審核專家:錢航
中國航天科技集團(tuán)一院航天科普專家
如果你是理科生,如果你想要在大學(xué)深耕理科專業(yè),那么有兩座愛因斯坦留下的“大山”需要你去攀登:一個(gè)是相對(duì)論,另一個(gè)還是相對(duì)論。
說到愛因斯坦,E=MC2是很多人對(duì)他的第一印象,而這個(gè)“網(wǎng)紅公式”也源自于相對(duì)論。
自狹義相對(duì)論誕生至今已有119年,廣義相對(duì)論也走過了109年的歷程。那么,相對(duì)論中的“相對(duì)”究竟是指誰與誰之間的相對(duì)呢?
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古代傳說中的“天上一日,人間百年”又是否與相對(duì)論中的時(shí)間膨脹概念相吻合呢?
今天,就讓我們一起走進(jìn)這個(gè)穿越時(shí)空的謎題吧!
狹義相對(duì)論:重塑時(shí)空觀
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狹義相對(duì)論,是阿爾伯特·愛因斯坦在1905年提出的理論,它顛覆了牛頓力學(xué)中的絕對(duì)時(shí)空觀,提出了全新的時(shí)空觀念。狹義相對(duì)論中的“相對(duì)”主要指的是不同慣性參考系之間的相對(duì)性。
在狹義相對(duì)論中,有兩個(gè)核心假設(shè):光速不變?cè)砗偷刃г?/strong>。光速不變?cè)碇赋?,在任何慣性參考系中,光在真空中的傳播速度都是恒定的,不依賴于觀察者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這一原理打破了牛頓力學(xué)中速度疊加的觀念,引出了時(shí)間膨脹和長度收縮等令人驚嘆的相對(duì)論效應(yīng)。
等效原理則表明,在局部區(qū)域內(nèi),無法通過實(shí)驗(yàn)區(qū)分均勻引力場(chǎng)和加速參考系。這意味著,一個(gè)加速運(yùn)動(dòng)的參考系可以看作是靜止的,并且物理規(guī)律在這些參考系中也是相同的。這一原理為廣義相對(duì)論的提出奠定了基礎(chǔ)。
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狹義相對(duì)論還預(yù)言了質(zhì)能關(guān)系式E=mc2,這一公式揭示了質(zhì)量和能量之間的等價(jià)性。它告訴我們,質(zhì)量和能量可以相互轉(zhuǎn)化,為核能的利用提供了理論基礎(chǔ)。
廣義相對(duì)論:引力與時(shí)空的交織
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廣義相對(duì)論是愛因斯坦在1915年提出的理論,它是對(duì)狹義相對(duì)論的進(jìn)一步拓展,將引力納入了時(shí)空的框架之中。廣義相對(duì)論中的“相對(duì)”不僅涉及不同慣性參考系之間的相對(duì)性,還涉及了引力場(chǎng)中的時(shí)空彎曲。
在廣義相對(duì)論中,物質(zhì)的存在會(huì)彎曲周圍的時(shí)空,而物體的運(yùn)動(dòng)則受到這種彎曲時(shí)空的影響。這種時(shí)空彎曲的觀念徹底改變了我們對(duì)引力的理解。引力不再是一種超距作用,而是時(shí)空結(jié)構(gòu)本身的表現(xiàn)。
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廣義相對(duì)論預(yù)言了許多令人震驚的現(xiàn)象,如黑洞、引力波等。黑洞是時(shí)空中的某些區(qū)域發(fā)生極度扭曲,以至于連光都無法逸出的天體。而引力波則是引力場(chǎng)中的擾動(dòng),它像水波一樣在時(shí)空中傳播。這些預(yù)言已經(jīng)得到了許多高精度實(shí)驗(yàn)的證實(shí),進(jìn)一步證明了廣義相對(duì)論的正確性。
此外,廣義相對(duì)論還是現(xiàn)代宇宙學(xué)的理論基礎(chǔ)。它解釋了宇宙大爆炸、黑洞輻射等宇宙現(xiàn)象,為我們揭示了宇宙的起源和演化。
雖然廣義相對(duì)論早在1915年就指出“引力場(chǎng)越強(qiáng),時(shí)間就越慢”,但直到1976年才有了第一次精確的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:當(dāng)時(shí)科學(xué)家用火箭將原子鐘送到1萬公里的高空,發(fā)現(xiàn)它比海平面時(shí)鐘大約每73年快一秒。
2022年,來自中國科學(xué)家葉軍所率領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志發(fā)表文章,通過團(tuán)隊(duì)開發(fā)的世界上最精確的原子鐘,得出在一毫米高度差上,時(shí)間相差大約一千億億分之一,該研究也是迄今為止在最小尺度上驗(yàn)證廣義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)。
所以,親愛的青少年朋友們,當(dāng)你們下次再聽到“相對(duì)論”這個(gè)詞時(shí),不妨想象一下這兩位百歲老人的故事。他們告訴我們,世界并不是我們想象的那么簡單,而是充滿了無盡的奧秘和可能性。
也許,未來的你們,也能成為揭開這些奧秘的科學(xué)家呢!