断变化的磁场会产生电流。

摩尔说:“由于这是变压器和发电机的核心原理,所以任何用电的人都在体验着相对论带来的好处。”

电磁铁也通过相对论起作用。当直流电(DC)通过导线时,电子就在物质中流动。通常情况下,导线看起来是电中性的,没有净正电荷或负电荷,这是质子(正电荷)和电子(负电荷)数量相同的结果。但是,如果你在它旁边放另一根带直流电的导线,导线会相互吸引或排斥(这取决于电流的方向)。

如果电流沿同一方向运动,第一根导线上的电子就会认为第二根导线上的电子是静止的。(假设电流的强度大致相同)。同时,从电子的角度来看,两根导线中的质子看起来都在运动。由于相对论性的长度收缩,它们之间的距离也似乎更近,所以每根导线的正电荷比负电荷多。由于同性电荷相斥,这两根电线也会相斥。

而相反方向的电流则会在两根导线之间产生引力,因为从第一根导线的角度看,另一根导线上的电子更密集,产生净负电荷,与此同时,第一根导线中的质子产生净正电荷,相反的电荷就会相互吸引。

全球定位系统

为了让你汽车的GPS导航功能可以正常地准确工作,卫星必须要利用到相对论效应。这是因为即使卫星没有以接近光速的速度移动,但它们的速度仍然相当快,同时卫星也在向地球上的地面站发送信号。由于重力作用,这些地面站(以及你车里的GPS装置)的加速度都比轨道上的卫星要高。

为了获得精确的精度,卫星使用的时钟精确到十亿分之一秒(纳秒)。由于每颗卫星在地球上方12,600英里(20,300公里)的高空以每小时约6,000英里(10,000公里/小时)的速度移动,所以每天大约会有4微秒的相对论性时间膨胀。加上重力的影响,这个数字会上升到7微秒。也就是7000纳秒。

这些差别是非常真实的:如果不考虑相对论效应的话,一个GPS装置在今天会告诉你到下一个加油站只有半英里(0.8公里)的距离,但是在仅仅一天之后它就会改口说成有5英里(8公里)远。

黄金的黄色

大多数金属之所以有光泽,是因为原子中的电子从不同的能级或“轨道”跃迁。一些撞击金属的光子尽管波长较长,但还是会被吸收并重新反射。然而,大多数可见光只会被反射。

金是一种重原子,其内部电子的运动速度非常地快,以至于相对论性质量增加和长度收缩都非常地明显。因此,电子绕原子核旋转的路径更短,动量也更大。内层轨道中的电子携带的能量更接近外层电子的能量,而被吸收和反射的波长则更长。

波长较长的光意味着一些通常只会被反射的可见光会被吸收,而这些光在光谱的蓝色端。白光是彩虹所有颜色的混合光,但当白光照到黄金上的时候,黄金会吸收一部分光,然后反射一些波长通常会更长的光。这意味着在我们看到的反射混合光波中,蓝色和紫色的光会更少,这使得黄金看起来颜色偏黄,因为黄色、橙色和红色的光比蓝色的光波长更长。

黄金不易腐蚀

相对论效应对黄金电子的影响也是黄金不容易腐蚀或与其他物质反应的原因之一。

金原子的外层只有一个电子,但它的反应活跃性不如钙或锂。金原子中的电子都更靠近原子核,它们比它们原来的重量要“更重”。这意味着最外层的电子不太可能与任何物质发生反应——最外层的电子很有可能与原子核附近的其他电子一样。

液态水银

与金类似,汞也是一种重原子,由于电子的速度和随之而来的质量增加,电子被紧紧地束缚在原子核附近。对于汞来说,它的原子间的键能很弱,所以汞会在较低的温度下融化,我们看到它的时候通常也以液体的形式存在。

你的旧电视

就在几年前,大多数电视和显示器还带有阴极射线管屏幕。阴极射线管的工作原理是用一块大磁铁向磷光体表面发射电子,每一个电子撞击屏幕背面时都会产生一个发光的像素。这些成像的电子速度高达30%的光速,相对论效应是显而易见的,所以当制造商制造磁铁时,他们必须考虑到这些效应。

如果艾萨克·牛顿假设绝对静止坐标系是正确的话,我们将不得不对光作出不同的解释,因为在这种假设下根本就不会有光。

波莫纳学院的摩尔说:“不仅磁力不会存在,光也不会存在,因为相对论要求电磁场的变化要以有限的速度运动,而不是瞬间运动。如果相对论没有强制执行这一要求……电场的变化将会在瞬间传递……而不是通过电磁波,那么磁和光都将会是不必要的了。”

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