現實生活中的8種相對論相關現象 你注意到了多少?

現實生活中的8種相對論相關現象 你注意到了多少?

深遠的影響

相對論是20世紀最著名的科學理論之一,但它能在多大程度上解釋我們在日常生活中看到的事物呢?

相對論於1905年由阿爾伯特·愛因斯坦提出,它認為物理定律在任何地方都是一樣的。該理論解釋了物體在時空中的行為,它可以用來預測一切,包括從黑洞的存在,到重力導致光的彎曲,再到水星的軌道行為。

這個理論看起來好像很簡單。第一,世上沒有“絕對”的參照系。每次當你測量一個物體的速度,或者它的動量,或者它如何經歷時間的時候,它總是和其他的東西有關。第二,不管是誰測量光速,或者測量光速的人速度得有多快,光速都是恆定的。第三,沒有什麼能比光速更快。

愛因斯坦最著名的理論有著深遠的意義。如果光速是恆定的話,這就意味著一個相對於地球來說運動速度非常快的宇航員,在測量秒數速度的時候將會比在地球上的測量者經歷更長的時間——對宇航員來說,時間實際上變慢了,這一現象被稱為時間膨脹。

大重力場中的任何物體都在加速,所以這些物體也會經歷時間膨脹。與此同時,宇航員的宇宙飛船也將經歷長度收縮,這意味著如果你在飛船飛過時給它拍張照片,它看起來就會像在運動方向上被“壓扁”了。然而,對宇航員來說,一切似乎都很正常,此外,從地球人的角度來看,宇宙飛船的質量似乎會增加。

但想要看到這種相對論效應,你並不一定需要一艘能夠以接近光速的速度運行的宇宙飛船。事實上,我們可以在日常生活中看到相對論的一些例子,我們今天使用的技術也證明愛因斯坦是正確的,下面就是我們能夠看到相對論的一些方式。

電磁鐵

磁力是一種相對論效應,如果你現在正在用電的話,你可以感謝一下相對論,因為沒有相對論就不會有發電機。

如果你把一圈導線穿過磁場,導線中就會產生電流。導線中的帶電粒子會受到不斷變化的磁場影響,磁場迫使其中一些帶電粒子移動就會產生電流。

但現在想象有一條靜止的導線,這次移動的是磁鐵,在這種情況下,導線中的帶電粒子(電子和質子)不再運動,按理說磁場不應該影響它們才對,但導線中依然有電流存在,這表明參考框架並不是絕對的。

加州克萊蒙特波莫納學院(Pomona College)的物理學教授托馬斯•摩爾(Thomas Moore)利用相對論原理,證明了法拉第定律(Faraday’s Law)的正確性。法拉第定律認為,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的核心原理,所以任何用電的人都在體驗著相對論帶來的好處。”

電磁鐵也通過相對論起作用。當直流電(DC)通過導線時,電子就在物質中流動。通常情況下,導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)數量相同的結果。但是,如果你在它旁邊放另一根帶直流電的導線,導線會相互吸引或排斥(這取決於電流的方向)。

如果電流沿同一方向運動,第一根導線上的電子就會認為第二根導線上的電子是靜止的。(假設電流的強度大致相同)。同時,從電子的角度來看,兩根導線中的質子看起來都在運動。由於相對論性的長度收縮,它們之間的距離也似乎更近,所以每根導線的正電荷比負電荷多。由於同性電荷相斥,這兩根電線也會相斥。

而相反方向的電流則會在兩根導線之間產生引力,因為從第一根導線的角度看,另一根導線上的電子更密集,產生淨負電荷,與此同時,第一根導線中的質子產生淨正電荷,相反的電荷就會相互吸引。

全球定位系統

為了讓你汽車的GPS導航功能可以正常地準確工作,衛星必須要利用到相對論效應。這是因為即使衛星沒有以接近光速的速度移動,但它們的速度仍然相當快,同時衛星也在向地球上的地面站發送信號。由於重力作用,這些地面站(以及你車裡的GPS裝置)的加速度都比軌道上的衛星要高。

為了獲得精確的精度,衛星使用的時鐘精確到十億分之一秒(納秒)。由於每顆衛星在地球上方12,600英里(20,300公里)的高空以每小時約6,000英里(10,000公里/小時)的速度移動,所以每天大約會有4微秒的相對論性時間膨脹。加上重力的影響,這個數字會上升到7微秒。也就是7000納秒。

這些差別是非常真實的:如果不考慮相對論效應的話,一個GPS裝置在今天會告訴你到下一個加油站只有半英里(0.8公里)的距離,但是在僅僅一天之後它就會改口說成有5英里(8公里)遠。

黃金的黃色

大多數金屬之所以有光澤,是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儘管波長較長,但還是會被吸收並重新反射。然而,大多數可見光只會被反射。

金是一種重原子,其內部電子的運動速度非常地快,以至於相對論性質量增加和長度收縮都非常地明顯。因此,電子繞原子核旋轉的路徑更短,動量也更大。內層軌道中的電子攜帶的能量更接近外層電子的能量,而被吸收和反射的波長則更長。

波長較長的光意味著一些通常只會被反射的可見光會被吸收,而這些光在光譜的藍色端。白光是彩虹所有顏色的混合光,但當白光照到黃金上的時候,黃金會吸收一部分光,然後反射一些波長通常會更長的光。這意味著在我們看到的反射混合光波中,藍色和紫色的光會更少,這使得黃金看起來顏色偏黃,因為黃色、橙色和紅色的光比藍色的光波長更長。

黃金不易腐蝕

相對論效應對黃金電子的影響也是黃金不容易腐蝕或與其他物質反應的原因之一。

金原子的外層只有一個電子,但它的反應活躍性不如鈣或鋰。金原子中的電子都更靠近原子核,它們比它們原來的重量要“更重”。這意味著最外層的電子不太可能與任何物質發生反應——最外層的電子很有可能與原子核附近的其他電子一樣。

液態水銀

與金類似,汞也是一種重原子,由於電子的速度和隨之而來的質量增加,電子被緊緊地束縛在原子核附近。對於汞來說,它的原子間的鍵能很弱,所以汞會在較低的溫度下融化,我們看到它的時候通常也以液體的形式存在。

你的舊電視

就在幾年前,大多數電視和顯示器還帶有陰極射線管屏幕。陰極射線管的工作原理是用一塊大磁鐵向磷光體表面發射電子,每一個電子撞擊屏幕背面時都會產生一個發光的像素。這些成像的電子速度高達30%的光速,相對論效應是顯而易見的,所以當製造商製造磁鐵時,他們必須考慮到這些效應。

如果艾薩克·牛頓假設絕對靜止座標系是正確的話,我們將不得不對光作出不同的解釋,因為在這種假設下根本就不會有光。

波莫納學院的摩爾說:“不僅磁力不會存在,光也不會存在,因為相對論要求電磁場的變化要以有限的速度運動,而不是瞬間運動。如果相對論沒有強制執行這一要求……電場的變化將會在瞬間傳遞……而不是通過電磁波,那麼磁和光都將會是不必要的了。”

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