测量装置

在现实生活中看爱因斯坦相对论的8种方式

发布时间:2023/1/28 16:48:40   

相对论是20世纪最著名的科学理论之一,但是它对我们在日常生活中所见事物的解释如何呢?

深刻的影响

相对论是由爱因斯坦(AlbertEinstein)于年提出的,它的概念是,物理定律在任何地方都是相同的。该理论解释了物体在时空上的行为,可以用来预测从黑洞的存在,由于引力引起的轻微弯曲到水星在其轨道上的行为等所有事物。

这个理论看似简单。首先,没有“绝对”的参考框架。每当您测量一个物体的速度,动量或它如何经历时间时,它总是与其他事物有关。其次,无论是谁测量光速或测量人的光速如何,光速都是相同的,没有什么比光还快。

爱因斯坦最著名的理论蕴含着深远的意义。如果光速始终保持不变,则意味着宇航员相对于地球非常快地测量滴答滴答声的速度要慢于被地球观察者观察到的滴答声-宇航员的时间实质上变慢了,这种现象称为时间膨胀。

大重力场中的任何物体都在加速,因此也会经历时间膨胀。同时,宇航员的太空船将经历长度收缩,这意味着,如果您拍摄了飞过的航天器的照片,则看起来好像是被“挤压”在运动方向上。然而,对于在船上的宇航员来说,一切似乎都很正常。此外,从地球上的人的角度来看,宇宙飞船的质量似乎会增加。

但是您不必一定要以接近光速的速度缩放飞船才能看到相对论效应。实际上,我们在日常生活中可以看到相对论的一些实例,甚至我们今天使用的技术也证明了爱因斯坦是正确的。这是我们看到相对性的一些方式。

电磁铁

磁性是一种相对论效应,如果你用电,你可以感谢相对论,因为发电机完全可以工作。

如果你绕成一圈,并使其穿过磁场,则会产生电流。导线中的带电粒子会受到不断变化的磁场的影响,这会迫使其中的一些粒子移动并产生电流。

但是现在,想象一下静止的电线,并想象磁铁在运动。在这种情况下,导线中的带电粒子(电子和质子)不再移动,因此磁场不应影响它们。但是确实如此,电流仍在流动。这表明没有特权参考框架。

加利福尼亚克莱蒙特市波莫纳学院的物理学教授托马斯·摩尔使用相对论证明了法拉第定律为何正确,法拉第定律指出不断变化的磁场会产生电流。

摩尔说:“由于这是变压器和发电机背后的核心原则,因此任何用电的人都会受到相对论的影响。”

电磁体也通过相对性工作。当电荷的直流电(DC)流过电线时,电子正在漂移通过材料。通常,电线看起来是电中性的,没有净正电荷或负电荷。这是质子(正电荷)和电子(负电荷)数量大致相同的结果。但是,如果您在直流电旁边放置另一根电线,则电线会相互吸引或排斥,这取决于电流的移动方向。

假设电流沿相同的方向移动,则第一条导线中的电子将第二条导线中的电子视为静止。(这假设电流强度大致相同)。同时,从电子的角度看,两条导线中的质子看起来都在运动。由于相对论的长度收缩,它们似乎间隔更近,因此每条导线长度的正电荷多于负电荷。由于像电荷一样排斥,所以两条线也排斥。

相反方向的电流会产生吸引力,因为从第一根导线的角度来看,另一根导线中的电子更拥挤在一起,产生净负电荷。同时,第一根导线中的质子产生净正电荷,相反的电荷吸引。

全球定位系统

为了使您的汽车的GPS导航能够像它一样准确地起作用,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运动,但它们仍在飞快地运动。卫星还向地球上的地面站发送信号。这些站(以及您汽车中的GPS装置)由于重力的作用都比在轨卫星的加速度更高。

为了获得精确的精度,卫星使用的时钟精确到数十亿分之一秒(纳秒)。由于每颗卫星都在地球上方12,英里(20,公里)处,并且以每小时6,英里(10,km/h)的速度运动,因此相对论时间的膨胀每天大约需要4微秒。加上重力的影响,数字上升到大约7微秒。那是7,纳秒。

区别是非常真实的:如果不考虑相对论效应,那么一个GPS装置会告诉您距下一个加油站有0.5英里(0.8公里),而仅仅一天后便会减少5英里(8公里)。

金黄色

大多数金属具有光泽,因为原子中的电子从不同的能级或“轨道”跃迁。一些撞击金属的光子会吸收并重新发射,尽管波长更长。不过,大多数可见光只会被反射。

金是一个重原子,因此内部电子的移动速度足够快,以至于相对论质量的增加以及长度的收缩都非常明显。结果,电子以更短的路径绕原子核旋转,动量更大。内部轨道中的电子所携带的能量更接近外部电子的能量,被吸收和反射的波长更长。

较长的光波长意味着通常会被反射的一些可见光会被吸收,并且该光处于光谱的蓝色末端。白光是彩虹所有颜色的混合,但是在金色的情况下,当光被吸收并重新发射时,波长通常会更长。这意味着我们看到的光波混合中的蓝色和紫色趋于减少。由于黄色,橙色和红色的光比蓝色的波长长,这使得金的颜色看起来偏黄。

黄金不易腐蚀

对金电子的相对论效应也是金属不会轻易腐蚀或与其他任何物质发生反应的原因之一。

金在其外壳中仅具有一个电子,但它仍不如钙或锂具有反应性。取而代之的是,金中的电子比应有的“重”,它们都更靠近原子核。这意味着最外层的电子不可能完全与任何东西发生反应,它很可能位于与原子核接近的其他电子之中。

汞是液体

类似于金,汞也是一个重原子,电子由于其速度和随之增加的质量而保持在原子核附近。对于汞,其原子之间的键很弱,因此汞在较低的温度下会熔化,当我们看到汞时通常为液体。

你的旧电视

就在几年前,大多数电视和监视器都装有阴极射线管屏幕。阴极射线管的工作原理是在荧光体的表面具有大磁铁击发电子。每个电子撞击到屏幕的背面时都会形成一个发光的像素。电子发射出去使图像以高达光速30%的速度运动。相对论的影响是显而易见的,当制造商制作磁体时,他们必须考虑这些影响。

如果艾萨克·牛顿(IsaacNewton)假设存在绝对的时空框架是正确的,那么我们将不得不对光提出不同的解释,因为它根本不会发生。

波莫纳学院的摩尔说:“不仅不存在磁性,而且也不存在光,因为相对性要求电磁场的变化以有限的速度而不是瞬时地移动。”“如果相对论不强求这一要求……电场的变化将立即传递……而不是通过电磁波传递,而磁场和光都将是不必要的。”



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