4分钟彻底了解相对论是什么（天文科普笔记给你的孩子简单讲讲）

《图说相对论》读书随笔

相对论从理论上为我们展示了宇宙的构造以及宇宙是如何诞生和成长的。

量子论则告诉我们微观物质遵循什么样的规则展开运动。

通过这两个被称为支撑20世纪物理学发展的伟大理论，我们可以从科学的角度理解自然的构造。

从讨论“光”开始：

·以太。曾经被认为光的传播介质。

有一种说法认为光的本质是微小的粒子的集合，另一种说法认为光是一种特殊的波。实际：光是一种电磁波。

·时间和空间具有伸缩性。

·相对论是“科学的解释时间和空间性质的理论”。相对论是说明时间和空间具有相对性的科学理论。

·最初发现光的速度有限的人是丹麦天文学家罗默。

·法国物理学家斐索，用齿轮和镜子测出光速每秒30万千米。（通过计算齿轮的旋转次数来计算光速）

·“速度总是相对的存在”，与某一物体相对。参照物不同。

·速度合成定律是牛顿构筑的力学中最基本的定律。令人感到不可思议的是，只有光速是绝对的数值。

·迈克尔孙-莫雷实验。光速在地球东西方向和南北方向测算总是完全相同的。

·光的速度并不受地球自转速度的影响，这个结论与力学的基本原理速度合成定律完全矛盾。

·26岁的爱因斯坦提出了相对论。（5岁的时候指南针开启了爱因斯坦科学探索之路）

·“如果我用和光速相同的速度运动的话，那么我所看到的光会是什么样子呢？”爱因斯坦在这样的思考基础上，最终提出了相对论。

·什么是同时的相对性？答：某件事物在某个人眼中是同时发生的，但是在其他人眼中却是不同时的。

·所谓“运动、静止”都是以自己的立场作为标准判断的。

·时间的相对性。世界上并不存在绝对的时间测量方法和唯一正确的时间标准。

·无论是宇航员还是外星人，都认为对方的时间变慢了，而他们都没有错误。

·有一种叫做“宇宙线”的高能量放射线能够照射到地球上。宇宙线和位于地球大气上层的原子一旦发生冲撞，便会产生一种名为μ介子的微小粒子。

·如果有人能够以同样的速度和μ介子一起飞行，那么在这个人眼中，μ介子的寿命并没有延长。√（运动可以延长寿命的说法不正确）——运动物体行进方向的长度会缩短。

·E=mc² 速度增加、重量也增加

·在传统科学家看来，速度是没有上限值的，但爱因斯坦认为，无论是用什么手段，都无法使物体的速度超过光速。

·质量可以转化微能量吗？能。铀的核裂变反应进行原子能发电，当铀的原子核发生裂变，其质量约减少0.1％，这会释放出巨大的原子能。

·狭义相对论是1905年6月发表的。后来1915年至1916年间相继发表了广义相对论。

·广义相对论是狭义相对论的升级版本。

·狭义相对论没有解释加速度运动的现象，都是观察者进行的匀速直线运动。

·只要是物体，就会使空间弯曲。√

·证明空间发生弯曲。1919年5月英国天文学家亚瑟爱丁顿在南半球发生日全食进行观测。（通过将这时的星体位置和太阳没有靠近的时候，即夜间所看到的星体的位置进行比较，就可以证明空间是否发生了弯曲。）

·黑洞是广义相对论中提出的。但预言黑洞存在的是德国天文学家史瓦西，他在广义相对论的基础上提出了黑洞理论。1916年史瓦西发表了论文，认为在中立极大的物质周围，会存在像黑洞一样的区域。

·经计算，当原本半径70万千米的我们的太阳被压缩到半径为3千米左右的时候，太阳就会变成让光想无法逃离的黑洞。

·掉到黑洞中，所有的物质都会在巨大重力的作用下发生爆裂，变成四散的原子或基本粒子。

·爱因斯坦认为，宇宙中实际上并不存在真实黑洞。这是因为宇宙中不存在能够将物质压缩成为黑洞的巨大的力。

·但是之后人们发现，巨大恒星在生命的最后会发生大爆炸，星体的中心会受到压缩，就有可能形成黑洞。

·黑洞自身不发光，但是当附近有其他星体的时候，星体表面的气体就会被黑洞吸收，这时气体会受到压缩，会产生是百万度的高温，并释放出极强的X射线，根据这些射线，就可以验证黑洞的存在。（在宇宙中，发现了质量室太阳的100万倍以上的巨大黑洞。）

·位于天鹅座的X射线源天体（天鹅座α星）是证明黑洞存在的有力证据。

·我们的银河系中心部位，也释放出了强烈的电波和X射线（认为这是太阳的100万倍大的黑洞）。

·重力大的地方时间相对于外面慢√。是不是重力绊住了时间的脚步？不是，很难简单说清楚，想要理解狭义相对论，必须拥有极高的数学知识，广义相对论也是如此。

相对论应用：

·GPS。受到狭义相对论中提到的“运动的时钟走得慢”印象，GPS卫星上的时钟会走的慢一些；另外还受到广义相对论的“重力影响的时钟走得慢”GPS卫星上的时钟要快于地球上的时钟。而综合在一起，GPS卫星上的时钟比地面上的时钟稍快一点，也就是重力影响的更大，所以弥补这个差距，卫星上的时钟设置的时候要比地球上的时钟每秒慢4.5×10的负十次幂。

重力和速度会影响时空

·对于以匀速运动为条件的狭义相对论来讲，可以说是100％没有错误。狭义相对论的理论都经过了实验证明。

·对于广义相对论而言，只能说99％正确。

·双胞胎悖论。互相都认为自己时间更慢。实际呢，坐飞船的才是，因为做的是加速运动，能感受到惯性。之所以产生悖论，是因为过于简单的使用了狭义相对论，如果注意到加速度这一点，就可以认为地球是静止不动的。就可以解开这个悖论了，在于宇宙中进行加速运动的哥哥会更加年轻。（但现在的飞船速度和光速之间还有很大差距，所以大概只年轻了10的﹣7次幂。）

·宇宙论在相对论的基础上产生的。

·发现宇宙膨胀的证据。1929年，美国的天文学家哈勃发现了能够显示宇宙膨胀的证据。哈勃注意到距离我们越远的银河，越以更快的速度远离地球。

·宇宙不仅更加广阔，温度也降低了很多。

·1940年，美国物理学家伽莫夫提出了大爆炸理论。

·字面上虽然是爆炸，但并不像我们想象的炸药爆炸那样产生巨大的响声，而是微观上具有惊人的超高温。

·宇宙背景辐射。1965年，科学家发现了能够证明宇宙曾经处于高温状态的证据。

——概念总结——

相对论极大的改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“同时的相对性”、“四维时空”、“弯曲时空”等全新的概念。

一句话妄图概括相对论：时间和空间都是相对的。

狭义相对论和广义相对论的区别：现在已经不以“惯性（加速度）”为参考系。而是是否涉及引力（弯曲时空），即狭义相对论只涉及那些没有引力作用或者引力作用可以忽略的问题，而广义相对论则是讨论有引力作用时的物理学。用相对论的语言来说，就是狭义相对论的背景时空是平直的；而广义相对论的背景时空则是弯曲的。

——应用方面总结——

相对论主要在两个方面有用：一是高速运动（与光速可比拟的高速），一是强引力场。

在医院的放射治疗部，多数设有一台粒子加速器，产生高能粒子来制造同位素，作治疗或造影之用。氟代脱氧葡萄糖的合成便是一个经典例子。由于粒子运动的速度相当接近光速（0.9c-0.9999c），故粒子加速器的设计和使用必须考虑相对论效应。

全球卫星定位系统的卫星上的原子钟，对精确定位非常重要。这些时钟同时受狭义相对论因高速运动而导致的时间变慢（-7.2 μs/日），和广义相对论因较（地面物件）承受着较弱的重力场而导致时间变快效应（ 45.9 μs/日）影响。相对论的净效应是那些时钟较地面的时钟运行的为快。故此，这些卫星的软件需要计算和抵消一切的相对论效应，确保定位准确。

全球卫星定位系统的算法本身便是基于光速不变原理的，若光速不变原理不成立，则全球卫星定位系统则需要更换为不同的算法方能精确定位。

过渡金属如铂的内层电子，运行速度极快，相对论效应不可忽略。在设计或研究新型的催化剂时，便需要考虑相对论对电子轨态能级的影响。同理，相对论亦可解释铅的6s惰性电子对效应。这个效应可以解释为何某些化学电池有着较高的能量密度，为设计更轻巧的电池提供理论根据。相对论也可以解释为何水银在常温下是液体，而其他金属却不是。

由广义相对论推导出来的重力透镜效应，让天文学家可以观察到黑洞和不发射电磁波的暗物质，和评估质量在太空的分布状况。

——题外话——

当媒体播报科学或科技类新闻，经常会看到有人评论狂怼：投资这玩意有什么用，把这钱用在民生上不好吗？？

以上应用就知道了吧，几千年来若没有科学的投资和进步，那你就当猿猴吧。

继续怼，人家科学家研究行，你懂有什么用？？

两句话：作为人类而不是作为巨婴，来到世界多了解、多感受不是错；另外，如果我们不能成为人类精英推进文明进步，至少还能作为知识传播者启发更多的人们，尤其是年轻人、儿童，这就是人类精神，扩展到我们存在的意义。

当然了，如果物质基础难以满足，那还是先动脑努力以求自饱吧，别顾着怼啦。

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