03.02 相對論的理論現今已經有哪些具體的實用性應用?

kayki


相對論和量子力學雖然同為“20世紀物理學的兩大支柱”,但量子力學的應用場景非常廣,不但統治了20世紀初以來物理學的各大分支,同時通過催生第三次科技革命(即20世紀下半葉的信息革命),深入到了我們現代生活的方方面面,未來還會通過量子信息技術催生下一次信息革命。

相比之下,相對論的應用主要還在粒子物理和天體物理等科研領域,影響我們生活的實用性應用就寥寥無幾了。大家最常提到的一個應用是GPS導航定位的相對論修正。因為GPS衛星的核心是原子鐘,把原子鐘的時頻信號用微波發射出去,接收器通過時頻信號和光速得出相對幾個衛星的位置,從而完成定位。但原子鐘的時頻在衛星不同軌道不同速度飛行時,會受到狹義相對論多普勒頻移和廣義相對論引力紅移的影響,因此需要修正這些影響,才能準確地定位。但這個屬於非常被動地利用相對論。

那麼主動地利用相對論的例子呢?其實大家都聽說過,就是核能(又稱原子能)。包括核裂變的原子彈,核電站,以及核聚變的氫彈。原子核的裂變和聚變行為都是由量子力學和相對論共同決定的。核裂變和核聚變損失的質量m,通過相對論的質能方程E=mc^2,對應釋放出的能量E。小小的質量減少對應著巨大的能量輸出,這就是核能的來源。除了核武器之外,核能的和平利用目前只有基於核裂變的核電站,和航天用的核電池。可控核聚變是人類幾個主要夢想之一,一旦實現,幾乎可以一勞永逸地解決人類能源問題,因此備受矚目。


九維空間


有不少呢。主要是在天文學和電磁場理論中。我可以舉出一個“粒子加速”的例子。在加速帶電粒子時,除了“靜電加速器”之外,其它的加速方法,都是使用“脈衝加速”的技術。也就是說,粒子束是“一次一次”的被加速的,而不是“持續加速”的。

那麼在每個“加速週期”,都要使“被加速粒子”在“正確的時間”,跑到“加速電極”的地方。加速電極的電壓是“交變電壓”,不是固定不變的。這被稱為“同步”。

這樣,在粒子速度很大時,就必須考慮“相對論效應”,它使粒子的質量增大了,速度增加卻沒有“非相對論效應”時增加的那麼多。所以,所有的高能加速器的設計,必須考慮“相對論效應”,否則,就不可能被加速。


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