目前世界上有哪些产品是利用爱因斯坦相对论做出来的
虽然中国古代的四大发明是在不知道理论的情况下偶然发明出来的,但近代以来技术大都是在理论诞生后才发展出来的
在科学的所有分支中,物理学毫无疑问是稳坐头把交椅的,百年来人类生活的方方面面都是因为物理学的进步而进步,现在科技社会更是建立在爱因斯坦相对论和玻尔等人的量子力学上的,然而虽然很多人都听说过相对论,但却并不知道相对论在日常生活中到底发挥了什么作用。
那么现代物理学两大支柱之一的相对论,到底出现在了现代社会的那些方面呢?
我们首先来说狭义相对论,目前而言人类对狭义相对论的应用主要就是时间膨胀公式,因为现代科技结晶之一的人造卫星由于长期高速绕地球公转,其内的原子钟要比地球上的原子钟稍微慢一点,如果不用时间膨胀公式来消除这个误差的话,经年累月后卫星将彻底无法为地面上的人提供精确导航。
除了时间膨胀公式外,上个世纪人类制造出的原子弹和氢弹背后也有狭义相对论质能方程的影子。
话题转移到广义相对论上来,坦白说广义相对论目前的主要应用领域还是宇宙学和天文学,因为广义相对论本身就是爱因斯坦为宇宙设计的“模型”,现代天文学家可以用广义相对论的引力透镜开观测更遥远的星系,也可以用广义相对论来计算黑洞等极端天体的信息数据。
从实际角度出发,人类目前还远远没有发挥出相对论的全部威力,毕竟它只是一个诞生一个多世纪的“新理论”
在可以预见的未来,人类把理论转化为技术的脚步会不断加快,我们终有一日能把相对论完全转化为技术为我所用,届时的人类文明也将迎来新的腾飞。
相对论是爱因斯坦1905年提出的狭义相对论和1915年提出的广义相对论的总称。它颠覆了经典物理理论,主要解释了时空与引力的问题。在现实生活中最主要的应用就是卫星定位。根据相对论的解释,时间只是一个相对的存在,时间在受到物质引力作用和物质速度变化时,会发生"钟慢效应”,卫星上的时钟由于距离地球引力比地球上的时钟更为遥远,所以卫星上的时间就会快一些,而卫星运行的速度远超地球上的物体,这会使得卫星上的时间慢一些,但两者相加,不会完全抵消,还是会得到一个"可观″的"钟慢效应″,尽管这些时间变化很微小,但应用到卫星同步定位时就会发生很大的误差,每秒误差可达115米左右。所以卫星上的原子钟要根据相对论进行校正,这样才不会发生定位误差。
美国早年的卫星定位系统由于没有根据相对论进行校正,每天误差达10公里以上,这是相对论发威的最有影响力的事件。
除了卫星定位,相对论在天文学、核电、核武器制造、医疗放射、粒子加速器等领域都有应用。
而相对论关于"光速不变、时空扭曲″等概念却为科幻主题电影提供了无限的创作灵感。
至于和实际生活中的产品并没有太大的关系。伟大的科学理论往往是没有什么实际用处的,但它能拓宽人类对世界、对宇宙的认知,指导人类科学研究的方向,同时经得起历史和实践的检验。因此爱因斯坦的相对论是科学史上真正伟大的理论。
我们身边就在天天用相对论技术的产品!
比如我们日常使用的GPS定位系统,就是应用了相对论的时间是相对的理论。距地面大约14000公里的GPS卫星,应用相对论知识,其卫星上的时间,每天比地面时间快38微秒。38微秒的差别,可以让地面的定位相差好几公里。幸亏科学家们相信相对论,相信时间不是绝对的,因此他们不断调整和优化时间,才有我们天天使用的GPS,才让我们车载导航行驶在正确的道路上。
哪些不相信相对论的人,你们最好写信给定位的产品的公司,要求专门为你们生产不需要调整时间的定位系统。这样的话,到不了目的地是小事,直接导向河流海洋也是常事。这样的话,下次科协统计中国人的科学素养水平,也能大大提高几个百分点。
相对论作为人类史上最伟大的理论之一,传播甚广。相对论在历史的长河上无数次地被证实了正确性,更被应用在各种各样的设备和产品中。
然而,仍然有不少答案将相对论错误的介绍在了一些其他的应用上,因此,本文将通过以下两个方面进行回答,即相对论应用的辟谣与相对论理论正确应用的实例。
谣言:原子弹应用了相对论理论
在爱因斯坦自传中,曾经提到了相对论中著名质能方程和原子弹的关系,现摘出并翻译如下:质能方程作为描述质量和能量关系的数学公式,可以定量的解释和宏观的分析原子弹的爆炸威力,然而,却不能直接指导原子弹的设计和制造。
因此,原子弹应用了相对论理论这一说法实为谣言。
相对论理论应用实例
实例一:GPS系统
全球定位系统(GPS)是一种基于卫星的无线电导航系统,它为全球的GPS接收器提供地理位置和时间信息,在地球上或地球附近的任何地方,只要有4颗或4颗以上GPS卫星则可以实现信息的传递。
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视频:GPS卫星视觉示例,其与地球一起运动
GPS卫星携带非常稳定的原子钟,这些原子钟彼此同步,并与地面时钟保持同步,同时与在地面上产生的任何偏离真实时间的偏差都要被纠正。同样,卫星的位置也非常精确。GPS接收器也有时钟,但它们不那么稳定,也不那么精确。每一颗GPS卫星不断地发送一个无线电信号,其中包括当前的时间和关于其位置的数据。由于无线电波的速度是恒定的,并且与卫星的速度无关,所以卫星发射信号到接收信号之间的时间差与卫星到接收信号的距离成正比。GPS接收机监视多颗卫星,并通过求解方程来确定接收机的精确位置及其与真实时间的偏差。只要至少四颗卫星在接收器的视野内,那么就可以计算出四个未知数(三个位置坐标和时钟与卫星时间的偏差),实现定位测量。
通过上述介绍可以发现一个概念,即相对论的光速不变原理。因此,基于卫星的测量需要考虑相对论效应。每颗卫星相对于地球用户而言是运动的,在相对论框架下处于不同的参照系。所以在GPS卫星的正确运行中,必须考虑所有的相对论效应,例如地球引力场的影响,以便精确地工作。除了GPS卫星,高精度时间测量中也要考虑相对论效应。如果省略相对论的考虑,从电子显微镜到粒子加速器等设备将不会再起作用。
实例二:粒子加速器
大型粒子加速器应用于粒子物理学的基础研究。目前最强大的加速器是瑞士日内瓦附近由欧洲核子研究中心合作建造的大型强子对撞机(LHC)。它是一台对撞机加速器,可以将两束质子加速到6.5 TeV的能量,并使它们迎头相撞,产生13 TeV的质心能量。
其他具有代表性的加速器有日本KEK的KEKB,布鲁克黑文国家实验室的RHIC,伊利诺斯州巴达维亚费米实验室的Tevatron。加速器也被用作研究凝聚态物理的同步加速器光源。更小的粒子加速器也被广泛应用于各种各样的领域,包括用于肿瘤治疗的粒子疗法、用于医学诊断的放射性同位素生产、用于半导体制造的离子植入器,以及用于放射性碳等稀有同位素测量的加速器质谱仪等。
粒子加速器是一种利用电磁场将带电粒子推进到非常高的速度和能量的机器,粒子的速度相当的接近于光速,因此必须考虑相对论效应。如果失去相对论效应,这些设备将无法运行。
图 动画显示直线加速器的操作,广泛用于物理研究和癌症治疗
结论
相对论作为人类历史上经典理论之一,已与我们的日常生活息息相关,小到手机导航,大到GPS卫星军事定位,甚至医学诊断等都离不开相对论理论。
本回答列举了相对论正确应用的实例和一些不是言论的辟谣,希望我的回答对读者能够产生帮助。
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参考文献
Relativity in Chemistry: The Color of Gold
Ragnar Hellborg . Electrostatic Accelerators: Fundamentals and Applications等
标签: #代表性科技产品