7525

在這個人出生之前,沒人知道住高層的人老得比住低層的人快

對,機智如你可能猜到了,我們今天講的是愛因斯坦,還有他的相對論。

1905年,愛因斯坦提出了相對論。相對論是20世紀最著名的科學理論之一,相對論可以解釋物體的運動、黑洞的存在、光受到引力的牽引而彎曲,還可以解釋水星在公轉時奇特的行為。

但是許多人對相對論的一個刻板印象就是,相對論和天文學比較搭嘎,離生活太遠了,是一個高高在上的理論。實際上,相對論在生活中有很多應用,日常生活中的許多現像都可以由相對論解釋。

先來簡單了解一下相對論。

狹義相對論

在愛因斯坦的狹義相對論中,宇宙中只有光速和物理定律不變,時間空間還有其他物體的速度都是可變的。

比如,根據狹義相對論,如果你退休了以後坐在馬路牙子上看車來車往,看你的孫子蹦蹦跳跳,那麼實際上這些運動的車子和小孩子在你的眼裡都微微變扁了,而且他們都微微變重了。

1545728230-1719-15283790855605770b74dd7

如果車子的速度越開越快,孫子越跑越來勁,接近光速,那麼他們會變得更扁,更重。當然了,從他們自己的角度看,他們的體型和體重並沒有發生變化。

而從你的角度看,車子和孩子度過的時間比你過的時間要慢多了。這就是狹義相對論描述的奇異的世界。

廣義相對論

300年前,牛頓發現輕的物體傾向於朝著重的物體運動,他發現了這個力量和兩個物體的質量,還有間距有關。這就是牛頓的萬有引力。

可是,牛頓只是觀察並描述了萬有引力使物體相互吸引的現象,但並沒有解釋萬有引力為什麼會讓物體相互吸引。

愛因斯坦解釋了這一點。

在廣義相對論中,有質量的物體可以使時空扭曲。

這怎麼理解呢?你可以想像一碗果凍裡放進去了一個彈珠。彈珠會擠壓果凍,讓果凍變形。特別是,離彈珠近的果凍被擠壓得更厲害。彈珠就像一個有質量的物體,果凍就像時空。如果你再放一粒小一點的彈珠到碗裡,那麼小彈珠就會沿著“扭曲的時空”滑向大的彈珠。

1545728230-6204-15283790852113b309f53ea

愛因斯坦說,引力的本質就是時空的扭曲。質量越大,對時空的扭曲越厲害。

這和我們的生活有什麼關係呢?

地球這個大質量的物體可以扭曲附近的時空。因此,在地球表面的時鐘就會走得比離地球遠的時鐘,比如你樓上的時鐘,還有衛星上的時鐘要慢。這個現象就叫做時間膨脹(time dilation)。

因此,根據廣義相對論,引力的時空扭曲效應會影響你的相對壽命。這個影響有多大呢?2010年,美國國家標準技術研究所(National Institute of Standards and Technology)測量了海拔間距為0.3米的2個物體在79年後的時差,他們得出結論:79年後,兩者將有90納秒(1納秒= 1/1 000 000 000秒)的差異。

這是什麼意思呢?意思就是,如果你家住高層,那麼你老得就比住你家樓下的人快,住在高海拔地區的人,老得要比低海拔地區的人快,雖然這個差異很小很小。

好了別臉向下趴在地上了,這個姿勢並不能使你變年輕。

1545728228-9046-1528379085401a5e9b191a1

對人來說,這樣的差異或許可以忽略不計,但是對於許多儀器來說,這樣的差異會導致非常嚴重的錯誤。

下面這些和我們的生活密切相關的儀器能正常工作,就是相對論正確性的活生生的案例。從另一個角度理解的話,如果沒有相對論,這些日常用品或許就無法被發明出來了。

全球定位系統GPS

1545728228-9155-1528379085844fe33bd0c5e

汽車和手機上的GPS 是利用衛星來為地球上的設備定位的一種裝置。GPS 需要地球上的時間和衛星上的時間校準,不然就沒法準確工作了。一開始,設計GPS 的人覺得相對論的效應不值一提,並不會影響你車裡的GPS 和衛星上的時鐘的同時性。

可是,因為引力造成的時空扭曲效應(廣義相對論),在高高的天上的衛星上的時鐘每天會比地球表面的時鐘快45微秒(1微秒= 1/1 000 000秒)。

1545728229-8878-1528379087718fe5e059d05

再加上GPS 衛星相對地面有較大的速度(約1萬多千米每小時),根據狹義相對論,從地球上看,GPS 上的時鐘又會走得比地面上的時鐘要慢一些。慢多少呢?GPS 衛星上的原子鐘每天要比地球上的鐘慢7 微秒。

把廣義相對論和狹義相對論得到的結果整合起來就可以發現,45微秒減去7 微秒等於38微秒,也就是說GPS 的時鐘每天要比地球上的時鐘快38微秒。

想像一下,如果不校正這個差異,那麼GPS 會告訴你,你的學校每天都在遠離你,每天離開你10千米。或許屏蔽了愛因斯坦的GPS 就可以成為你不上學的理由?

1545728228-4109-15283790868926f4153fe16

雷達測速儀

1545728228-8708-152837908683214912dc819

可見光、紫外線、X光,都是電磁輻射,都是一種波。所有的波都有多普勒效應。

什麼是多普勒效應呢?比如一輛救護車朝著你開來的時候音調慢慢變高,遠離你的時候音調變低,這是因為朝你運動的時候救護車發出的聲波的頻率變大,遠離你的時候頻率變小了。

雷達測速儀就是利用多普勒效應測量車輛速度的裝置。雷達測速儀發出的是紅外線,這也是一種電磁波,它可以在車上反射回來,然後被測速儀接收。

1545728229-9062-1528379087095e1630ba6cd

在運動的車輛上反彈時,紅外線也會產生多普勒效應,而且這和車輛的速度有關。然後測速儀就能根據紅外線的多普勒效應計算車速了。

這裡愛因斯坦做了什麼呢?測速儀對車速的計算就是利用狹義相對論得到的。

司機應該不會喜歡愛因斯坦。

老式電視機

1545728229-6160-15283790872906618ae08ad

看過老式電視機嗎?就是那種使用陰極射線管做屏幕的那種電視機,關了以後屏幕還會亮一會兒的那種。

這種老式電視機也離不開相對論。

是這樣的,老式電視機採用的陰極射線管的原理是,把電子打到一個帶磁場的塗著磷元素的屏幕上。磷元素受到電子照射後會發光。磁場根據電視節目的圖案引導不同電子朝不同方向運動,這樣電視機的屏幕就可以用磷光顯示畫面了。

在陰極射線管裡,電子可以達到光速的20-30%,因此狹義相對論的效應十分顯著。

具體來說,從電視機的角度看,這些飛速運動的電子的質量會變大。而從電子的角度來看,電視機卻變小了。

如果不考慮相對論的話,電子落到屏幕上的位置就和預期有很大差異,這樣的話電視機就會一直很模糊。利用相對論校正電子的位置偏差後,電視機才能顯像清晰。

當然了,現在的LCD 和等離子電視機的原理並不應用相對論。你可以告訴出題老師,如果出陰極射線管的題他就再也不能過兒童節了!

改變 要在不得不改變之前去做

習慣是解讀一個人的端倪,而改變,是扭轉一條路的勇氣!

歡迎加入「改變的力量」粉絲團,文章更新不間斷,在邁向改變的路上,有我們陪伴!