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世界上有哪些产品是利用爱因斯坦的相对论做出来的?

宇宙时空

2022-08-13 17:05辽宁

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相对论作为人类历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。

谣言:原子弹应用了相对论理论

在爱因斯坦自传中,曾经提到了相对论中著名质能方程和原子弹的关系,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原子弹的爆炸威力,然而,却不能直接指导原子弹的设计和制造。

因此,原子弹应用了相对论理论这一说法实为谣言。

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相对论理论应用实例

  • 实例一:GPS系统

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。

视频: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。

通过上述介绍可以发现一个概念,即相对论的光速不变原理。因此,基于卫星的测量需要考虑相对论效应。每颗卫星相对于地球用户而言是运动的,在相对论框架下处于不同的参照系。所以在GPS卫星的正确运行中,必须考虑所有的相对论效应,例如地球引力场的影响,以便精确地工作。除了GPS卫星,高精度时间测量中也要考虑相对论效应。如果省略相对论的考虑,从电子显微镜到粒子加速器等设备将不会再起作用。

  • 实例二:粒子加速器

大型粒子加速器应用于粒子物理学的基础研究。目前最强大的加速器是瑞士日内瓦附近由欧洲核子研究中心合作建造的大型强子对撞机(LHC)。它是一台对撞机加速器,可以将两束质子加速到6.5 TeV的能量,并使它们迎头相撞,产生13 TeV的质心能量。

其他具有代表性的加速器有日本KEK的KEKB,布鲁克黑文国家实验室的RHIC,伊利诺斯州巴达维亚费米实验室的Tevatron。加速器也被用作研究凝聚态物理的同步加速器光源。更小的粒子加速器也被广泛应用于各种各样的领域,包括用于肿瘤治疗的粒子疗法、用于医学诊断的放射性同位素生产、用于半导体制造的离子植入器,以及用于放射性碳等稀有同位素测量的加速器质谱仪等。

粒子加速器是一种利用电磁场将带电粒子推进到非常高的速度和能量的机器,粒子的速度相当的接近于光速,因此必须考虑相对论效应。如果失去相对论效应,这些设备将无法运行。

图 动画显示直线加速器的操作,广泛用于物理研究和癌症治疗

结论

相对论作为人类历史上经典理论之一,已与我们的日常生活息息相关,小到手机导航,大到GPS卫星军事定位,甚至医学诊断等都离不开相对论理论。

本回答列举了相对论正确应用的实例和一些不实言论的辟谣,希望我的回答对读者能够产生帮助。

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