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在现实生活中,你可以从8个方面看到爱因斯坦的相对论

Navstar-2F(定时测距导航系统)是一颗GPS卫星。
Navstar-2F GPS卫星 (图片来源:美国空军)

制定阿尔伯特·爱因斯坦从1905年开始相对论解释了物体在空间和时间中的行为,并可用来预测事物的存在等黑洞,光线由于弯曲重力以及行星在轨道上的行为。

这个理论看似简单。首先,没有“绝对”的参照系。每次你测量一个物体的速度,动量或它如何经历时间,它总是与其他东西有关。第二,光速是一样的,不管谁来测量,也不管测量者的速度有多快。第三,没有什么能比光速更快。

爱因斯坦最著名的理论的影响是深远的。如果光速总是相同的,这意味着宇航员的速度非常快地球将比地球上的观测者更慢地测量时间。对宇航员来说,时间本质上变慢了,这种现象被称为时间膨胀

相关:如果光速再低一些会发生什么?

任何在大重力场中的物体都会加速,所以它也会经历时间膨胀。与此同时,宇航员的宇宙飞船经历长度收缩这意味着,如果你在航天器飞过的时候拍一张照片,它看起来就像在运动的方向上被“压扁”了。然而,对于飞船上的宇航员来说,一切似乎都很正常。此外,从地球上的人的观点来看,宇宙飞船的质量似乎增加了。

但你不一定需要宇宙飞船以接近光速的速度缩放来观察相对论效应。事实上,在我们的日常生活和我们今天使用的技术中,有几个相对论的例子可以证明爱因斯坦是正确的。以下是我们观察相对论的一些方法。

电磁铁

在电磁厂拿着电磁线圈的工人,特写。Monty Rakusen来自Getty Images

近距离的一个工人拿着电磁线圈在一个电磁厂。 (图片来源:Monty Rakusen,来自Getty Images)

磁性是一个相对论效应,你可以通过生成器看到这一点。如果你让一圈导线穿过磁场,就会产生电流。导线中的带电粒子也受到这种变化的影响磁场,这迫使其中一些移动并产生了电流。

但是现在,想象电线静止,想象磁铁在移动。在这种情况下,导线中的带电粒子(电子和质子)不再移动,所以磁场不会影响它们。但它确实存在,电流仍然在流动。这表明没有特权参照系。

加州克莱蒙特波莫纳学院(Pomona College)的物理学教授托马斯·摩尔(Thomas Moore)用相对论原理进行了证明法拉第定律,即变化的磁场会产生电流。

“由于这是变压器和发电机背后的核心原理,任何使用电力的人都在经历相对论的影响,”摩尔告诉Live Science。beplay苹果网页

电磁铁也通过相对论工作。当直流电流过导线时,电子会在材料中漂移。通常,导线看起来是电中性的,没有净的正电荷或负电荷,因为导线中质子(正电荷)和电子(负电荷)的数量大致相同。但是如果你把另一根有直流电的导线放在它旁边,导线会互相吸引或排斥,这取决于电流移动的方向,伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的物理学家说

假设电流向同一个方向移动,第二根导线中的电子与第一根导线中的电子相比是静止的。(这是假设两股电流的强度大致相同。)与此同时,两根导线中的质子在移动,而电子在移动。因为相对论长度的收缩,它们的间距看起来更紧密,所以每根导线的正电荷比负电荷多。因为同种电荷相斥,两根导线也相斥。

相反方向的电流会产生吸引力,因为与第一根导线相比,另一根导线中的电子更密集,从而产生净负电荷,伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究表明.同时,第一根导线中的质子产生净正电荷,相反的电荷相互吸引。

GPS导航

卫星和太空中的日出。来自Getty Images的BlackJack3D。

GPS导航是相对论时间膨胀的一个很好的例子。 (图片来源:BlackJack3D,来自Getty Images)

你的车的GPS导航据介绍,为了实现如此精确的功能,卫星必须考虑相对论效应PhysicsCentral.这是因为即使卫星的移动速度没有接近光速,它们的速度仍然非常快。这些卫星还向地球上的地面站发送信号。这些监测站(以及汽车或智能手机中的GPS技术)在重力作用下的加速度都比在轨卫星要高。

为了获得精确的精确度卫星使用的时钟精确到几纳秒(十亿分之一秒)。因为每颗卫星距离地球12600英里(20300公里),移动速度约为6000英里/小时(10000公里/小时),所以有相对论时间膨胀这样每天就多了4微秒。再加上重力的影响,时间膨胀效应会上升到大约7微秒(百万分之一秒)。

这种差异是非常真实的:根据物理中心的说法,如果不考虑相对论效应,一个GPS设备告诉你到下一个加油站有半英里(0.8公里),一天后就会变成5英里(8公里)。

黄金的黄色

液体黄金。乔纳森·诺尔斯,盖蒂图片社

(图片来源:Jonathan Knowles via Getty Images)

大多数金属发光是因为其中的电子原子从不同的能级或“轨道”跳跃。一些击中金属的光子被吸收并重新发射,尽管波长更长。然而,大多数可见光会被反射。

黄金是一个重元素,所以内部电子移动的速度足够快,相对论质量增加,长度收缩显著,根据一个声明来自德国海德堡大学。因此,电子围绕原子核旋转的路径更短,动量更大。内部轨道的电子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。波长更长的光意味着一些通常会被反射的可见光会被吸收,这些光在光谱的蓝色端。白光是一种混合彩虹的所有颜色但在黄金的情况下,当光被吸收并重新发射时,波长通常更长。这意味着我们看到的混合光波中蓝色和紫色的成分较少。因为黄色、橙色和红色光的波长比蓝光长,所以金色看起来是淡黄色的,据BBC报道

黄金的耐腐蚀性能

黄金首饰。图片由Peter Dazeley通过Getty Images提供

黄金很适合做珠宝,尽管纯金的很少。 (图片来源:Peter Dazeley, via Getty Images)

黄金电子的相对论效应也是它不会腐蚀或容易与其他物质反应的原因之一,根据1998年的一篇论文在《黄金公告

金的最外层只有一个电子,但它的反应性仍不如钙或锂。相反,因为黄金中的电子比它们应该的“更重”,因为它们以接近光速的速度运动,增加了它们的质量,它们被束缚在离原子核更近的地方。这意味着最外层的电子不太可能与任何物质发生反应;它也可能是在靠近原子核的电子中。

液态汞

在商店看电视的女人。Peter Cade来自Getty Images

水银用于液晶屏幕和显示器。 (图片来源:Peter Cade via Getty Images)

水星也是一个重原子,电子靠近原子核,因为它们的速度和质量随之增加。水银原子之间的化学键很弱,所以水银在较低的温度下融化,当我们看到它时,它通常是液体化学世界

你的旧电视

阴极射线管用于实验室的老式模拟示波器。albln via Getty Images

阴极射线管用于实验室的老式模拟示波器。 (图片来源:albln via Getty Images)

直到21世纪初,大多数电视和显示器都使用阴极射线管屏幕。阴极射线管的工作原理是用一块大磁铁向荧光粉表面发射电子。当每个电子击中屏幕背面时,会形成一个发光的像素,电子会发射出去,使图像以光的30%的速度移动。相对论效应是显而易见的,当制造商对磁铁进行造型时,他们必须考虑这些效应,据PBS新闻时间报道

哈勃太空望远镜拍摄的巨型星系UGC 2885_NASA/ESAB。霍尔维尔达(路易斯维尔大学)

哈勃太空望远镜拍摄的巨型星系UGC 2885的图像。 (图片来源:美国国家航空航天局/伊萨。(路易斯维尔大学)

艾萨克·牛顿假设有一个绝对静止的坐标系,或者一个外部完美的参照系我们可以将所有其他参照系进行比较。如果他是对的,我们将不得不提出一种不同的光的解释,因为它根本不会发生。

摩尔说:“不仅磁场不存在,光也不存在,因为相对论要求电磁场的变化以有限的速度移动,而不是瞬间移动。”“如果相对论不强制这一要求……电场的变化将会瞬间传递……而不是通过电磁波,那么磁和光就都没有必要了。”

太阳

太阳发出至日耀斑。图片摄于2013年6月20日。来源:美国国家航空航天局/ SDO

这张照片拍摄于2013年6月20日,美国东部时间晚上11点15分,显示了太阳左侧耀斑的明亮光线,以及太阳物质穿过太阳大气层的喷发,称为日珥喷发。 (图片来源:美国国家航空航天局/ SDO)

没有爱因斯坦最著名的方程-E = mc ^ 2- - -太阳剩下的星星就不会发光了。在我们母星的中心,非常激烈温度压力不断地将四个独立的氢原子挤压成一个氦原子俄亥俄州立大学.一个氦原子的质量仅略小于四个氢原子的质量。额外的质量会怎样呢?它会直接转化为能量,这就是我们星球上的阳光。

额外的资源

本文由《生活科学》撰稿人亚当·曼于2022年3月22日更新。beplay苹果网页

杰西Emspak
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Jesse Emspak是Live Science、Space.com和Toms Gbeplay苹果网页uide的特约撰稿人。他专注于物理学、人类健康和普通科学。Jesse拥有加州大学伯克利分校新闻学院的文学硕士学位和罗切斯特大学的文学学士学位。杰西从事金融报道多年,并在当地报纸从业,在当地政界和警察部门工作。杰西喜欢保持活跃,他是空手道黑带,这意味着他现在知道他要学多少了。
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