游戏、黄金、液态汞、彩电在现实生活中看到相对论

　　白二娃

　　大多数人会觉得爱因斯坦的相对论主要应用于高速状态、微观世界和宇观世界，但日常生活中我们仍然可以通过金色的黄金、液态汞、卫星导航、彩色电视机等事物看到相对论在我们身边的体现。而且你还可以通过游戏体验光速运动下的奇特视觉效果。

　　相对论说了什么

　　爱因斯坦的相对论，无疑是20 世纪最为杰出和具有划时代意义的科学理论之一。通过这一理论科学家成功研发出原子弹，预测了黑洞、引力波、引力透镜效应以及各种天体的运行规律等。这一理论以其深邃的洞察力和对自然界基本规律的重新诠释，彻底改变了人类对宇宙时空、能量和质量的认识。

　　它包括两部分：狭义相对论和广义相对论。狭义相对论（SpecialRelativity）：爱因斯坦于1905 年提出，主要解决了经典物理学中的一些悖论，特别是光速不变原理和时间、空间的相对性。狭义相对论的核心观点包括：光速在任何惯性参考系中都是恒定的，即c=299792.458 千米/ 秒。质量与能量等价，并推导出最著名的方程式——质能方程E = mc2。任何物体以接近光速的速度运动，狭义相对论效应就会变得很明显。

　　广义相对论（General Relativity）：于1915 年提出，它将局限于惯性参考系的狭义相对论推广到包括引力场在内的一般参考系，它将引力解释为时空的弯曲。其核心观点包括：物质和能量的分布决定了时空的几何结构。物体在时空中沿着所谓的测地线自然运动，而这种运动表现为我们观察到的引力效应。

　　让光速变慢的游戏

　　我们知道牛顿力学只适用于远低于光速和弱引力场的情况，当物体的运动速度接近光速时相对论效应就变得显著，牛顿力学不再适用。这时物体的质量会增加、时间会变慢、长度会缩短。

　　目前人类太空飞行器最快速度只有光速的0.0037%，物理学家通过思想实验确定，当人以接近光速运动时会发生很多神奇的事情。那么如何直观看到以接近光速移动时的神奇景色呢？除了坐上光速飞船外，还可以降低光速，两种情况都能让我们接近光速。

　　麻省理工的科学家们利用电脑游戏《较慢的光速（A SlowerSpeed of Light）》（http://gamelab.mit.edu/games/a-slowerspeed-of-light/）让人人都能体验这种场景。在这个游戏中他们将光速减慢，当光速足够慢以后，狭义相对论就变成肉眼可见了。在这个游戏中玩家可以收集100 个球体，每获得一个球体都会让光速降低1%。这时你看到的颜色、距离、亮度以及时间都会发生变化，研究者们严格计算了GRB 颜色、红外光、紫外光在不同光速条件下的变化（在高速情况下你能看到红外光和紫外光了），并将其融入游戏中。

　　颜色改变，光既是波又是粒子，考虑波的情况下可以把光波类比成声波。根据多普勒效应，接近或远离声源会改变声音的频率，同样向光源快速移动时，会让光波看起来更短，其表观颜色会向色谱的蓝色端移动（蓝移），远离光源时颜色会向红色端移动（红移）。红移在天文学中非常重要，它可以用来测量天体相对于我们的退行速度，进而推断宇宙的膨胀情况。外形扭曲，当以高速接近物体时，物体看起来会更长，这样物体的外形会被扭曲。

　　亮度变化，在雨中行走时身体前面会比背后更湿，光子在高速下也像雨滴一样，当你走向一个物体时它会更亮一些，这就是所谓探照灯效应。

　　时间膨胀，当人以接近光速移动，他的时间会变慢，相比慢速的人他衰老得更慢。虽然在游戏中感受不到时间的改变，但在游戏结束时，在总结界面中会告诉你比静止时钟慢了多少。

　　金色的黄金

　　黄金独特的金黄色可以用相对论来解释。金属的光泽来自原子中的电子与光子的相互作用，当光线照射到金属表面时，金属原子的外层电子可以吸收光能并跃迁，这些电子跃迁后很快会回到原来的轨道，并以金属光泽的形式释放出能量。

　　金是一种重元素，其内部轨道电子运动速度更接近光速，其动量更大，按相对论理论这些电子会以更短的路径绕原子核运动，这意味着黄金内部轨道电子与外部轨道电子能量接近。对波长较长的红光和黄光吸收较少反射较多，对波长较短的蓝紫光吸收较多反射较少。因此当白光照射在黄金上，反射出来的光中蓝紫色更少，黄、橙、红色更多，最终混合出黄金独特的光芒。和活泼的锂一样，金的最外层电子数也是1。但由于相对论效应这个电子以更接近光速运动，显得更“重”，不容易与其他物质发生反应，因此黄金非常稳定。

　　同样的，汞也是一种重金属，这导致它的电子也靠近汞的原子核，这间接导致汞原子之间的键（范德华力）很弱，让汞不能在室温下形成稳定固体结构。

　　旧电视机

　　在液晶显示技术普及之前，大多数电视和计算机显示器使用的是阴极射线管（CRT）屏幕。阴极射线管屏幕通过电子枪发射电子束，偏转线圈改变电子束方向，扫描涂满荧光粉涂层的荧光屏来产生图像，由于荧光粉被激发点亮后很快就会熄灭，所以偏转线圈需要不断改变磁场让电子束循环扫描。

　　为了让电子能够有足够的能量激发荧光，它们会被加速到光速的20%~30%，这时相对论效应已经很明显了，从电子的视角来看电视机内部的空间已经缩小，相对论效应导致的失焦的距离达几个毫米。如果设计偏转线圈磁场时不考虑相对论效应，就会让电子束没法聚焦到屏幕上。

　　让粒子延长寿命

　　类似的情况还发生在粒子加速器中，由于粒子加速器的能量非常高，它能将粒子加速到接近光速的99.9991%（大型强子对撞机LHC），这不单改变了粒子的空间感，还改变了它的时间。这种接近光速产生的时间膨胀效应非常明显，能让粒子的寿命延长2 万多倍！这种效应对于那些半衰期非常短的粒子极其重要，让它们可以在到达探测器前不会衰变，从而完成加速和对撞。

　　卫星定位系统

　　卫星定位是依靠卫星上的原子钟提供的精确时间来实现的，导航定位的精度取决于时钟的准确度。全球定位卫星系统的卫星通常以3.9 千米/ 秒的速度在2 万千米的太空中绕地球运行，它的飞行速度大约只有光速的0.0013%。尽管卫星飞行的速度远低于光速，但相对论带来的时间膨胀效应仍然让卫星上的时间每天都会比地球慢7 微秒。

　　另一方面，根据广义相对论看来引力对卫星时间的影响更大。卫星在距地面2 万千米的太空，这让卫星的原子钟比地面的原子钟的重力位更高，导致每天卫星上的原子钟会快45 微秒。

　　综合考虑两者的影响，卫星上的原子钟每天要比地面时间快38微秒。而原子钟本身的精度在纳秒级，这种微秒级的误差如果不矫正，会导致每天积累10 千米的定位误差。

　　此外，卫星的运行轨道并非完美的圆形而是椭圆，有的时候离地心近，有的时候离地心远，考虑到重力位的波动，卫星上的原子钟必须根据相对论计算出实时的修正量。一般说来，GPS 接收器准确度在30 米之内就意味着它已经利用了相对论效应。