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相对论很难理解吗?其实并不难,相对论早就应用在我们日常生活!

2024-01-09科学

长期以来,人们一直认为 时间和空间是绝对的,永恒不变的 ,每个人对于时间和空间的感受都应该是一样的。也就是说,一秒就是一秒,不管在任何时候,任何地点,你经历的一秒与我经历的一秒不会有任何不同。

其实人们的这种感受是很正常的,毕竟时间和空间的绝对性非常符合人们的日常生活经验,当然会被人们承认。相反,那些违反人们日常生活认知的现象通常很难被接受。实际上,不仅仅是人类,动物界也普遍存在这种现象,任何物种都会倾向于相信自己的日常生活经验,这种生活经验甚至关乎到一个物种的存活和延续。

这也是为什么当爱因斯坦提出颠覆性的相对论时,人类几乎全部为之哗然,普遍质疑相对论的正确性。这种质疑是可以理解了,毕竟绝对时空观在人们心目中早就根深蒂固了,因此当爱因斯坦提出狭义相对论时,人们肯定很难接受。

不过,如今一百多年过去了,物理学家们早就一遍又一遍地证实了相对论的合理和正确性,相对论也成为 现代物理学大厦的两大基石之一

当然,或许正是因为相对论的颠覆性,直到今天还有不少人不愿意接受相对论思想,甚至认为相对论就是「谬论」。

不少人认为相对论太深奥,甚至认为「世界上理解相对论的人并不多」,实际上,经过一百多年的发展,相对论早就不是一个晦涩难懂的理解,甚至早就走进了我们日常生活中,只是很多人没有发现罢了。

下面简单讲述一下相对论的核心思想, 相对时空观

正如刚才所讲,很长时间以来,人们都认为时间和空间是绝对的,而是时间和空间是两个完全不相干的东西。

而爱因斯坦提出的狭义相对论表明,时间和空间不但是相对的,而且两者是有机的整体,不可分割,这就意味着时间和空间不可能单独存在,两者必须同时存在。

任何把时间和空间分开讨论的行为,其实都是没有意义的。举个例子,你与女朋友约会,肯定要告诉女朋友约会的时间和地点,实际上就是时间和空间。如果你只告诉女朋友约会的时间或者地点,你的约会肯定会泡汤!比如说,你只告诉女朋友上午10点约会,但在哪里约会呢?

时间和地点,也就是时间和空间,时间是一个维度,空间包含三个维度,这四个维度在数轴上可以用四个数字来表达,只有把这四个数字全部描述出来,才能准确定义我们日常生活中的事件。

在爱因斯坦提出狭义相对论之前,人们都认为时间和空间都是绝对的,不管在什么运动状态下,时间和空间都保持绝对不变。

但爱因斯坦发现, 速度才是最关键的东西 ,这里的速度不是平时我们经历的速度,而是光速。

日常生活经验告诉我们,速度是相对的,必须有参照物才有意义。但光速是个例外,因为光速是绝对的,不管在任何参照系下,也不管是什么样的运动状态,观测到的光速都恒定不变。

这就是 光速不变原理 ,完全违背了我们对运动速度的传统认知。举个例子就明白了。

假设你驾驶一辆小汽车在大街上行驶,速度为V。我静止在地面上。这时候你打开车灯,车灯发出一束光。由于你和汽车是一体的,这束光子在你眼里的速度当然是光速C,这很好理解。

但在我眼里那束光的速度是多少呢?按照我们计算相对速度的传统方式来计算,应该是汽车的速度加上光的速度,也就是V+C。

但实际上并非如此,我看到的那束光的速度仍旧是光速C,与你看到的结果是一样的。

也就是说,光似乎并不知道也不在乎你是静止还是运动, 不管你是静止还是运动,也不管你运动的速度有多快,光速都恒定保持不变。

其实仔细想想,这也是很合理的,毕竟所谓的静止和运动都是相对的,实际上我们并不知道任何物体是运动还是静止,必须有参照系才能判断。如果整个宇宙只有你自己,没有任何其他物体,你当然不可能判断自己是静止还是运动。而恰恰因为光速是绝对的,不需要参照系,因此光本身而言就无法判断任何物体是静止还是运动,或者可以这么理解:不管是静止还是运动,对于光来讲都是一样的。

也就是说, 光速就是宇宙的「标尺」 ,只有光速是绝对的,其他运动速度都是相对的。继续深入思考下去,我们会发现大自然太奇妙了,毕竟如果一切真的是相对的,我们就会感觉到很混乱很迷茫,无法准确定义静止和运动,说白了就是无法定义「对和错」,而如今光速给了我们判断「对错」的标准。

既然光速是绝对不变的,那必然意味着时间和空间一定要妥协做出相应改变。为什么会这样?

因为速度等于距离除以时间,也就是空间除以时间。既然静止的我,运动的你看到的同一束光的速度都是一样的,意味着有某种东西肯定不一样,这种东西就是时间或者空间。

这其实就是狭义相对论的核心思想,诠释了时间不是绝对的,速度会让时间因不同的观察者成为相对,当然空间也是相对的。具体来讲就是,速度越快时间越慢,所谓的「 时间膨胀效应 」,而这一切的根源就在于光速不变。

到这里,伙伴们对相对论应该有简单的了解了,当然由于篇幅有限,我也只是以通俗的方式进行描述,实际上狭义相对论的诞生过程远没有那么简单。

当然,肯定还有不少人质疑,你这只是理论上的分析,现实中有哪些相对论的应用吗?

确实有,而且相对论的应用几乎关乎着每个人的生活,早就深入到我们生活的每个角落,最常见的就是卫星导航系统,开车的伙伴们都离不开。

导航系统 的卫星平均高度约为2万公里,时速可达一万两千公里,这样的速度看起来很快,但与光速相比还是很慢,时间膨胀效应并不十分明显。

但考虑到卫星导航系统对精确度的要求相当高,因此,即便是微小的时间膨胀效应也会对导航有明显影响,而且微小的差异不断累积之后也会带来明显的差异。因此必须对卫星上的时钟进行校正,让其与地面时间保持一致。

根据狭义相对论,速度会让卫星时间变慢,每天大约慢7微秒。但卫星高度更高,受到地球引力更小,根据广义相对论,每天比地面时间快45微秒。综合起来, 卫星时间每天比地面时间快38微秒。

一微秒等于百万分之一秒,感觉很短暂,但如果不调整如此看起来如此微笑的差异,会对导航系统造成每天12公里的误差!

12公里是什么概念?恐怕早就把你导航到太平洋里了吧!

完!