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相对论到底是什么理论?实际应用是什么?

相对论(英语:英语:Theory ofrelativity)主要由爱因斯坦创立的关于时空和引力的理论,根据其研究对象的不同,可分为狭义相对论和广义相对论。相对论和量子力学的提出给物理学带来了革命性的变化,为现代物理学奠定了基础。相对论极大地改变了人类对宇宙和自然的“常识”概念,并提出了“同时的相对性”、“四维时空”、全新概念,如“弯曲时空”。然而,近年来,人们对物理理论的分类有了新的认识——将经典和非经典物理学分为“非经典=量子”,即“非经典=量子”。从这个意义上说,相对论仍然是一个经典的理论。

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狭义和广义相对论的区别

传统上,在爱因斯坦提出相对论的早期阶段,人们将讨论的问题是否涉及非惯性参考系作为狭义和广义相对论分类的象征。随着相对论理论的发展,这种分类方法越来越显示出它的缺点——参考系与观察者有关,将物理理论划分为这样一个相对的物理对象,被认为不能反映问题的本质。

一般认为,狭义和广义相对论的区别在于所讨论的问题是否涉及重力(弯曲时间和空间),即狭义相对论只涉及那些没有引力或引力可以忽略的问题,而广义相对论是讨论引力时的物理学。用相对论的语言来说,狭义相对论的背景时空是直的,即四维普通流型与闵氏度规相匹配,其曲率张量为零,又称闵氏时空;广义相对论的背景时空是弯曲的,其曲率张量不为零。

应用相对论

相对论主要用于两个方面:一是高速运动(与光速相比的高速),二是强引力场。

在医院的放射治疗部门,大多数人都有一个粒子加速器,产生高能粒子来产生同位素,用于治疗或造影。氟脱氧葡萄糖的合成就是一个经典的例子。因为粒子的运动速度相当接近光速(0.9c-0.999c),因此粒子加速器的设计和使用必须考虑相对论效应。

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全球卫星定位系统卫星上的原子钟对准确定位非常重要。由于高速运动,这些时钟同时受到狭义相对论的影响(-7.2μs/日)和广义相对论导致时间变快,因为相对(地面物体)承受着较弱的重力场(+45.9)。μs/日)影响。相对论的净效应是那些时钟比地面的时钟运行得更快。因此,这些卫星软件需要计算和抵消所有相对论效应,以确保准确的定位。

全球卫星定位系统的算法本身是基于光速不变的原理。如果不建立光速不变的原理,则需要将全球卫星定位系统替换为不同的算法来准确定位。

铂等过渡金属的内层电子运行速度极快,相对论效应不容忽视。在设计或研究新型催化剂时,需要考虑相对论对电子轨态能级的影响。同样,相对论也可以解释铅的6s惰性电子对效应。这种效果可以解释为什么一些化学电池具有较高的能量密度,为设计较轻的电池提供理论依据。相对论也可以解释为什么水银在室温下是液体,而其它金属则不是。

由广义相对论推导出的重力透镜效应使天文学家能够观察黑洞和不发射电磁波的暗物质,并评估太空中质量的分布。

值得一提的是,原子弹的出现与著名的质能关系(E=mc2)关系不大,爱因斯坦本人也肯定了这一点。质能关系只是解释原子弹力量的数学工具,对实施原子弹意义不大。

相对论对物理发展的影响

量子力学的诞生直接间接地诞生于相对论,也为研究微观世界的高速运动建立了新的数学模型。


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