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狭义相对论的出发点是:真空中光速始终约为每秒30万公里,与观察者的运动状态无关。由这一前提可以推出:时间和空间并非绝对,会因观察者的运动速度不同而被测量出不同的结果。
根据狭义相对论,物体运动得越快,在静止观察者看来,它的时间流逝就越慢,这被称为时间膨胀。这种效应在日常速度下几乎无法察觉,但随着速度接近光速会显著增大。
广义相对论将引力解释为有质量的物体使周围时空发生弯曲的现象,而不是一种力,其他物体只是沿着这个弯曲的时空运动。该理论准确预言了光线经过太阳等大质量天体附近时会发生弯曲(引力透镜),后来被实际观测所证实。
由狭义相对论推导出的E=mc²公式表明,质量和能量是可以相互转换的等价存在,即使极小的质量,乘以光速的平方后,也能转化为巨大的能量。这一原理后来成为理解核裂变与核聚变能量的理论基础。
GPS卫星围绕地球高速运动,根据狭义相对论,卫星上的时钟会比地面上的时钟走得慢;但卫星所处轨道引力比地面弱,根据广义相对论,时钟又会走得更快。如果不同时修正这两种效应,卫星时钟每天会产生约38微秒的误差,导致定位误差累积,因此GPS系统实际上会应用相对论修正。
阿尔伯特·爱因斯坦于1905年发表了狭义相对论,此后用了十年时间进一步发展理论,于1915年至1916年间完成并发表了涵盖引力的广义相对论。1919年日全食观测证实了星光会因太阳引力而弯曲,与理论预言完全一致,广义相对论由此获得了世界性的认可。
相对论所讨论的时间和空间变化,在日常速度下几乎难以察觉,因此不够直观;但只要理解了几个核心概念,就能明白这一理论为何在现代物理学和现实技术中被广泛应用。
看完物理学知识后,不妨也了解一下被称为生命设计图的DNA与基因基础知识,进一步拓宽科学视野。
狭义相对论研究的是在没有引力的情况下,快速运动物体之间的时间和空间关系;广义相对论则在此基础上,将引力作为时空弯曲纳入其中,进行了扩展。
并非如此。GPS卫星的时间校正就是相对论的直接实际应用——如果不考虑相对论效应,定位误差会不断累积,可见它已经被应用在日常技术之中。