給孩子最好的科學教育
編譯 七君
對，機智如你可能猜到了，我們今天講的是愛因斯坦，還有他的相對論。
1905年，愛因斯坦提出了相對論。相對論是20世紀最著名的科學理論之一，相對論可以解釋物體的運動、黑洞的存在、光受到引力的牽引而彎曲，還可以解釋水星在公轉時奇特的行為。
但是許多人對相對論的一個刻板印象就是，相對論和天文學比較搭嘎，離生活太遠了，是一個高高在上的理論。實際上，相對論在生活中有很多應用，日常生活中的許多現象都可以由相對論解釋。
先來簡單瞭解一下相對論。
狹義相對論
在愛因斯坦的狹義相對論中，宇宙中只有光速和物理定律不變，時間空間還有其他物體的速度都是可變的。
比如，根據狹義相對論，如果你退休了以後坐在馬路牙子上看車來車往，看你的孫子蹦蹦跳跳，那麼實際上這些運動的車子和小孩子在你的眼裡都微微變扁了，而且他們都微微變重了。
如果車子的速度越開越快，孫子越跑越來勁，接近光速，那麼他們會變得更扁，更重。當然了，從他們自己的角度看，他們的體型和體重並沒有發生變化。
而從你的角度看，車子和孩子度過的時間比你過的時間要慢多了。這就是狹義相對論描述的奇異的世界。
廣義相對論
300年前，牛頓發現輕的物體傾向於朝著重的物體運動，他發現了這個力量和兩個物體的質量，還有間距有關。這就是牛頓的萬有引力。
可是，牛頓只是觀察並描述了萬有引力使物體相互吸引的現象，但並沒有解釋萬有引力為什麼會讓物體相互吸引。
愛因斯坦解釋了這一點。
在廣義相對論中，有質量的物體可以使時空扭曲。
這怎麼理解呢？你可以想象一碗果凍裡放進去了一個彈珠。彈珠會擠壓果凍，讓果凍變形。特別是，離彈珠近的果凍被擠壓得更厲害。彈珠就像一個有質量的物體，果凍就像時空。如果你再放一粒小一點的彈珠到碗裡，那麼小彈珠就會沿著“扭曲的時空”滑向大的彈珠。
愛因斯坦說，引力的本質就是時空的扭曲。質量越大，對時空的扭曲越厲害。
這和我們的生活有什麼關係呢？
地球這個大質量的物體可以扭曲附近的時空。因此，在地球表面的時鐘就會走得比離地球遠的時鐘，比如你樓上的時鐘，還有衛星上的時鐘要慢。這個現象就叫做時間膨脹（time dilation）。
因此，根據廣義相對論，引力的時空扭曲效應會影響你的相對壽命。 這個影響有多大呢？2010年，美國國家標準技術研究所（National Institute of Standards and Technology）測量了海拔間距為0.3米的2個物體在79年後的時差，他們得出結論：79年後，兩者將有90納秒（1納秒 = 1/1 000 000 000秒）的差異。
這是什麼意思呢？意思就是，如果你家住高層，那麼你老得就比住你家樓下的人快，住在高海拔地區的人，老得要比低海拔地區的人快，雖然這個差異很小很小。
好了別臉向下趴在地上了，這個姿勢並不能使你變年輕。
對人來說，這樣的差異或許可以忽略不計，但是對於許多儀器來說，這樣的差異會導致非常嚴重的錯誤。
下面這些和我們的生活密切相關的儀器能正常工作，就是相對論正確性的活生生的案例。從另一個角度理解的話，如果沒有相對論，這些日常用品或許就無法被髮明出來了。
全球定位系統GPS
汽車和手機上的 GPS 是利用衛星來為地球上的設備定位的一種裝置。GPS 需要地球上的時間和衛星上的時間校準，不然就沒法準確工作了。一開始，設計 GPS 的人覺得相對論的效應不值一提，並不會影響你車裡的 GPS 和衛星上的時鐘的同時性。
可是，因為引力造成的時空扭曲效應（廣義相對論），在高高的天上的衛星上的時鐘每天會比地球表面的時鐘快45微秒（1微秒 = 1/1 000 000秒）。
再加上 GPS 衛星相對地面有較大的速度（約1萬多千米每小時），根據狹義相對論，從地球上看，GPS 上的時鐘又會走得比地面上的時鐘要慢一些。慢多少呢？GPS 衛星上的原子鐘每天要比地球上的鐘慢 7 微秒。
把廣義相對論和狹義相對論得到的結果整合起來就可以發現，45微秒減去7 微秒等於38微秒，也就是說 GPS 的時鐘每天要比地球上的時鐘快38微秒。
想象一下，如果不校正這個差異，那麼 GPS 會告訴你，你的學校每天都在遠離你，每天離開你10千米。或許屏蔽了愛因斯坦的 GPS 就可以成為你不上學的理由？
雷達測速儀
可見光、紫外線、X光，都是電磁輻射，都是一種波。所有的波都有多普勒效應。
什麼是多普勒效應呢？比如一輛救護車朝著你開來的時候音調慢慢變高，遠離你的時候音調變低，這是因為朝你運動的時候救護車發出的聲波的頻率變大，遠離你的時候頻率變小了。
雷達測速儀就是利用多普勒效應測量車輛速度的裝置。雷達測速儀發出的是紅外線，這也是一種電磁波，它可以在車上反射回來，然後被測速儀接收。
在運動的車輛上反彈時，紅外線也會產生多普勒效應，而且這和車輛的速度有關。然後測速儀就能根據紅外線的多普勒效應計算車速了。
這裡愛因斯坦做了什麼呢？測速儀對車速的計算就是利用狹義相對論得到的。
司機應該不會喜歡愛因斯坦。
老式電視機
看過老式電視機嗎？就是那種使用陰極射線管做屏幕的那種電視機，關了以後屏幕還會亮一會兒的那種。
這種老式電視機也離不開相對論。
是這樣的，老式電視機採用的陰極射線管的原理是，把電子打到一個帶磁場的塗著磷元素的屏幕上。磷元素受到電子照射後會發光。磁場根據電視節目的圖案引導不同電子朝不同方向運動，這樣電視機的屏幕就可以用磷光顯示畫面了。
在陰極射線管裡，電子可以達到光速的20-30%，因此狹義相對論的效應十分顯著。
具體來說，從電視機的角度看，這些飛速運動的電子的質量會變大。而從電子的角度來看，電視機卻變小了。
如果不考慮相對論的話，電子落到屏幕上的位置就和預期有很大差異，這樣的話電視機就會一直很模糊。利用相對論校正電子的位置偏差後，電視機才能顯像清晰。
當然了，現在的 LCD 和等離子電視機的原理並不應用相對論。你可以告訴出題老師，如果出陰極射線管的題他就再也不能過兒童節了！
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