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目前世界上有哪些产品是利用爱因斯坦相对论做出来的?
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。
在爱因斯坦自传中,曾经提到了相对论中著名质能方程和***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***的爆炸威力,然而,却不能直接指导***的设计和制造。
因此,***应用了相对论理论这一说法实为谣言。
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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***: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。
虽然中国古代的四***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***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。
爱因斯坦在1905年、1915年分别提出了狭义相对论和广义相对论,这也是爱因斯坦最引以为傲的成就,从此人们对引力有了全新的认识:引力场其实是质量物体将周围的时空弯曲。而这在无数的天文观测中得到了证实,比如日全食时在太阳附近出现的光线偏折、2013年探测到的引力波、今年的第一张黑洞照片…
相对论最主要是在粒子物理、天体物理等科研领域应用较多。
100多年来,人们利用这个理论制造了GPS卫星导航和核能,这大概也是相对论在生活中最大的两个应用了。
相对论产品——GPS卫星导航
GPS卫星导航已为全球各行各业带来便利,它最初是1958年由美国军方研究的,在1964年正式投入使用。在1994年,美国海陆空研究20多年、投入300亿美元的24颗GPS卫星已覆盖了全球98%的区域。自此以后,全世界都得益于高精度、高效率、多功能、快速的定位导航系统。
GPS的原理就是将原子钟的时频信号用微波发出,接收器用时频信号、光速得到相对卫星位置,最终实现定位。
但在应用中发现,原子钟时频在不同卫星轨道飞行速度不同时,会受到相对论中的多普勒频移及引力红移干扰,所以需要修正才能完成精准定位。
相对论的核能应用
核能是大家都熟知的,比如核聚变的氢弹、核裂变的***、核裂变的核电站、航天的核电池…而这些都基于爱因斯坦狭义相对论的质能方程E=mc²。
最直接的产品就是我们每天都在用的卫星导航定位系统,比如GPS定位还有我国的北斗定位系统!卫星定位系统就是利用了狭义光广义相对论原理!
狭义相对论表明,速度可以影响时间的快慢,也就是所谓的时间膨胀,速度越快时间流逝就相对越慢,只不过通常情况下我们都在低速世界,不可能感受到时间膨胀,但卫星定位系统要求非常精确,必须考虑到速度的影响,时间膨胀会让卫星上的时钟每天慢7微秒!
同时,广义相对论也表明引力同样可以影响时间,引力越强,时间流逝就相对越慢!而卫星的引力比地面的引力小,所以卫星上的时间就是速度更快,每天快45微秒,综合起来,卫星上的时间比地面上的时间每天***8微秒,要想保持一致,比如对卫星上的时钟进行校正,否则卫星定位系统会彻底失效!
除了卫星定位系统,还有核能的利用,比如核武器,核电站等,基本理论都是爱因斯坦相对论中的质能方程。当然,并不是说质能方程导致了核武器的出现,它只是一个基本理论,催生核武器诞生的并不是质能方程!就像我们都明白质能方程,但我们不会只要***!
相对论的应用还有粒子加速器,由于粒子的速度都接近光速,必须考虑粒子的时间膨胀效应,否则实验就无法进行下去!
同时,相对论还预言了引力波和黑洞,都已经科学家们发现!
有人可能会提出质疑:相对论如此伟大,为何没有太多实际应用的产品呢?不像牛顿的经典力学的应用挖我们生活中随处可见!
主要原因还是因为我们生活在低速世界,可以近似地认为就是生活在绝对时空里,当然统治我们世界的是牛顿的经典力学,而不是相对论!如果将来某天我们真正开启了星际旅行,以亚光速飞行,相对论会彻底统治我们的世界,相对论的应用也会随处可见!
狭义相对论和广义相对论的区别是,前者讨论的是匀速直线运动的参照系(惯性参照系)之间的物理定律,后者则推广到具有加速度的参照系中(非惯性系),并在等效原理的***设下,广泛应用于引力场中。相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。
而回旋加速器就是靠相对论来完成的。1930年,Earnest O. Lawrence提出了回旋加速器的理论,他设想用磁场使带电粒子沿圆弧形轨道旋转,多次反复地通过高频加速电场,直至达到高能量。
回旋加速器的发展经历了两个重要的阶段。前20年,人们按照劳伦斯的原理建造了一批所谓经典回旋加速器,其中最大的可生产44MeV的α粒子或22MeV的质子。但由于相对论效应所引起的矛盾和限制,经典回旋加速器的能量难以超过每核子20多MeV的能量范围。后来,人们基于1938年托马斯提出的建议,发展了新型的回旋加速器。因此,在1945年研制的同步回旋加速器通过改变加速电压的频率,解决了相对论的影响。利用该加速器可使被加速粒子的能量达到700MeV。使用可变的频率,回旋加速器不需要长时间使用高电压,几个周期后也同样可获得最大的能量。在同步回旋加速器中最典型的加速电压是10kV,并且,可通过改变加速室的大小(如半径、磁场),限制粒子的最大能量。
总之,爱因斯坦的相对论对人类的发展是极大的。
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