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相對論很難理解嗎?其實並不難,相對論早就套用在我們日常生活!

2024-01-09科學

長期以來,人們一直認為 時間和空間是絕對的,永恒不變的 ,每個人對於時間和空間的感受都應該是一樣的。也就是說,一秒就是一秒,不管在任何時候,任何地點,你經歷的一秒與我經歷的一秒不會有任何不同。

其實人們的這種感受是很正常的,畢竟時間和空間的絕對性非常符合人們的日常生活經驗,當然會被人們承認。相反,那些違反人們日常生活認知的現象通常很難被接受。實際上,不僅僅是人類,動物界也普遍存在這種現象,任何物種都會傾向於相信自己的日常生活經驗,這種生活經驗甚至關乎到一個物種的存活和延續。

這也是為什麽當愛因史坦提出顛覆性的相對論時,人類幾乎全部為之嘩然,普遍質疑相對論的正確性。這種質疑是可以理解了,畢竟絕對時空觀在人們心目中早就根深蒂固了,因此當愛因史坦提出狹義相對論時,人們肯定很難接受。

不過,如今一百多年過去了,物理學家們早就一遍又一遍地證實了相對論的合理和正確性,相對論也成為 現代物理學大廈的兩大基石之一

當然,或許正是因為相對論的顛覆性,直到今天還有不少人不願意接受相對論思想,甚至認為相對論就是「謬論」。

不少人認為相對論太深奧,甚至認為「世界上理解相對論的人並不多」,實際上,經過一百多年的發展,相對論早就不是一個晦澀難懂的理解,甚至早就走進了我們日常生活中,只是很多人沒有發現罷了。

下面簡單講述一下相對論的核心思想, 相對時空觀

正如剛才所講,很長時間以來,人們都認為時間和空間是絕對的,而是時間和空間是兩個完全不相幹的東西。

而愛因史坦提出的狹義相對論表明,時間和空間不但是相對的,而且兩者是有機的整體,不可分割,這就意味著時間和空間不可能單獨存在,兩者必須同時存在。

任何把時間和空間分開討論的行為,其實都是沒有意義的。舉個例子,你與女朋友約會,肯定要告訴女朋友約會的時間和地點,實際上就是時間和空間。如果你只告訴女朋友約會的時間或者地點,你的約會肯定會泡湯!比如說,你只告訴女朋友上午10點約會,但在哪裏約會呢?

時間和地點,也就是時間和空間,時間是一個維度,空間包含三個維度,這四個維度在數軸上可以用四個數位來表達,只有把這四個數位全部描述出來,才能準確定義我們日常生活中的事件。

在愛因史坦提出狹義相對論之前,人們都認為時間和空間都是絕對的,不管在什麽運動狀態下,時間和空間都保持絕對不變。

但愛因史坦發現, 速度才是最關鍵的東西 ,這裏的速度不是平時我們經歷的速度,而是光速。

日常生活經驗告訴我們,速度是相對的,必須有參照物才有意義。但光速是個例外,因為光速是絕對的,不管在任何參照系下,也不管是什麽樣的運動狀態,觀測到的光速都恒定不變。

這就是 光速不變原理 ,完全違背了我們對運動速度的傳統認知。舉個例子就明白了。

假設你駕駛一輛小汽車在大街上行駛,速度為V。我靜止在地面上。這時候你開啟車燈,車燈發出一束光。由於你和汽車是一體的,這束光子在你眼裏的速度當然是光速C,這很好理解。

但在我眼裏那束光的速度是多少呢?按照我們計算相對速度的傳統方式來計算,應該是汽車的速度加上光的速度,也就是V+C。

但實際上並非如此,我看到的那束光的速度仍舊是光速C,與你看到的結果是一樣的。

也就是說,光似乎並不知道也不在乎你是靜止還是運動, 不管你是靜止還是運動,也不管你運動的速度有多快,光速都恒定保持不變。

其實仔細想想,這也是很合理的,畢竟所謂的靜止和運動都是相對的,實際上我們並不知道任何物體是運動還是靜止,必須有參照系才能判斷。如果整個宇宙只有你自己,沒有任何其他物體,你當然不可能判斷自己是靜止還是運動。而恰恰因為光速是絕對的,不需要參照系,因此光本身而言就無法判斷任何物體是靜止還是運動,或者可以這麽理解:不管是靜止還是運動,對於光來講都是一樣的。

也就是說, 光速就是宇宙的「標尺」 ,只有光速是絕對的,其他運動速度都是相對的。繼續深入思考下去,我們會發現大自然太奇妙了,畢竟如果一切真的是相對的,我們就會感覺到很混亂很迷茫,無法準確定義靜止和運動,說白了就是無法定義「對和錯」,而如今光速給了我們判斷「對錯」的標準。

既然光速是絕對不變的,那必然意味著時間和空間一定要妥協做出相應改變。為什麽會這樣?

因為速度等於距離除以時間,也就是空間除以時間。既然靜止的我,運動的你看到的同一束光的速度都是一樣的,意味著有某種東西肯定不一樣,這種東西就是時間或者空間。

這其實就是狹義相對論的核心思想,詮釋了時間不是絕對的,速度會讓時間因不同的觀察者成為相對,當然空間也是相對的。具體來講就是,速度越快時間越慢,所謂的「 時間膨脹效應 」,而這一切的根源就在於光速不變。

到這裏,夥伴們對相對論應該有簡單的了解了,當然由於篇幅有限,我也只是以通俗的方式進行描述,實際上狹義相對論的誕生過程遠沒有那麽簡單。

當然,肯定還有不少人質疑,你這只是理論上的分析,現實中有哪些相對論的套用嗎?

確實有,而且相對論的套用幾乎關乎著每個人的生活,早就深入到我們生活的每個角落,最常見的就是衛星導航系統,開車的夥伴們都離不開。

導航系統 的衛星平均高度約為2萬公裏,時速可達一萬兩千公裏,這樣的速度看起來很快,但與光速相比還是很慢,時間膨脹效應並不十分明顯。

但考慮到衛星導航系統對精確度的要求相當高,因此,即便是微小的時間膨脹效應也會對導航有明顯影響,而且微小的差異不斷累積之後也會帶來明顯的差異。因此必須對衛星上的時鐘進行校正,讓其與地面時間保持一致。

根據狹義相對論,速度會讓衛星時間變慢,每天大約慢7微秒。但衛星高度更高,受到地球重力更小,根據廣義相對論,每天比地面時間快45微秒。綜合起來, 衛星時間每天比地面時間快38微秒。

一微秒等於百萬分之一秒,感覺很短暫,但如果不調整如此看起來如此微笑的差異,會對導航系統造成每天12公裏的誤差!

12公裏是什麽概念?恐怕早就把你導航到太平洋裏了吧!

完!