在現實生活中看愛因斯坦相對論的8種方式

2020-12-05 旅行到930億光年之外

相對論是20世紀最著名的科學理論之一,但是它對我們在日常生活中所見事物的解釋如何呢?

深刻的影響

相對論是由愛因斯坦(Albert Einstein)於1905年提出的,它的概念是,物理定律在任何地方都是相同的。該理論解釋了物體在時空上的行為,可以用來預測從黑洞的存在,由於引力引起的輕微彎曲到水星在其軌道上的行為等所有事物。

這個理論看似簡單。首先,沒有「絕對」的參考框架。每當您測量一個物體的速度,動量或它如何經歷時間時,它總是與其他事物有關。其次,無論是誰測量光速或測量人的光速如何,光速都是相同的,沒有什麼比光還快。

愛因斯坦最著名的理論蘊含著深遠的意義。如果光速始終保持不變,則意味著太空人相對於地球非常快地測量滴答滴答聲的速度要慢於被地球觀察者觀察到的滴答聲-太空人的時間實質上變慢了,這種現象稱為時間膨脹。

大重力場中的任何物體都在加速,因此也會經歷時間膨脹。同時,太空人的太空船將經歷長度收縮,這意味著,如果您拍攝了飛過的太空飛行器的照片,則看起來好像是被「擠壓」在運動方向上。然而,對於在船上的太空人來說,一切似乎都很正常。此外,從地球上的人的角度來看,宇宙飛船的質量似乎會增加。

但是您不必一定要以接近光速的速度縮放飛船才能看到相對論效應。實際上,我們在日常生活中可以看到相對論的一些實例,甚至我們今天使用的技術也證明了愛因斯坦是正確的。這是我們看到相對性的一些方式。

電磁鐵

磁性是一種相對論效應,如果你用電,你可以感謝相對論,因為發電機完全可以工作。

如果你繞成一圈,並使其穿過磁場,則會產生電流。導線中的帶電粒子會受到不斷變化的磁場的影響,這會迫使其中的一些粒子移動並產生電流。

但是現在,想像一下靜止的電線,並想像磁鐵在運動。在這種情況下,導線中的帶電粒子(電子和質子)不再移動,因此磁場不應影響它們。但是確實如此,電流仍在流動。這表明沒有特權參考框架。

加利福尼亞克萊蒙特市波莫納學院的物理學教授託馬斯·摩爾使用相對論證明了法拉第定律為何正確,法拉第定律指出不斷變化的磁場會產生電流。

摩爾說:「由於這是變壓器和發電機背後的核心原則,因此任何用電的人都會受到相對論的影響。」

電磁體也通過相對性工作。當電荷的直流電(DC)流過電線時,電子正在漂移通過材料。通常,電線看起來是電中性的,沒有淨正電荷或負電荷。這是質子(正電荷)和電子(負電荷)數量大致相同的結果。但是,如果您在直流電旁邊放置另一根電線,則電線會相互吸引或排斥,這取決於電流的移動方向。

假設電流沿相同的方向移動,則第一條導線中的電子將第二條導線中的電子視為靜止。(這假設電流強度大致相同)。同時,從電子的角度看,兩條導線中的質子看起來都在運動。由於相對論的長度收縮,它們似乎間隔更近,因此每條導線長度的正電荷多於負電荷。由於像電荷一樣排斥,所以兩條線也排斥。

相反方向的電流會產生吸引力,因為從第一根導線的角度來看,另一根導線中的電子更擁擠在一起,產生淨負電荷。同時,第一根導線中的質子產生淨正電荷,相反的電荷吸引。

全球定位系統

為了使您的汽車的GPS導航能夠像它一樣準確地起作用,衛星必須考慮相對論效應。這是因為即使衛星沒有以接近光速的速度運動,但它們仍在飛快地運動。衛星還向地球上的地面站發送信號。這些站(以及您汽車中的GPS裝置)由於重力的作用都比在軌衛星的加速度更高。

為了獲得精確的精度,衛星使用的時鐘精確到數十億分之一秒(納秒)。由於每顆衛星都在地球上方12,600英裡(20,300公裡)處,並且以每小時6,000英裡(10,000 km / h)的速度運動,因此相對論時間的膨脹每天大約需要4微秒。加上重力的影響,數字上升到大約7微秒。那是7,000納秒。

區別是非常真實的:如果不考慮相對論效應,那麼一個GPS裝置會告訴您距下一個加油站有0.5英裡(0.8公裡),而僅僅一天後便會減少5英裡(8公裡)。

金黃色

大多數金屬具有光澤,因為原子中的電子從不同的能級或「軌道」躍遷。一些撞擊金屬的光子會吸收並重新發射,儘管波長更長。不過,大多數可見光只會被反射。

金是一個重原子,因此內部電子的移動速度足夠快,以至於相對論質量的增加以及長度的收縮都非常明顯。結果,電子以更短的路徑繞原子核旋轉,動量更大。內部軌道中的電子所攜帶的能量更接近外部電子的能量,被吸收和反射的波長更長。

較長的光波長意味著通常會被反射的一些可見光會被吸收,並且該光處於光譜的藍色末端。白光是彩虹所有顏色的混合,但是在金色的情況下,當光被吸收並重新發射時,波長通常會更長。這意味著我們看到的光波混合中的藍色和紫色趨於減少。由於黃色,橙色和紅色的光比藍色的波長長,這使得金的顏色看起來偏黃。

黃金不易腐蝕

對金電子的相對論效應也是金屬不會輕易腐蝕或與其他任何物質發生反應的原因之一。

金在其外殼中僅具有一個電子,但它仍不如鈣或鋰具有反應性。取而代之的是,金中的電子比應有的「重」,它們都更靠近原子核。這意味著最外層的電子不可能完全與任何東西發生反應,它很可能位於與原子核接近的其他電子之中。

汞是液體

類似於金,汞也是一個重原子,電子由於其速度和隨之增加的質量而保持在原子核附近。對於汞,其原子之間的鍵很弱,因此汞在較低的溫度下會熔化,當我們看到汞時通常為液體。

你的舊電視

就在幾年前,大多數電視和監視器都裝有陰極射線管屏幕。陰極射線管的工作原理是在螢光體的表面具有大磁鐵擊發電子。每個電子撞擊到屏幕的背面時都會形成一個發光的像素。電子發射出去使圖像以高達光速30%的速度運動。相對論的影響是顯而易見的,當製造商製作磁體時,他們必須考慮這些影響。

如果艾薩克·牛頓(Isaac Newton)假設存在絕對的時空框架是正確的,那麼我們將不得不對光提出不同的解釋,因為它根本不會發生。

波莫納學院的摩爾說:「不僅不存在磁性,而且也不存在光,因為相對性要求電磁場的變化以有限的速度而不是瞬時地移動。」 「如果相對論不強求這一要求……電場的變化將立即傳遞……而不是通過電磁波傳遞,而磁場和光都將是不必要的。」

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