生活中的相对论

文摘   2024-09-20 11:30   上海  

说起“相对论”,很多人脑海中立刻浮现出爱因斯坦那经典的头像,或者那个著名的公式——。提到这个概念,不少人可能会觉得它高深莫测,和我们普通人的生活八竿子打不着。事实真是如此吗?其实,相对论的原理就藏在我们日常生活的各个角落。

今天,我们就来聊一聊“生活中的相对论”,看一看这个貌似离我们很远的理论,如何影响着我们的生活。

1. 时间旅行

科幻电影中,常听到“时间旅行”这个词。而说到时间旅行,我们就不得不提到相对论。狭义相对论的“时间膨胀”效应指出:

物体运动得越快,时间就流逝得越慢。

虽然在我们的日常生活中,物体的运动速度远远达不到光速,所以这个效应极其微弱,几乎可以忽略不计。但对于极高速飞行的宇航员来说,时间膨胀就变得不可忽视了

假设你乘坐一艘飞船,以接近光速的速度在太空中航行一年,然后返回地球。当你回来时,可能会发现地球上已经过去了几十年,甚至上百年!这个听起来有些“不可思议”。虽说在目前的科技条件下,我们还无法实现接近光速的旅行,但时间膨胀效应在空间站中已经有了初步验证——国际空间站上的宇航员每年都会比地面的人年轻上几微秒

虽然我们无法真的穿越到过去或者未来,但相对论的确告诉我们,时间并不是那样绝对的,而是会随着速度和引力的变化而改变。

2. 引力对时间的影响

除了运动速度,广义相对论告诉我们,引力也会影响时间。简单来说:

引力越强,时间流逝得越慢。

我站在地球表面时间会变慢一点(因为离地心更近),站在高楼上时间会变快一点?

是这样的。不过,这种差异在我们的日常生活中微乎其微,难以察觉。在地面上和在一栋100米高的大楼顶上,时间每天的差异仅有千亿分之几秒。不过这种微小的时间差在一些高精度计时的场景下就显得尤为重要。

3. GPS调时

当你用手机导航找路时,狭义和广义相对论已经在背后悄悄地帮了你一把。GPS卫星在距离地面约20,000公里的高空,以每秒约4公里的速度绕地球运行。

相对论告诉我们,运动速度越快,时间流逝得越慢(这就是狭义相对论中的“时间膨胀”);而广义相对论则指出,在引力场较弱的地方(比如高空),时间会走得更快

简而言之,GPS卫星的钟表由于两种相对论效应的叠加,每天都会比地面上的钟表快约38微秒(千万分之三十八秒)。

你可能会说:“哎呀,这么小的时间差,根本不值一提嘛!”但事实上,哪怕是这样微小的偏差,如果不加以修正,GPS每天的定位误差将高达10公里!所以,为了保证我们导航时能顺利找到那家藏在小巷里的美食店,科学家们利用相对论公式,精确地调整了GPS系统中的时间。要是没有它,你的导航可能会让你开到“十万八千里”外了!

4. 核能

说到相对论,怎么能不提那个著名的公式:

它揭示了质量和能量之间的关系。简单来说,一小块物质中蕴含着巨大的能量。这个公式的应用就是核能的基础。

当原子核发生裂变或聚变时,部分质量会转化为能量。这种质能转化释放出的能量极其巨大,因此核电站和核武器才有了惊人的威力。尽管核能看似与我们的日常生活相距甚远,但其实,核能已经广泛应用于发电、医疗、工业等领域。比如,在医院的核磁共振成像(MRI)中,核物理原理就在为我们的健康服务。

每当你在排队等候或者坐车赶路时,是不是会觉得时间过得特别慢?而当你和朋友开心地聊天、娱乐时,又总感觉时间飞快?

当然,这种现象并非真正的“时间膨胀”或“收缩”,而是我们的大脑在不同情境下对时间的感知方式。然而,它与相对论的概念却有异曲同工之妙:时间并不是一成不变的,它因“情境”而变

说了这么多,或许你已经发现,相对论并非“象牙塔”里的晦涩理论,它早已融入我们的生活。(作者:王海华)

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模型视角
一个资深数学建模爱好者的知识、视角和建模乐趣分享!主理人:王海华,数学建模教师,著有《模型,就是数学化的思维》《数学建模实战:手把手教你参加数学建模竞赛》,参编《数学建模:教学设计与案例》《高中STEM精品课程资源课例》等。
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