长久以来,时间与空间的绝对性深入人心,人人都认为时间流逝和空间大小是一视同仁的。换言之,每个人心中的一秒钟,不会因人而异,无论何时何地,它都如一秒那么长。



这种认知的普遍性不难理解,毕竟时间与空间的绝对性与日常生活经验紧密相连。而人们总是倾向于信任自身的经验,这不仅仅局限于人类,动物界亦是如此。物种的生存与延续往往依赖于其所依赖的日常经验。

因此,爱因斯坦提出的相对论在一开始遭到广泛质疑也就不足为奇了。毕竟,对绝对时空的信仰早已根植于人们心中,而爱因斯坦的理论却要人们颠覆这种信仰。

然而,在相对论提出后的一百多年里,无数物理学家反复证实了其正确性和合理性,使得相对论成为现代物理的基石之一。



尽管如此,相对论的颠覆性仍然使一部分人难以接受,甚至否认其合理性。

他们可能觉得相对论过于深邃,“世界上懂相对论的没几个人”,但事实上,经过一个多世纪的发展,相对论已经悄然融入我们的生活,只是未被广泛察觉。

下面简述相对论的核心观点——相对时空观。

传统观点认为时间与空间是独立的、绝对的两个概念。

但爱因斯坦的狭义相对论告诉我们,时间和空间不仅具有相对性,而且彼此不可分割,它们必须共存。



任何孤立讨论时间或空间的行为都是没有意义的。设想一下,你和女友约定见面,你必须告诉她确切的时间和地点,缺一不可。否则,你的约会注定失败。

时间和空间的四个维度(时间一个维度,空间三个维度)可以用数轴上的四个数字来描述,唯有确定这四个数字,才能准确界定我们生活中的事件。



在相对论之前,人们普遍认为时间和空间是绝对的,不受任何运动状态的影响。

但爱因斯坦却发现,真正关键的是速度,而且是光速。

我们日常所见的速度是相对的,需要有参照物。然而,光速是绝对的,在任何参照系中都是恒定不变的。

这违背了我们对速度的传统认知。例如,你驾驶汽车,打开车灯,车灯发出的光对你和对地面上的我来说,速度都是光速。



这就是光速不变原理,它说明了光对任何观察者都是等速的。

如果整个宇宙只有你,你无法判断自己是静止还是运动。而光速的绝对性意味着光无法判断其他物体的运动状态,因此对光而言,静止和运动是等价的。

这也意味着,光速是宇宙的绝对“标尺”,一切运动速度都是相对的。



因此,如果一切都是相对的,我们将无法界定静止和运动,也就无法定义“对与错”。好在有了光速,我们有了这个判断标准。

如果光速是绝对不变的,那么时间和空间必须做出相应的改变。

因为速度等于空间除以时间,既然观察到的光速相同,那必然有时间或空间上的差异。

这就是狭义相对论的核心,解释了时间不是绝对的,不同的观察者会因为速度的不同而体验到不同的时间,这就是所谓的“时间膨胀效应”。



至此,大家应该对相对论有了基本的了解。当然,由于篇幅限制,我只能以通俗方式介绍,实际上,狭义相对论的诞生过程远比这复杂。

然而,也有人质疑,除了理论分析,现实生活中有相对论的应用吗?

实际上,相对论的应用与每个人的生活息息相关,深入我们生活的方方面面。最常见的例子就是卫星导航系统,开车时我们都离不开它。



卫星导航系统的卫星平均高度约2万公里,速度可达一万两千公里每小时,虽然与光速相比并不快,但时间膨胀效应仍然存在,尽管微乎其微。

考虑到导航系统对精确度要求极高,这些微小的差异会累积成显著的误差。因此,必须校正卫星上的时钟,使其与地面时间保持一致。



根据狭义相对论,速度较地面慢的卫星时间每天会慢7微秒,但受地球引力较小的卫星,根据广义相对论,时间每天会比地面快45微秒。综合来看,卫星时间每天实际上比地面时间快38微秒。

一微秒仅是百万分之一秒,似乎微不足道,但如果不校正这细微的误差,导航系统每天将产生12公里的误差。

12公里的误差意味着什么?这足以让你的导航偏离到太平洋中了!

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