
本文参加百家号 #科学了不起# 系列征文赛 。
1905年 , 爱因斯坦提出了4篇具有开创性的论文 , 在这四篇论文中 , 最后两篇尤其颠覆三观 , 后来被合称为:狭义相对论 。
颠覆三观的理论:狭义相对论
爱因斯坦在提出狭义相对论时 , 并没有像很多人想象中的那样一炮而红 , 实际上没有引起什么波澜 。 因为这个理论实在是太过颠覆 , 以至于当时的很多物理学家都表示看不懂 。 甚至连量子力学的奠基人普朗克看到爱因斯坦的论文时 , 他首先是觉得爱因斯坦是一个人才 , 但是他也并没有能够接受这样颠覆三观的理论 。
所以 , 直到广义相对论被验证之后 , 爱因斯坦才在全世界乃至整个学术圈名声大噪 。 那么问题来了 , 狭义相对论为什么这么颠覆呢?
我们就列举一点 , 狭义相对论告诉我们高速运动的物体相对于低速运动的物体 , 时间会发生膨胀 , 也就是说 , 时间流逝的速率会变慢 , 我们一般将这种情况称之为:钟慢效应或者时间膨胀效应 。
这其实和我们日常生活中的直接是不同的 , 比如 , 一个人跑起来后 , 就比没有跑步的人时间流逝更慢吗?如果是 , 我们应该可以感受到 , 可事实上 , 我们并没有感受到 , 因此狭义相对论是很反直觉的 。 所以 , 一开始并没有什么人愿意承认爱因斯坦的狭义相对论是正确的 。
相对论的铁证:2组铯原子钟
后来我们也知道 , 狭义相对论乃至广义相对论都已经成为了现代物理学的支柱 , 也被验证是正确的 。 那么问题到底出在了哪里?狭义相对论又是如何被证明是对的呢?
人类日常生活所接触的是宏观低速的世界 , 在这个世界当中 , 牛顿力学是和感官、直觉很匹配的 , 因此我们才会觉得牛顿力学是无比的正确 。 而狭义相对论描述的是高速状态的情况 , 这个高速指的是达到了接近于光速的速度 , 光速可是3*10^8m/s , 这个速度一秒钟可以绕地球赤道7.5圈 , 是完全脱离我们直觉的速度 。 我们实际上是无法判定在这样高速的情况下到底会发生什么 , 这个时候相对论就可以被用上 。
一个人跑得即便是再快 , 他相对于静止的人而言 , 速度也不过超过50m/s , 这个速度远远低于光速 , 依然是在宏观低速下 , 这时确实存在着“时间流逝慢” , 这不过这个“慢”是相当的慢 , 在小数点后10多位才能体现出来 , 因此我们拿表是根本测不出来这差异来的 。
因此 , 如果要证明相对论是正确的 , 那么只能用精确度非常高的钟表 。 二战之后 , 人类第一个铯原子钟被制造出来 。 铯原子钟的原理是依靠着铯原子的振动 , 基态的铯-133原子在超精细能级之间的跃迀一次的周期是1/9192631770秒 。
到了1954年 , 科学家扎卡来亚斯让原子钟变成可以商用的原子钟 。 到了1967年 , 由于铯原子钟足够精确 , 所以科学家甚至用铯原子钟来定义时间“秒” , 也就是9 , 192 , 631 , 770个铯原子振动的周期就对应1秒钟 。
铯原子钟拥有极其高的精度 , 几百万年 , 几千万年 , 甚至是上亿年的误差都不会超过“一秒” , 是人类发明的最精准的钟表 。 有了铯原子钟 , 科学家就寻思用它来验证狭义相对论是否正确 。
1970年 , 科学家把4组铯原子钟调试好比并且进行校准 , 其中一组铯原子钟留在地球上 , 另外一组安放在一架飞机上 , 然后让飞机绕着地球航行 , 这样持续一周 , 最后对两组铯原子钟的速度情况统计 , 由于引力场也会影响到时间的流逝 。 于是 , 科学家也把引力场的影响也进行了计算 , 并且在结果中刨去了引力场的影响 。
【狭义相对论|飞机上的时间比地面要慢,多坐飞机会返老还童吗?】结果 , 通过狭义相对论的理论计算得到的是飞机上的钟应该变慢184纳米(正负23纳米) , 纳米是10^(-9)秒 , 而实际上测到的结果是慢了203纳秒(正负10纳米) , 可以说理论和实验的结果是在正常误差的范围以内的 , 这也证明了狭义相对论的理论是正确的 , 也就是说在高速飞行的飞机上 , 时间流逝得就是要比地面上慢 , 只是飞一周才慢200纳米左右 。 因此 , 高速运动的物体确实相对于低速运动的物体 , 时间流逝更慢一些 , 所以多坐飞机不会返老还童 , 只是时间会流逝得更慢而已 。
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