8種日常生活中你可以看到相對論的方式

    加入我們永遠收到最新的消息

相對論

相對論是20世紀中最有名的的科學理論之一,但在我們的日常生活中哪裡可以看得到相對論呢?

愛因斯坦於1905年所發表的相對論,其概念指的是無論在這宇宙中的何時何地,所有物理法則皆是一樣的。其論述不只解釋了物體在太空中和時間上的行為,並還可以運用在許多科學假說中。其中,不但可以預測黑洞的存在,或是光在被地心引力影響後的折射方式,還可以預測水星的在其軌道上的公轉方式。

相對論的道理其實很簡單。第一,宇宙中沒有任何絕對的參考系統。舉例來說,當你再測量一個物體的動力,速度,或是其與時間的關係,其結果總是還會被其他因素影響。第二,光速是永恆不變的,無論測試的人是誰或是其運行速度有多快。第三,宇宙中沒有任何事物能快過光速。

愛因斯坦最著名的相對論有著很深刻的含義。假設說如果光速永恆不變,當一位太空人運動速度快過地球自轉的速度,當這位太空人在測量秒速時將會比在地球的人所測量出的秒速慢。因為太空人的速度有多快而時間卻相對的變得有多慢,這就是時間膨脹的現象。

任何物體在一個巨大的地心引力磁場中是不停在加速的,所以其也會體驗到所謂的時間膨脹。此時,此太空人所駕駛的太空船將會體驗到長度收縮。所謂的長度收縮指的是,當你拍下一張運行中太空船的照片,照片中的太空船依其運行的方向會有被壓扁的樣子。而從太空人的角度看來,太空船則是沒有變化的。除此之外,對於從地球上看向太空的人,此太空船的體積則會看起來較大。

但是你其實不需要一個快如光速的太空船來證明相對論。其實,在我們生活周遭就有許多可以證明相對論的事物。即時如今的科技如此發達,愛因斯坦的相對論還是屹立不搖。以下幾點就是在我們生活周遭的相對論:

1.全球定位系統

全球定位系統

為了能讓你車裡的全球定位系統盡可能的精確,衛星需要有相對的速度。即使衛星的速度跟光速比還是慢了很多,但還是算快的了。除此之外,衛星還需要發送訊號至地球上的訊號站。因為地心引力的作用,這些訊號都能以比衛星運轉更快的速度送達地球上的訊號站(包含你車中的全球定位系統)。

為了能使定位點更為精確,衛星所使用的時鐘只有幾十億分之一秒(豪微秒)的誤差值。由於每一個衛星距離地球表面大概是20,300公里,所以其所經歷相對的時間膨脹大概是一天4微秒(百萬分之一秒)。如果在另外加上地心引力的作用,則其所經歷的時間膨脹大概是7微秒(等於7,000豪微秒)。

你可以看得出其差別是顯而易見的,如果全球定位系統的應用沒有考慮到相對論的話,當你的定位系統告訴你下一個加油站是在0.8公里以外,一天下來的所加總的誤差可以高達8公里。

2.電磁鐵

電磁鐵

磁力是一相對的效應,如果你有在有用電,你則應該感謝磁力對於發電機所帶來的電力。

當你將一環金屬線繞過一具磁場,你則可以生成電流。因為磁場變動的影響,金屬線中的代電粒子被迫移動而產生了電流。

想像金屬線是靜止的而磁鐵在移動著,這樣的情況下,金屬線中的帶電粒子(電子和質子)雖然是靜止的,但由於磁場是移動的,便會連帶影響金屬線中的帶電粒子而產生電流。這也證明了一開始所提到的:宇宙中沒有絕對的參考系統。

加州克萊蒙波莫納學院的物理教授Thomas Moore運用了相對論驗證了法拉第定律(Faraday’s Law),此定律闡述當磁場移動時會連帶的產生電流。

Moore教授提到“由於此兩種理論是發明變壓器與發電機的原理,因此任何用電之人皆等於親身體驗過相對論的重要”。

電磁鐵的應用也是透過相對論而產生的。當直流電通過一金屬線,電子則從金屬線中流過。通常金屬線是電中性的,既不帶正電也不帶負電。這是因為金屬線中含有大概相同數目的質子(正電)和電子(負電)。可是當你放置另一個通了直流電的金屬線在它旁邊時,根據其電流方向,則會吸引或排斥另一方。

假設其電流是朝同一個方向流動,則對於第一條金屬線中的電子而言,第二條金屬線中的電子是靜止不動的(假是電流強度大致相同)。而此刻,從電子的角度來說,兩條金屬線中的質子皆是在流動的。由於相對論中的長度收縮原理,質子間的距離會看起來比電子間的距離短,所跳向不同得能量層級或以同樣長度的金屬線中,正電間的距離的比負電來得長。因爲同極相斥,所以此兩金屬線則會互相排斥。

而方向彼此相反的電流則會互相吸引。從第一條的金屬線的角度而言,在另一條金屬線上的電子是比較擁擠,所以會產生負電,而此時,在第一條金屬線上的質子則會產生正電,則異極相吸。

3.金的反射

金的反射

大部份的金屬擁有閃亮的顏色,這是因為其原子中的電子會跳向不同的能量層級的部分或軌道。某些光子達到金屬表面後會被吸收後再以波長較長的可見光重新被發射出來。

金是一個很重的原子,所以其中的自由電子可以大幅度的快速移動相對看上去的體積也增加很多(長度收縮的原理),因此當電子繞著中子旋轉時,離中子最近的電子們則產生的動力最大。由於靠近球心的電子承載的能量大概與離圓心最遠的電子差不多,而且被金屬表面所吸收再放射出的波長則較長。

之所以反射出較的可見光波長較長,是因為某些通常會只被反射的可見光被吸收了,而這些可見光是分佈在靠近光譜中藍色的部分。白光是各色光的組合而成,而對金而言,當照射到它的光被吸收後再反射出來,其波長通常會變長,是因為一般的可見光其實含有比較少的藍光和紫光,所以金的顏色之所以會看起來接近黃色,是因為可見光中,黃光橘光和紅光的波長比藍光長。

4.金不易被腐蝕的替性

金

金中電子的相對效應也是其不容易被腐蝕和被外界影響的因素。

今只有一個電子在其原子的外殼,但是其反應還是不比鈣和鋰來得好。除此之外,金中的電子們因為較重,所以被緊緊包覆在原子核的外圍,所以就算是離原子核較遠的電子也不太可能與原子外圍的元素有所反應。

5.水銀是液態的

水銀

水銀其實跟金差不多,他同樣有一個很重的原子,原子內的電子移動速度很快且導致體積的增加,且有很多的電子包覆在其原子核的外圍。不過,水銀因為與其原子的鏈結不是很牢固,所以水銀的沸點很低,並且大部份是以液態的方式存在著。

6.舊電視

舊電視

不過在幾年前,我們的電視和螢幕都還是用陰極射線管的原理。陰極射線管是從一個大磁鐵發射電子到一熒光粉表面上。當電子到達此表面時每一個電子會點亮一個畫素,而當電子從被發射到成像時,其速度大概是光速的三分之一。由於相對效應之顯著,其電子的速度在製作螢幕。用的磁鐵時是重要的考量之ㄧ。

7.

光

如果Isaac Newton對於光的微粒說是正確的,則我們無法完全解釋光的所有性質。Ponoma學院的Moore教授曾提過:“在相對論中,如果電磁場中的變化是以有限的速度在進行的而不是永恆的,不但磁力不會存在,且光也不會存在。如果相對論不強調電磁場內的互動是永恆的,而卻只透過電磁波的特性來看待,則解釋磁力和光就是多餘的了。”

8.核電廠和超新星

超新星

相對論是質量和能量可以互相換算的一個原因,也就是如今核能可以用來發電的原理。另一個重要的效應則是超新星爆炸,也就是大量星體的死亡。

Moore教授說過,“超新星的存在是因為大量星體的中心其相對效應超過了量子效應,於是導致大量的星體在一瞬間被自己的重量壓垮而變成一個小多了的中子星。”

在超新星中,在外圍的星體往其中心崩塌,而造成了一個巨大的爆炸,在這之間創造了許多比鐵還重的元素。事實上,幾乎所有我們所熟知的重元素皆是來自超新星。

Moore教授又說,”我們都只是超新星中的星塵,如果相對論不存在,則所有的大星團最終揭只會變成白矮星而永遠不會爆發。而我們也不會有機會存在於這個宇宙間思考著這些事。“
加入好友
來源: Livescience

fb set to first 2