相對論很難理解么 日常生活中就有不少相對論效應的實例

愛因斯坦的相對論難以理解，卻並非遙不可及。

事實上，我們每天都生活在其中。

相對論可謂是20世紀最著名的科學理論之一。愛因斯坦於1905年提出的相對論理論解釋了時空中物體的行為，包括黑洞的存在、引力引起的光偏折和水星近日點進動。

相對論乍看起來非常簡單。首先，「絕對」參照系不存在。每當測量一個物體的速度、動量或如何經歷時間，都會和其他東西有關。其次，無論如何測量或是測量者速度如何，光速都是不變的。第三，沒有比光速更快的東西。

然而，相對論中包含的意義卻異常深刻。如果光速恆定不變，也就意味著對於在太空中運動速度相較於地球非常快的宇航員來說，一秒鐘會比地球上的一秒鐘慢。這種現象被稱作時間膨脹。

任何物體在大引力場中都會加速，因此也會經歷時間膨脹。同時，宇航員的飛船會經歷長度收縮，意思是說如果再飛船飛過時對其拍照，會發現飛船在運動方向上宛如被「壓扁」了一樣。從地球上人們的角度來看，飛船的質量也會增加——儘管飛船里的宇航員不會察覺到任何異樣。

然而想體驗相對論的種種效應卻並不一定需要搭乘近光速的宇宙飛船。事實上，在我們的日常生活中就有不少相對論效應的實例，我們今天使用的科技都在證明著愛因斯坦是正確的。下面這些例子你熟悉嗎？

1全球定位系統（GPS）

為了讓汽車搭載的GPS導航系統準確工作，衛星需要將相對論作用也考慮在內。儘管衛星並不會以近光速運動，速度也還是相當之快。衛星還需要向地球表面的接收站發射信號，由於引力的關係，這些地面接收站和你車裡的GPS都在經歷比衛星更高的加速度。

為了確保高精確度，衛星上的時鐘精確度達到了納秒級（十億分之一秒）。由於每顆衛星都在距地球2萬3千公里處以1萬公里每小時的高速移動，每天會出現約4微秒（百萬分之一秒）的時間膨脹，算上引力作用，總數就是約7微秒，即7千納秒。

如果不考慮到相對論作用，差別將是赤裸裸的：只需一天，GPS上顯示離你800米遠的加油站就會偏出8公里。

2電磁鐵

磁是一種相對論效應。只要你的生活中用到電，你就應該感謝相對論，否則發電機根本就不會工作。

將一個線圈穿過磁場，導線中的部分帶電粒子受變化的磁場影響而運動，於是產生出電流。但假設線圈不動，而將磁鐵移動，在這種情況下，導線中的帶電粒子（電子及質子）將不會運動，那麼磁場就應該對這些粒子不起作用。然而，作用依然存在，仍有電流通過。這表明從優參照系是不存在的。

加州克萊蒙特波莫納學院物理學教授托馬斯·摩爾利用相對論原理證明了為何法拉第定律是正確的。

「上至變形金剛，下至發電機，只要用到電的地方就有相對論效應存在。」摩爾說道。電磁鐵也是在相對論作用下工作的。當直流電通過導線時，電子便在材料中流動。通常，導線是電中性的，不帶凈正負電荷。這是帶正電荷的質子與帶負電荷的電子數量大致相等造成的。但如果你將通了直流電的另一導線放在這根導線旁邊，兩根導線就會取決於電流方向而彼此相吸或排斥。

假定兩道電流都向同一方向流動，電流強度也相等，那麼第二根導線中的電子相對第一根導線中的電子就是靜止的。同時，從電子的角度看，兩根導線中的質子都是運動的。因為相對論的長度收縮，質子變得更為密集，那麼單位長度中的正電荷就多於負電荷。因為同性相斥，兩根導線也會相斥。

反方向的電流會相吸，因為從第一根導線的角度出發，第二根導線中的電子更密集，產生凈負電荷。同時，第一根導線中的質子產生凈正電荷，異性相吸。

3金的黃顏色

大多數金屬都發亮，因為原子中的電子會在不同能級間跳動。某些撞擊到金屬的光子被吸收後以更長的波長被重新發射出去，但大多數可見光只會被反射。

金是一種重原子，因而內部電子運動的速度足夠快到讓相對質量顯著增加，長度收縮也同樣明顯。這樣一來，電子繞原子核運動的軌跡縮短，動量增加。內軌道上的電子攜帶的能量更接近外電子的能量，被吸收和反射的波長變得更長。

更長的光波長意味著部分通常被反射的可見光也被吸收，這部分光位於光譜的藍端。白光是彩虹中所有顏色的混合體。以金為例，當光被吸收並重新發射出去時，波長通常變得更長，因此我們看到的光波混合體就呈現出更少的藍和紫色，金子看起來就黃澄澄的，因為黃、橙和紅光比藍光的波長更長。

4金不易被腐蝕

金不易被腐蝕或與其它物質發生反應，這也是相對論效應作用於金的電子的結果。

金的最外層只有一個電子，但卻不像鈣和鋰那樣容易活潑。恰恰相反，金中的電子雖然較重，卻被更緊密地束縛在原子核周圍。這就好比將最外層電子變成了原子核附近其他電子的一員，所以不會輕易與其他任何物質發生反應。

5水銀是液體

與金類似，汞也是一種重原子，因為速度與質量增加所以離核更近。但汞原子間的化學鍵較弱，因此在低溫下汞就會融化，我們通常見到的水銀就都是液體。

6老電視

幾年前，大多數電視機和顯示器中都還是陰極射線管屏。陰極射線管通過向嵌有巨大磁鐵的熒光粉表面發射電子來工作。每個電子撞擊屏幕背面時都會產生一個發亮的像素。發射出的電子讓圖像以最高達光速30%的速度運動。相對論效應是可見的，製造商在鋪設磁鐵的時候也會考慮到這些效應。

7光

如果牛頓關於絕對靜止系的假設是正確的，那麼我們就得完全換種方式來解釋光。

「那樣的話，不僅磁力不存在，光也會不復存在，因為相對論需要電磁場中的變化以有限的速度運動而不是瞬移。」波莫納學院的物理學家摩爾說道。「如果相對論沒有執行這一要求，電場中的變化就會不需要通過電磁波而瞬間聯通，那也就不需要磁力與光了。」

8核電站與超新星

相對論是質量與能量可以相互轉換的原因之一，因此核電站才能發電，太陽才會發光。其另一重要影響體現在超新星爆發中。

「相對論效應克服了質量足夠大的恆星核中的量子效應，使其能夠在自身重量下突然坍縮，直到成為一顆小得多、密度也大得多的中子星，這樣超新星才得以存在。」摩爾說道。

在超新星中爆發，恆星外層向內坍縮，形成巨大的爆炸，產生出比鐵更重的元素。事實上，我們熟悉的所有重元素幾乎都是由超新星所創造的。

「我們是由超新星創造和散播的物質組成的，」摩爾說。「如果沒有相對論，那麼連最巨大的恆星也會最終以白矮星的形式死亡，永遠不會爆炸了。」

文章來源：Live Science 作者：Jesse Emspak

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