爱因斯坦,相对论。上至百岁老人,下至幼儿园的小朋友,基本上都听说过这几个字。
如今爱因斯坦四个字早已不仅仅是人名,更是智慧的化身。我们常常用“某某是某个领域的爱因斯坦”来形容智商高。
而对于相对论,可能你不理解,但应该都听说过。
其实相对论并不是非常复杂的例子,如果只是通俗地理解,其实很简单。下面就来通俗诠释一下狭义相对论的核心思想。
过去的很长时间里,人们一直以为空间和时间是绝对不变的,这种认知也无可厚非,毕竟非常符合我们日常生活经验。
比如说,你经历的一小时和我经历的一小时没有什么区别,都是一小时,我们的时间流逝速度是一样的。
同时,人们一直以为时间和空间是两个完全不相干的东西,时间就是时间,空间就是空间,两者没有任何关系。
但爱因斯坦的狭义相对论横空出世之后,一切都被改变了,彻底颠覆了我们的传统认知。
狭义相对论表明,时间和空间是一体的,是不可分割的,把时间和空间分割开来的任何行为都没有意义。也就是说,时间和空间就像是一个事物的两个面一样,合在一起称为“时空”。我们都生活在四维时空里。
爱因斯坦认为,我们生活的四维时空是相对的,完全颠覆了我们一直以来的绝对时空观。
狭义相对论表明,时空结构并不是一成不变的,而是可以伸展的,会随着速度的变化发生相应改变(引力也会改变时空结构,这涉及广义相对论)。
举个例子就明白何为“相对时空”了。
你驾驶一辆小汽车以50公里的时速在马路上行驶,夜幕降临,你打开了车灯。对于你来讲,车灯发出的光的速度是30万公里每秒。
我静止在地面上不动,看到车灯发出的光的速度是多少呢?
你可能会说是光速+汽车的速度:这不就是简单的速度叠加问题吗?
但事实上并不是,我看到的光的速度仍旧是光速,30万公里每秒。而且不管小汽车的速度多快,哪怕以99%光速的速度飞行,我看到车灯发出的光线速度仍旧是光速。
也就是说,光速是绝对的,与任何速度叠加之后仍是光速本身。这就是狭义相对论的前提之一:光速不变原理。
细心的你可能发现了一些问题:你运动着,我静止着,但我们看到的光速是一样的,这说明肯定有某个东西在我们看来是不一样的,只有这样才能保持光速的一致。
这个东西就是时间(或者空间,时间和空间是平行关系,是一体的)。要保证我们两人看到的光速都是30万公里每秒,意味着我们感受到的时间(空间)肯定会有所不同。
准确来讲,我会看到你的时间流逝速度变慢了,你在我眼里看起来就像是慢动作,这就是时间膨胀(钟慢效应)原理。但现实中我们并不会看到这种现象,那是因为汽车的速度相对光速实在太慢了,钟慢效应根本体现不出来。只有亚光速飞行才会比较明显。
一句话:我们生活在低速世界,相对论效应很难体现出来。
但如果速度够快,而且要求更精确时,就必须考虑到相对论效应了。比如说我们每天使用的定位系统,就必须考虑到相对论效应产生的时间变慢。
因为定位系统必须依靠天上的卫星,而卫星飞行的速度是比较快的,即使卫星的相对论效应仍不是很明显,但时间的积累之后就比较明显了,加上我们对定位系统要求必须更精确,所以不得不考虑卫星上的时间膨胀了。
由此,必须对卫星上的时间进行校正,保证卫星时间与地面时间保持一致。否则,如果不校正,定位就会出现很大偏差,每天的误差能达到12公里,这样的定位完全失去了意义,可能会把你导航到月球上(卫星时间校正不仅仅会考虑到速度影响,还有引力影响)。
试想一下,如果没有了定位系统,城市里的很多人恐怕连门都出不了,城市的交通太复杂了,没有定位系统早就迷路了!
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