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什么是相对论?现实中有哪些与相对论有关的现象?

2019-7-11 8:07:48来源:新浪科技作者:任天责编:沧海评论:

新浪科技讯北京时间7月11日消息,阿尔伯特·爱因斯坦是20世纪最重要的科学家之一,被誉为“现代物理学之父”,而他最伟大的贡献便是相对论。这一理论永远改变了我们对空间和时间的理解。

相对论是什么?简而言之,相对论的概念意味着物理定律在任何地方都是相同的。我们在地球上遵循的光和引力定律,与宇宙遥远角落里的外星人——如果存在的话——是一样的。物理学的普遍性意味着历史是偏狭的。不同的观察者会看到不同的时间和事件间隔。在我们看来百万年的时间,对于乘坐高速火箭飞行或坠入黑洞的人来说可能只是一眨眼的功夫。

一切都是相对的。

狭义相对论

爱因斯坦的理论分为狭义相对论和广义相对论。狭义相对论首先提出,其基础是光速在任何参考系下都是恒定不变的。这看起来很简单,但却有着深远的影响。

爱因斯坦是在1905年得出这个结论的,当时的实验证据表明,当地球绕着太阳旋转时,光速并没有发生变化。这一结果令物理学家感到惊讶,因为其他大多数物体的速度取决于观察者移动的方向。如果你把车开在铁轨旁边,迎面驶来的火车似乎比与你同向而行的火车要快得多。

爱因斯坦提出,所有观察者所测量的光速都将是每秒30万千米,无论观察者移动得有多快,方向如何。

这一论点促使喜剧演员斯蒂芬·赖特(Stephen Wright)问道:“如果你在一艘以光速飞行的宇宙飞船里,打开车头灯,会发生什么?”答案是,从飞船里某个人的角度来看,车头灯是正常开着的;但对于站在外面看着飞船飞过的人来说,车头灯似乎并没有打开:光出来了,但它的速度与宇宙飞船相同。

之所以会看到这样相互矛盾的结果,原因在于对不同的观察者来说,标记空间和时间的标尺和时钟是不一样的。如果光速像爱因斯坦说的那样保持恒定,那么时间和空间就不可能是绝对的;它们必须是主观的。

例如,如果一艘100米长的宇宙飞船以99.99%的光速飞行,对于静止的观察者来说,它的长度为1米,但对于飞船上的人来说,它的长度是正常的。

也许更奇怪的是,一个人移动的速度越快,其时间就过得越慢。如果双胞胎姐妹中的姐姐乘坐宇宙飞船前往遥远的星球,当她回来时,她将比留在地球上的妹妹还年轻。

质量同样取决于速度。物体运动得越快,质量就越大。事实上,没有一艘宇宙飞船能达到100%的光速,因为它的质量会增长到无穷大。质量和速度之间的关系通常表示为质量和能量之间的关系:E=mc^2,其中E是能量,m是质量,c是光速。

广义相对论

爱因斯坦进一步挑战我们对时间和空间的理解。他通过引入加速度来扩展相对论理论,发现这会导致时间和空间的扭曲。

还是用上面的例子:想象宇宙飞船通过点燃推进器来加速。飞船上的人会像在地球上一样稳稳地站在地板上。爱因斯坦提出,我们所说的重力与在一艘加速飞船上感受到的力是无法区分的。

这本身并不是革命性的观点,但当爱因斯坦计算出复杂的数学公式(他花了10年的时间)之后,他发现空间和时间在一个质量巨大的物体附近是弯曲的,而这种弯曲就是我们所体验到的引力。

很难描绘出广义相对论的曲线几何,但如果把时空想象成一种结构,那么一个质量巨大的物体就会拉伸周围的结构,使得任何经过其附近的物体都不再沿着直线运动。

广义相对论方程预测了许多现象,其中很多已经得到证实:

  • 大质量物体周围光线的弯曲(引力透镜效应)

  • 水星轨道的缓慢演变(近日点进动)

  • 旋转物体周围时空的参考系拖拽

  • 光远离引力场源时频率降低(引力红移)

  • 由宇宙碰撞引起的引力波(时空结构中的涟漪)

  • 黑洞的存在(可以捕获包括光在内的一切)

黑洞周围时空的扭曲比其他任何地方都要强烈。前面提到的双胞胎姐姐如果坠入黑洞,她会像意大利面一样被拉长。幸运的是,一切在几秒钟内就会结束。但是她在地球上的妹妹永远不会看到这一切的结束,而是会看着她可怜的姐姐在无穷无尽的时间里一点点地向黑洞靠近。

现实生活中与相对论有关的现象

我们不需要一艘以接近光速飞行的宇宙飞船才能看到相对论的效应。事实上,在日常生活中就可以看到相对论的一些例子,我们今天使用的许多技术也证明爱因斯坦是正确的。

电磁铁

磁力是一种相对论效应。你之所以能享受电力带来的方便生活,需要感谢相对论,因为相对论让发电机可以工作。

如果你将一圈导线穿过磁场,就会产生电流。导线中的带电粒子受到不断变化的磁场的影响,导致其中一些带电粒子移动并产生电流。但是,想象一下导线静止,磁铁运动的情况,此时导线中的带电粒子(电子和质子)不再运动,因此不应该受到磁场的影响。但磁场的影响确实存在,而且仍然有电流。这表明并不存在绝对的参考系。

加州克莱蒙特波莫纳学院的物理学教授托马斯·摩尔利用相对论原理,证明了法拉第定律的正确性。法拉第定律认为,不断变化的磁场会产生电流。摩尔说:“这是变压器和发电机的核心原理,因此任何用电的人都体验着相对论的影响。”

电磁铁也通过相对论起作用。当直流电通过导线时,电子就在导线中流动。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。这是因为质子(正电荷)和电子(负电荷)的数量相同。但是,如果你在它旁边放另一根带直流电的导线,二者就会相互吸引或排斥,这取决于电流的方向。

假设电流沿同一方向运动,第一根导线上的电子相对第二根导线上的电子是静止的(假设电流的强度大致相同)。与此同时,从电子的角度来看,两根导线中的质子都在运动。由于相对论的长度收缩效应,质子之间的距离也似乎更近,因此导线单位长度中的正电荷比负电荷多。由于同性电荷相斥,这两根导线也会相斥。

相反方向的电流则会使两根导线相互吸引,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,相反的电荷相互吸引。

全球定位系统(GPS)

为了让汽车的GPS导航功能准确工作,卫星必须考虑相对论效应。这是因为即使卫星没有以接近光速的速度移动,它们的速度仍然相当快。与此同时,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。

为了获得更高的精度,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20,300公里处,以每小时约10000公里的速度移动,因此相对论的时间膨胀每天大约持续4微秒。加上重力的影响,这个数字会上升到7微秒,也就是7000纳秒。

这种差别非常真实:如果不考虑相对论效应,今天告诉你到下一个加油站只有0.8公里的GPS装置,第二天就会改口说距离是8公里。

黄金的颜色

大多数金属之所以有光泽,是因为原子中的电子会从不同的能级或“轨道”跃迁。一些撞击金属的光子会被吸收,并以更长的波长重新发射。不过,大多数可见光只会被反射。

金原子是一种重原子,所以内部电子的运动速度足够快,以至于相对论质量的增加和长度收缩都相当显著。因此,电子绕原子核旋转的路径更短,动量更大。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,而这些光位于光谱的蓝色端。白光是彩虹所有颜色的混合,但当白光照射黄金时,一部分光会被吸收,然后重新发射一些波长通常更长的光。这意味着我们看到的混合光波中蓝色和紫色的成分更少。由于黄色、橙色和红色的光比蓝光波长更长,所以黄金在颜色上会显得偏黄。

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,但它的反应活性并不如钙或锂。相反,金原子中的电子比它们原本的重量“更重”,更加靠近原子核。这意味着最外层的电子很可能与原子核附近的其他电子一样,不太容易与其他物质发生反应。

水银是液体

与金原子类似,汞原子也是一种重原子。由于电子的速度足够快以及随之而来的质量增加,它们被紧紧地束缚在原子核附近。汞原子间的键能很弱,导致固体非常容易在较低的温度下熔化,因此我们通常见到的都是液态汞。

老式电视机

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层表面发射电子。每一个电子撞击屏幕背面时都会产生一个发光的像素。这些成像的电子发射出来的速度可高达光速的30%。相对论效应是显而易见的,当制造商制造磁铁时,他们必须考虑这些效应。

如果牛顿假设的绝对静止参考系存在的话,我们将不得不对光做出不同的解释,因为在这一假设下光根本不会出现。在绝对静止参考系中,不仅磁力不存在,光也不存在,因为相对论要求电磁场的变化以有限的速度运动,而不是瞬间运动。如果没有相对论的这一要求,电场的变化将会在瞬间传递,而不是通过电磁波,这意味着磁和光都将是不必要的。

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关键词:相对论黑洞现实

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