当生活邂逅相对论

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1、当生活邂逅相对论　　今年是爱因斯坦提出广义相对论100周年，这个伟大理论把引力描述为空间和时间的弯曲，颠覆了人类对宇宙的认识，开启了近代物理学上一个全新的领域。　　那么，相对论到底是神马东西，它又是怎样被提出来的？　　改写宇宙认知法则　　关于爱因斯坦和广义相对论的故事，还要从1915年说起。　　1915年秋天，德国威廉皇家物理研究所。所长阿尔伯特?爱因斯坦的心情不太好，他正在遭遇学术上的瓶颈――10年前，狭义相对论的提出震动了物理学界，那一年也因此被命名为“爱因斯坦奇迹年”。此后，他又在此基础上提出了关于引力的新理论，但兴奋劲儿还未过去，他却发现这一理论中存在致命缺陷。　

2、　于是，爱因斯坦回到了黑板前――他不断地思索着、计算着，寻找着开启问题的钥匙。正是在这样的忘我中，1915年11月25日，他写下了那个改写宇宙认知法则的方程式：　　这个看似简洁的公式，诠释了爱因斯坦对宇宙时空的解读：光线在经过引力场时将会弯曲。打个形象的比方，宇宙就好像是一张弹性极好的海绵床垫，物质与能量仿佛一个从沉睡中醒来的人，他爆发出的力量，扭曲了宇宙（床垫）的几何形态，进而创造出引力效应，迫使光线像弹珠或掉落的苹果那样，沿着弯曲的路径穿越空间。8　　这就是广义相对论，它彻底颠覆了人类对时空的传统理解，注定成为物理学上划时代的一笔重彩。　　爱因斯坦对引力的描述，能解释

3、多个牛顿定律无法解释的现象，如水星等行星轨道的反常；这一理论还提供了关于黑洞的基础理论，同时也是宇宙大爆炸模型的组成部分……　　但如果你就此以为相对论是物理学家的事，和我们普通人没有什么关系，那你就错了，实际上，相对论在生活中有着许多重要的应用，比如，在GPS、北斗等导航卫星定位系统中，如果没有基于相对论的数据修正，误差会越来越大――人们将越走越迷路。　　精确导航，拯救“路痴”族　　在生活中，我们正在越来越多地依赖着导航系统：当我们去一个不太熟悉的地方时，通常会打开手机导航或汽车导航。而此时，我们就会用到GPS或北斗导航卫星定位系统。　　那么，这些导航卫星定位系统与看似高

4、大上的相对论之间又有什么关系呢？　　为了提供全方位、全天候、全时段、高精度的导航信息，导航卫星上都装有原子钟，它们计时极为准确，误差不超过十万亿分之一，也就是说，每天的误差不超过10纳秒（1纳秒等于10亿分之一秒）。　　此外，原子钟和导航卫星一起每天以每小时14000千米的速度不辞辛苦地绕地球飞行。如此快的速度，已经让我等普罗大众望而兴叹了，但这跟光速（3.0×108m/s）相比，却仍然慢了很多。8　　根据狭义相对论，当物体运动时，时间会变慢；物体运动的速度越快，时间就越慢。因此在地球上看导航卫星，它们携带的时钟要走得比太空中更慢。用狭义相对论的公式计算，地球上的时间与原

5、子钟的时间相比，每天要快7.2微秒（1微妙=1000纳秒）。待导航卫星发射的无线电信号传递到地球上的讯号站，然后再反馈到定位上，就会造成数公里的误差。　　这就好像是，当你爱车的定位软件告诉你下一个加油站是在0.8公里以外，而一天下来，定位软件告诉你的最后一个加油站所处的位置和它的实际位置就相差了8公里。也就意味着，你要多开8公里，如果此时车辆油量已经耗尽，也许你就只能崩溃了。　　然而，根据广义相对论，物质质量的存在会造成时空的弯曲，质量越大，距离越近，时光就弯曲得越厉害，时间则会越慢。受地球质量的影响，在地球表面的时空要比导航卫星所在的时空更加弯曲，这样，从地球上看，地球

6、上的时间每天要比导航卫星上的时间慢45.9微秒。　　即便把狭义相对论和广义相对论都考虑进去，导航卫星时钟比地球上的时间相比，每天还是要快上大约38微秒。而卫星导航系统必须达到的时间精度是纳秒级的，这个误差可是其精度的38000倍呢。如果不校正的话，卫星导航系统每天将会积累大约10千米的定位误差。　　因此，为了确保这些卫星软件定位准确，需要计算和抵消所有的相对论效应。为此，在GPS卫星发射前，科学家要先把GPS卫星上的时钟的走动频率调慢100亿分之4.465，把10.23兆赫调为10.22999999543兆赫。01北斗导航卫星定位系统中，正是使用了相对论原理来对其进行导航

7、数据校正。02目前，核电在各国电力中的比例日趋增高，成为新一代清洁能源。图为深圳大亚湾核电站。038与传统的火电相比，核电更清洁、环保，也更便宜。04薯片及牛奶的包装盒封口，是粒子加速器在工业上的最早应用。05“天河二号”超级计算机是目前世界上运算速度最快的计算机。　　核电，让能源更清洁　　1945年8月6日和9日，美军向日本广岛和长崎分别投掷原子弹，加速了第二次世界大战的结束。而原子弹之所以能爆发出如此惊人的威力，其理论基础正是相对论的一个推论，即质能方程E=mc2。　　时光回溯到1905年11月，这一年，爱因斯坦在他的文章