新浪科技訊北京時(shí)間7月11日消息，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦是20世紀(jì)最重要的科學(xué)家之一，被譽(yù)為“現(xiàn)代物理學(xué)之父”，而他最偉大的貢獻(xiàn)便是相對(duì)論。這一理論永遠(yuǎn)改變了我們對(duì)空間和時(shí)間的理解。
相對(duì)論是什么？簡(jiǎn)而言之，相對(duì)論的概念意味著物理定律在任何地方都是相同的。我們?cè)诘厍蛏献裱墓夂鸵Χ?，與宇宙遙遠(yuǎn)角落里的外星人——如果存在的話——是一樣的。物理學(xué)的普遍性意味著歷史是偏狹的。不同的觀察者會(huì)看到不同的時(shí)間和事件間隔。在我們看來(lái)百萬(wàn)年的時(shí)間，對(duì)于乘坐高速火箭飛行或墜入黑洞的人來(lái)說(shuō)可能只是一眨眼的功夫。
一切都是相對(duì)的。
狹義相對(duì)論
愛(ài)因斯坦的理論分為狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論。狹義相對(duì)論首先提出，其基礎(chǔ)是光速在任何參考系下都是恒定不變的。這看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但卻有著深遠(yuǎn)的影響。
愛(ài)因斯坦是在1905年得出這個(gè)結(jié)論的，當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，當(dāng)?shù)厍蚶@著太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光速并沒(méi)有發(fā)生變化。這一結(jié)果令物理學(xué)家感到驚訝，因?yàn)槠渌蠖鄶?shù)物體的速度取決于觀察者移動(dòng)的方向。如果你把車開(kāi)在鐵軌旁邊，迎面駛來(lái)的火車似乎比與你同向而行的火車要快得多。
愛(ài)因斯坦提出，所有觀察者所測(cè)量的光速都將是每秒30萬(wàn)千米，無(wú)論觀察者移動(dòng)得有多快，方向如何。
這一論點(diǎn)促使喜劇演員斯蒂芬·賴特（Stephen Wright）問(wèn)道：“如果你在一艘以光速飛行的宇宙飛船里，打開(kāi)車頭燈，會(huì)發(fā)生什么？”答案是，從飛船里某個(gè)人的角度來(lái)看，車頭燈是正常開(kāi)著的；但對(duì)于站在外面看著飛船飛過(guò)的人來(lái)說(shuō)，車頭燈似乎并沒(méi)有打開(kāi)：光出來(lái)了，但它的速度與宇宙飛船相同。
之所以會(huì)看到這樣相互矛盾的結(jié)果，原因在于對(duì)不同的觀察者來(lái)說(shuō)，標(biāo)記空間和時(shí)間的標(biāo)尺和時(shí)鐘是不一樣的。如果光速像愛(ài)因斯坦說(shuō)的那樣保持恒定，那么時(shí)間和空間就不可能是絕對(duì)的；它們必須是主觀的。
例如，如果一艘100米長(zhǎng)的宇宙飛船以99.99%的光速飛行，對(duì)于靜止的觀察者來(lái)說(shuō)，它的長(zhǎng)度為1米，但對(duì)于飛船上的人來(lái)說(shuō)，它的長(zhǎng)度是正常的。
也許更奇怪的是，一個(gè)人移動(dòng)的速度越快，其時(shí)間就過(guò)得越慢。如果雙胞胎姐妹中的姐姐乘坐宇宙飛船前往遙遠(yuǎn)的星球，當(dāng)她回來(lái)時(shí)，她將比留在地球上的妹妹還年輕。
質(zhì)量同樣取決于速度。物體運(yùn)動(dòng)得越快，質(zhì)量就越大。事實(shí)上，沒(méi)有一艘宇宙飛船能達(dá)到100%的光速，因?yàn)樗馁|(zhì)量會(huì)增長(zhǎng)到無(wú)窮大。質(zhì)量和速度之間的關(guān)系通常表示為質(zhì)量和能量之間的關(guān)系：E=mc^2，其中E是能量，m是質(zhì)量，c是光速。
廣義相對(duì)論
愛(ài)因斯坦進(jìn)一步挑戰(zhàn)我們對(duì)時(shí)間和空間的理解。他通過(guò)引入加速度來(lái)擴(kuò)展相對(duì)論理論，發(fā)現(xiàn)這會(huì)導(dǎo)致時(shí)間和空間的扭曲。
還是用上面的例子：想象宇宙飛船通過(guò)點(diǎn)燃推進(jìn)器來(lái)加速。飛船上的人會(huì)像在地球上一樣穩(wěn)穩(wěn)地站在地板上。愛(ài)因斯坦提出，我們所說(shuō)的重力與在一艘加速飛船上感受到的力是無(wú)法區(qū)分的。
這本身并不是革命性的觀點(diǎn)，但當(dāng)愛(ài)因斯坦計(jì)算出復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式（他花了10年的時(shí)間）之后，他發(fā)現(xiàn)空間和時(shí)間在一個(gè)質(zhì)量巨大的物體附近是彎曲的，而這種彎曲就是我們所體驗(yàn)到的引力。
很難描繪出廣義相對(duì)論的曲線幾何，但如果把時(shí)空想象成一種結(jié)構(gòu)，那么一個(gè)質(zhì)量巨大的物體就會(huì)拉伸周圍的結(jié)構(gòu)，使得任何經(jīng)過(guò)其附近的物體都不再沿著直線運(yùn)動(dòng)。
廣義相對(duì)論方程預(yù)測(cè)了許多現(xiàn)象，其中很多已經(jīng)得到證實(shí)：
大質(zhì)量物體周圍光線的彎曲（引力透鏡效應(yīng)）
水星軌道的緩慢演變（近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)）
旋轉(zhuǎn)物體周圍時(shí)空的參考系拖拽
光遠(yuǎn)離引力場(chǎng)源時(shí)頻率降低（引力紅移）
由宇宙碰撞引起的引力波（時(shí)空結(jié)構(gòu)中的漣漪）
黑洞的存在（可以捕獲包括光在內(nèi)的一切）
黑洞周圍時(shí)空的扭曲比其他任何地方都要強(qiáng)烈。前面提到的雙胞胎姐姐如果墜入黑洞，她會(huì)像意大利面一樣被拉長(zhǎng)。幸運(yùn)的是，一切在幾秒鐘內(nèi)就會(huì)結(jié)束。但是她在地球上的妹妹永遠(yuǎn)不會(huì)看到這一切的結(jié)束，而是會(huì)看著她可憐的姐姐在無(wú)窮無(wú)盡的時(shí)間里一點(diǎn)點(diǎn)地向黑洞靠近。
現(xiàn)實(shí)生活中與相對(duì)論有關(guān)的現(xiàn)象
我們不需要一艘以接近光速飛行的宇宙飛船才能看到相對(duì)論的效應(yīng)。事實(shí)上，在日常生活中就可以看到相對(duì)論的一些例子，我們今天使用的許多技術(shù)也證明愛(ài)因斯坦是正確的。
電磁鐵
磁力是一種相對(duì)論效應(yīng)。你之所以能享受電力帶來(lái)的方便生活，需要感謝相對(duì)論，因?yàn)橄鄬?duì)論讓發(fā)電機(jī)可以工作。
如果你將一圈導(dǎo)線穿過(guò)磁場(chǎng)，就會(huì)產(chǎn)生電流。導(dǎo)線中的帶電粒子受到不斷變化的磁場(chǎng)的影響，導(dǎo)致其中一些帶電粒子移動(dòng)并產(chǎn)生電流。但是，想象一下導(dǎo)線靜止，磁鐵運(yùn)動(dòng)的情況，此時(shí)導(dǎo)線中的帶電粒子（電子和質(zhì)子）不再運(yùn)動(dòng)，因此不應(yīng)該受到磁場(chǎng)的影響。但磁場(chǎng)的影響確實(shí)存在，而且仍然有電流。這表明并不存在絕對(duì)的參考系。
加州克萊蒙特波莫納學(xué)院的物理學(xué)教授托馬斯·摩爾利用相對(duì)論原理，證明了法拉第定律的正確性。法拉第定律認(rèn)為，不斷變化的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電流。摩爾說(shuō)：“這是變壓器和發(fā)電機(jī)的核心原理，因此任何用電的人都體驗(yàn)著相對(duì)論的影響。”
電磁鐵也通過(guò)相對(duì)論起作用。當(dāng)直流電通過(guò)導(dǎo)線時(shí)，電子就在導(dǎo)線中流動(dòng)。通常情況下，導(dǎo)線看起來(lái)是電中性的，沒(méi)有凈正電荷或負(fù)電荷。這是因?yàn)橘|(zhì)子（正電荷）和電子（負(fù)電荷）的數(shù)量相同。但是，如果你在它旁邊放另一根帶直流電的導(dǎo)線，二者就會(huì)相互吸引或排斥，這取決于電流的方向。
假設(shè)電流沿同一方向運(yùn)動(dòng)，第一根導(dǎo)線上的電子相對(duì)第二根導(dǎo)線上的電子是靜止的（假設(shè)電流的強(qiáng)度大致相同）。與此同時(shí)，從電子的角度來(lái)看，兩根導(dǎo)線中的質(zhì)子都在運(yùn)動(dòng)。由于相對(duì)論的長(zhǎng)度收縮效應(yīng)，質(zhì)子之間的距離也似乎更近，因此導(dǎo)線單位長(zhǎng)度中的正電荷比負(fù)電荷多。由于同性電荷相斥，這兩根導(dǎo)線也會(huì)相斥。
相反方向的電流則會(huì)使兩根導(dǎo)線相互吸引，因?yàn)閺牡谝桓鶎?dǎo)線的角度看，另一根導(dǎo)線上的電子更密集，產(chǎn)生凈負(fù)電荷。與此同時(shí)，第一根導(dǎo)線中的質(zhì)子產(chǎn)生凈正電荷，相反的電荷相互吸引。
全球定位系統(tǒng)（GPS）
為了讓汽車的GPS導(dǎo)航功能準(zhǔn)確工作，衛(wèi)星必須考慮相對(duì)論效應(yīng)。這是因?yàn)榧词剐l(wèi)星沒(méi)有以接近光速的速度移動(dòng)，它們的速度仍然相當(dāng)快。與此同時(shí)，衛(wèi)星也在向地球上的地面站發(fā)送信號(hào)。由于重力作用，這些地面站（以及你車?yán)锏腉PS裝置）的加速度都比軌道上的衛(wèi)星要高。
為了獲得更高的精度，衛(wèi)星使用的時(shí)鐘精確到十億分之一秒（納秒）。由于每顆衛(wèi)星在地球上方20，300公里處，以每小時(shí)約10000公里的速度移動(dòng)，因此相對(duì)論的時(shí)間膨脹每天大約持續(xù)4微秒。加上重力的影響，這個(gè)數(shù)字會(huì)上升到7微秒，也就是7000納秒。
這種差別非常真實(shí)：如果不考慮相對(duì)論效應(yīng)，今天告訴你到下一個(gè)加油站只有0.8公里的GPS裝置，第二天就會(huì)改口說(shuō)距離是8公里。
黃金的顏色
大多數(shù)金屬之所以有光澤，是因?yàn)樵又械碾娮訒?huì)從不同的能級(jí)或“軌道”躍遷。一些撞擊金屬的光子會(huì)被吸收，并以更長(zhǎng)的波長(zhǎng)重新發(fā)射。不過(guò)，大多數(shù)可見(jiàn)光只會(huì)被反射。
金原子是一種重原子，所以內(nèi)部電子的運(yùn)動(dòng)速度足夠快，以至于相對(duì)論質(zhì)量的增加和長(zhǎng)度收縮都相當(dāng)顯著。因此，電子繞原子核旋轉(zhuǎn)的路徑更短，動(dòng)量更大。內(nèi)層軌道中的電子攜帶的能量更接近外層電子的能量，而被吸收和反射的波長(zhǎng)更長(zhǎng)。
波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光意味著一些通常只會(huì)被反射的可見(jiàn)光會(huì)被吸收，而這些光位于光譜的藍(lán)色端。白光是彩虹所有顏色的混合，但當(dāng)白光照射黃金時(shí)，一部分光會(huì)被吸收，然后重新發(fā)射一些波長(zhǎng)通常更長(zhǎng)的光。這意味著我們看到的混合光波中藍(lán)色和紫色的成分更少。由于黃色、橙色和紅色的光比藍(lán)光波長(zhǎng)更長(zhǎng)，所以黃金在顏色上會(huì)顯得偏黃。
黃金不易腐蝕
相對(duì)論效應(yīng)對(duì)黃金電子的影響也是黃金不容易腐蝕或與其他物質(zhì)反應(yīng)的原因之一。
金原子的外層只有一個(gè)電子，但它的反應(yīng)活性并不如鈣或鋰。相反，金原子中的電子比它們?cè)镜闹亓俊案亍?，更加靠近原子核。這意味著最外層的電子很可能與原子核附近的其他電子一樣，不太容易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。
水銀是液體
與金原子類似，汞原子也是一種重原子。由于電子的速度足夠快以及隨之而來(lái)的質(zhì)量增加，它們被緊緊地束縛在原子核附近。汞原子間的鍵能很弱，導(dǎo)致固體非常容易在較低的溫度下熔化，因此我們通常見(jiàn)到的都是液態(tài)汞。
老式電視機(jī)
就在幾年前，大多數(shù)電視和顯示器還帶有陰極射線管屏幕。陰極射線管的工作原理是用一塊大磁鐵向磷光層表面發(fā)射電子。每一個(gè)電子撞擊屏幕背面時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)發(fā)光的像素。這些成像的電子發(fā)射出來(lái)的速度可高達(dá)光速的30%。相對(duì)論效應(yīng)是顯而易見(jiàn)的，當(dāng)制造商制造磁鐵時(shí)，他們必須考慮這些效應(yīng)。
光
如果牛頓假設(shè)的絕對(duì)靜止參考系存在的話，我們將不得不對(duì)光做出不同的解釋，因?yàn)樵谶@一假設(shè)下光根本不會(huì)出現(xiàn)。在絕對(duì)靜止參考系中，不僅磁力不存在，光也不存在，因?yàn)橄鄬?duì)論要求電磁場(chǎng)的變化以有限的速度運(yùn)動(dòng)，而不是瞬間運(yùn)動(dòng)。如果沒(méi)有相對(duì)論的這一要求，電場(chǎng)的變化將會(huì)在瞬間傳遞，而不是通過(guò)電磁波，這意味著磁和光都將是不必要的。
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