日常生活中的相对论效应

相对论是20世纪最伟大的科学理论之一，但是它在描述我们日常生活中的事物时表现的怎么样？1905年，爱因斯坦提出的狭义相对论是指物理定律在任何地方都一致。相对论解释了空间和时间中物体的行为，并且可以用来预言许多现象，包括黑洞的存在、光线在引力场中偏折和水星近日点进动等等。

在《狭义相对论有什么特别的吗？》一文中，我们提到了在相对论中光速是不变的。而如果光速不变，就意味着对于在太空中运动速度相较于地球非常快的宇航员来说，一秒钟会比地球上的一秒钟慢。这种现象被称作时间膨胀。

同时，宇航员的飞船会经历长度收缩，意思是说如果在飞船飞过时对其拍照，会发现飞船在运动方向上宛如被“压扁”了一样。但是，在飞船上的宇航员并不会察觉到任何不同。除此之外，从地球上人们的角度来看，飞船的质量也会增加。

但是想要体验相对论的效应并不一定需要搭乘宇宙飞船。事实上，在日常生活中就有不少相对论效应的例子，我们今天使用的科技都在证明着爱因斯坦是对的。

【全球定位系统（GPS）】

为了让汽车搭载的GPS导航系统准确工作，卫星就必须要考虑相对论的作用。这是因为卫星的运动速度非常快，需要得到相对论的修正。卫星还需要向地球表面的接收站发射信号，由于引力的关系，这些地面接收站（和车里的GPS）都在经历比在轨道中的卫星更高的加速度。

为了确保高精确度，卫星上的时钟精确度达到了十亿分之一秒（纳秒级）。由于每颗卫星都在距地球2万3千公里处，并以1万公里每小时的速度移动，每天会出现约4微秒（百万分之一秒）的时间膨胀，算上引力作用，总数就是7000纳秒。

这个差异是十分明显的：如果不考虑到相对论作用，一天之内GPS上显示离你800米远的加油站就会偏出8公里。

【金的颜色】

大多数金属都会发亮，这是因为原子中的电子会在不同能级（或“轨道”）间跳动。某些撞击到金属的光子被吸收后以更长的波长被重新发射出去。但大多数可见光只会被反射。

金是一种重原子，搜易内部电子运动的速度足够快到让相对质量显著增加，长度收缩也同样明显。这样一来，电子绕原子核运动的轨迹缩短，动量增加。内轨道上的电子携带的能量更接近外电子的能量，被吸收和反射的波长变得更长。

更长的光波长意味着部分通常被反射的可见光也会被吸收，这部分光位于光谱的蓝端。白光是彩虹中所有颜色的混合体，但在金的情况中，当光被吸收并重新发射出去时，波长通常变得更长。这就意味着我们看到的光波混合体就呈现出更少的蓝和紫色，使金子看起来就黄澄澄的，因为黄、橙和红光的波长比蓝光的波长更长。

【金不易被腐蚀】

发生在金的电子上的相对论效应也解释了为什么金不易被腐蚀或与其它物质发生反应。

金的最外层只有一个电子，但却不像钙和锂那样有活性。恰恰相反，金中的电子虽然要比它们应有的质量“重”，却被更紧密地束缚在原子核周围。这就好比将最外层电子变成了原子核附近其他电子的一员，所以不会轻易与其他任何物质发生反应。

【老电视】

几年前，大多数电视机和显示器中都还是阴极射线管屏幕。阴极射线管是通过向装有巨大磁铁的荧光粉表面发射电子来工作的。每个电子撞击屏幕背面时都会产生一个发光的像素。发射出的电子让图像以最高达光速30%的速度运动。这个速度，相对论效应是可察觉的，制造商在打造磁铁的时候也会考虑到这些效应。

【核电站与超新星】

相对论是质量与能量可以相互转换的原因之一，因此核电站才能发电，太阳才会发光。其另一重要的影响体现在超新星（恒星死亡的信号）爆发中。

“超新星之所以存在是因为相对论效应克服了在质量足够大的恒星核心中的量子效应，使其能够在自身重量下突然坍缩，直到成为一颗小得多、密度也大得多的中子星”Moore说道。

在超新星中爆发，恒星的外层向核心坍缩，形成巨大的爆炸，产生出比铁更重的元素。事实上，我们熟悉的所有重元素几乎都是在超新星爆发中产生的。

“我们是由超新星创造和散播的物质构成的，”Moore说。“如果没有相对论，那么连最巨大的恒星也会最终以白矮星的形式死亡，永远不会爆炸，而我们也不会存在来思考这些问题了。”

【电磁铁】

磁是一种相对论效应。只要你的生活中用到电，你就应该感谢相对论，否则发电机根本就不会工作。

如果你将一个线圈穿过磁场，就会产生电流。在导线中的带电粒子受变化的磁场影响，迫使部分电子运动并制造电流。

现在，假设线圈不动，而将磁铁移动。在这种情况下，导线中的带电粒子（电子及质子）将不会运动，那么磁场就不会影响这里粒子。然而，作用依然存在，仍有电流通过。这表明并不存在任何从优参照系。

物理学家Thomas Moore利用相对论原理证明了为何法拉第定律（表述了一个改变的磁场可以制造电流）是正确的。

Moore表示“这是变形金刚和发电机背后的核心原理，只要用到电的地方就有相对论效应存在。” 

电磁铁也是在相对论作用下工作的。当直流电通过导线时，电子便在材料中流动。通常，导线是电中性的，不带净正负电荷。这是质子（带正电荷）和电子（带负电荷）数量大致相等造成的。但如果你将通了直流电的另一导线放在这根导线旁边，两根导线就会取决于电流方向而彼此相吸或排斥。

如果电流都向同一方向流动，那么第二根导线中的电子相对第一根导线中的电子就是静止的（这假定了电流的强度大致相等）。同时，从电子的角度看，两根导线中的质子看起来都在运动。因为相对论的长度收缩，质子变得更为密集，那么单位长度中的正电荷就多于负电荷。因为同性相斥，两根导线也会相斥。

反方向的电流会相吸，因为从第一根导线的角度出发，第二根导线中的电子更密集，产生净负电荷。同时，第一根导线中的质子产生净正电荷，异性相吸。