生活中的“相对论效应”

2019年10月27日 01:38

相对论是20世纪最伟大的科学发现之一,它又是如何解释我们身边的事物呢?

你可能没有意识到,相对论现象就隐藏在身边的生活细节中

由阿尔伯特·爱因斯坦于1905-1915年间建立的相对论,其实可以适用于任何地方,这个理论解释了物体在空间和时间中的行为,并且可以用来预测物理现象,例如曾预言了黑洞的存在、光会被引力弯曲,以及水星轨道的进动行为。

其中狭义相对论的形式很简洁。首先,爱因斯坦认为宇宙不存在“绝对”的参考系,意味着无论测量一个物体的速度、动量,或是对所用时间的计算,都一定是相对于其他参照物而言的,这个“被相对”的参照物也就成了参考系。其次,光速是个特例,光的速度是绝对的,无论测量光速的人相对地球(或其他参考系)跑多快,测出的光速都是完全相同的。最后,没有人(或者说“信息”)能快过光速。

爱因斯坦的理论影响是深远的,如果光速总是一样的,那么一位相对地球速度很快的宇航员所感受到的分秒,将比地球上的观察员要慢。即宇航员的时间相对于地球上的人减慢了,这个现象称为时间膨胀。此外,任何处于引力场中的物体,其时间相对不受引力的物体会加快。

宇航员的太空飞船也会经历长度收缩,意味着如果地面上的你给正在飞行的飞船拍照,会发现照片中飞船在其前进方向上“被压扁”了。不过这是相对于你而言的,飞船上的飞行员不会感到什么异常。另外从你的角度看,飞船的质量也会增加。

如果你对相对论感兴趣,也并不需要去搞一艘飞船,把它加速到接近光速来感受相对论效应。实际上我们在日常生活中就能看到许多相对论发挥作用的例子,我们广泛使用的技术也都能证明爱因斯坦理论的正确性。现在就来看下相对论隐藏在身边哪些地方吧!

电与磁

你可能没有意识到,相对论现象就隐藏在身边的生活细节中

是一种相对论效应,如果你正在用电的话(我知道你正在用),可以对相对论表示感谢,因为相对论让我们正确掌握了电与磁的用法。

为什么这么说呢?如果你拿一卷电线,让它们通过一个磁场,电线中就会流过电流。电线里的电子受到磁场产生的磁力作用,使其移动产生电流。

不过如果反过来呢,保持电线不动,移动磁场(通过移动磁铁就可以做到)。这时电线中依旧会产生电流。这两种情况看上去类似,其实是不一样的,前一种是磁场相对你保持静止,而电线相对你移动;而后一种是磁场相对于你在移动,但电线相对你保持静止。按理说,后者中电线里的电子(相对你)没有移动,磁场应该不会对其产生作用,但事实是有作用的。表明电与磁的作用并不依赖于参考系,只会对相对运动产生效果,而绝对的参考系不存在。

所以说每一个在用电的人,都在感受相对论效应。

你可能没有意识到,相对论现象就隐藏在身边的生活细节中

电磁感应也用到了相对论。当一根电线中流过电流时,微观上是材料中的大量电子在进行定向漂移运动。通常电线都是不带净电荷,是电中性的。并不是电线中没有电荷,只是正负电荷(质子带正电荷,电子带负电荷)数量相同,大家相互抵消,没有谁占优势,所以取平局——电中性。如果你把另一根通着电的电线放在它旁边,两根电线会互相吸引或排斥,具体吸引还是排斥取决于两根电线的电流方向,力的大小则取决于电流大小,这个现象称为“电磁感应”。

假设两根电线的电流是同一方向的(假设电流大小也相同),就意味着俩电线中的电子互相瞧对方是静止的,即相对静止。但我们站在电线的视角看就不一样了,本来电线中质子和电子是1:1均匀分布的,但电子相对于质子在运动,意味着电子在沿电线方向会出现长度收缩,则单位距离内的电子密度会升高。咦,那根据狭义相对论的解释,岂不是意味着同样长度的电线中,电子的密度高于质子的(如铜线就指铜原子里的质子),电线会带负电荷。所以电线间会相互排斥,因为电荷是同性相斥的嘛。

全球定位系统(GPS)

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全球定位系统对我们的生活可谓是密切相关。想象一下在外地出差,手机没电了查不了地图,陌生环境带来的焦虑分分钟让人崩溃。而为了给广大司机朋友提供足够准确的导航信息,卫星需要应对相对论效应进行校正。原因是卫星在天上相对于地面以极高的速度公转(地球同步卫星除外),并且卫星所处的高空轨道的地球引力小于地球表面,狭义和广义相对论的效应一叠加,卫星看到的情况传到地面后会有很大差别。

为了实现高准确性,卫星上使用的钟能精确到纳秒。离地面20300公里的卫星,其相对地面的速度约为10000公里/小时。根据相对论,相对速度不同,卫星相对于地面的时间膨胀效应可达4微秒/天。再者卫星轨道与地球表面的引力场强度不同,加上引力带来的时间膨胀,总共误差可达7微秒/天,即7000纳秒/天。

这个差异是真实存在的,如果不进行相对论校正或者说我们完全不知道相对论效应,那么GPS系统每天的误差相当于当系统告诉我们距离加油站还有1公里的距离的时候,其实还有10公里。而这误差还会与日俱增。

黄金的“黄”

你可能没有意识到,相对论现象就隐藏在身边的生活细节中

金属中大多数都是闪亮的,因为它们往往能吸收绝大多数可见光,并将光线重新发射出去。当你看到光线照在某个物体上,能原封不动地反射出来时,你的视觉系统会觉得这个物体像“镜子”,它的颜色就是“镜子色”,也即金属色或说银色。金属吸收光,靠的是原子中的电子。电子存在很多能级,也可以称为“电子轨道”。如果某种光子被电子吸收后能使电子刚好上升到另一能级,那么电子就会选择吸收光子,当然此时的电子处于高能量状态是不稳定的,稍后会回到原来能级,将光子释放。

有点特殊,它的原子很重。由于相对论效应,金原子的内层电子会更靠近原子核,这就使电子对电子核起到了更强的屏蔽作用。从能级上来看,金的电子能级间的能量差低于一般金属。意味着金原子吸收和发射的光子偏好长波长的光,也就是说金不喜欢吸收和发射蓝紫色的光,所以白光下黄金就是金黄色的。

汞是常温下的液态金属

你可能没有意识到,相对论现象就隐藏在身边的生活细节中

跟金原子类似,原子也属于重原子。汞原子的原子核质量较大,相对论效应使电子轨道更小、速度更快,也有更大的质量。意味着汞原子的电子跟原子核更“亲密”,靠得更近。因此在汞原子间,以电子构成的化学键的力更弱,稍微加热就能使键断开。因此如我们所见,汞在常温下是液态的。

已过时的阴极射线显像管电视(CRT电视)

你可能没有意识到,相对论现象就隐藏在身边的生活细节中

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现在的年轻朋友可能已经忘了第一代电视——CRT电视,那种电视往往体积很大。屏幕越大,体积也越大,其原因在于其中藏了一个小型的“粒子加速器”,不过它只负责给电子加速。

CRT电视的原理就是靠热阴极发射出电子,再经过磁场的偏转和电场的加速,打到屏幕上。屏幕上已经预先涂好了荧光粉,电子打上去荧光粉会发光,使我们看到图像。其中经过加速的电子速度达到了光速的1/3,相对论效应是不可忽视的。因此可以想到,为了避免电子打在屏幕的位置偏移太多,厂家在出厂前肯定是根据相对论对电磁场参数做过调整的。


目前我这一代人的初高中教材中,往往把相对论和量子理论等看成“更高等”理论。书中举的例子不是宇宙、黑洞就是夸克、中微子,显得非常高端。现在回想起来我表示理解,因为相对论和量子力学的深入理解一般需要借助复杂的数学,使其在高物理课本中难以完全舒展;这二者毕竟是上世纪物理学进展的桂冠,已经经历无数次的验证,教材编纂者有充分的自信将其展示并普及给下一代人。不过正如大家所见,相对论的使用已经非常成熟,已经应用在我们生活中的各处细节里,量子理论如是。

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等到下一或下两代,他们的物理课本里可能不会把相对论和量子理论渲染得那么神秘,因为大家会在生活中切身感受,就消除了陌生感。等到大家都能用上量子计算机,或量子通信技术得到大范围推广的时候,谁还会说量子理论神秘呢?