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图书名称:好书推荐--《给孩子讲相对论》 作者:李淼,王爽 版社:
 

【荐语】

原来,物理和数学可以这么好玩儿!

【音频简介】

大科学家讲给小朋友的前沿物理学,让孩子轻松读懂爱因斯坦的伟大理论。

【您将听到】

1.万有引力是怎样产生的?

2.“广义相对论狭义相对论究竟指的是啥?

3.古装片里的穿越,会发生在现实中吗?

【书籍信息】

书名:《给孩子讲相对论》

作者:[] 李淼,王爽

小朋友们,我们都知道,地球是一个悬浮在太空中的球体,在地球之外,是浩渺无垠的宇宙。

你一定会奇怪,既然我们生活在太空里,而地球又是圆的,那当它转到另一边的时候,我们会不会从地球上掉下去,一直掉到太空里呢?

这种担心不是多余的,如果没有引力的话,别说我们人类,地球上所有的生物,可能都会掉到太空里去。

那么,什么是引力呢?

这个问题,一直困扰着物理学家,有的小朋友知道牛顿引力,它说的是世界上任何两个物体之间,都存在一种能把彼此吸引到一起的力量,叫做万有引力。

正是万有引力,让所有生物包括我们人类,能够稳稳当当地生活在地球上,而不用担心一个不小心,就会飞到太空里去。

但是,“万有引力”是怎样产生的呢?

其实这个问题,连伟大的物理学家牛顿都回答不上来。不过,在1915年,36岁的爱因斯坦提出了广义相对论,这个理论,可能大多数人一听就头皮发紧,觉得高深莫测。

实际上,广义相对论,就是用来解释“万有引力”是怎样产生的理论。

现在,请小朋友们把时空想象成一张无比巨大,又无比平坦的床垫,在床垫的一角,我们轻轻地放上地球。因为地球的质量相对较小,床垫只会被压得有少许变形。

紧接着,我们再在地球旁边的床垫上,放上巨大无比的另一个铁球,这个铁球,就是太阳。

这时,你能明显看到,床垫,也就是我们的时空,会被压得深深地陷下去。

同时你还会观察到,因为床垫被深深地压弯了,旁边放着的地球,也会不自觉地向被太阳压弯的时空方向靠拢。也就是说,地球会不自觉地被太阳压弯的那部分床垫吸引过去。

换句话说,万有引力是怎么产生的呢?

其实,就是有质量的物体,把它周围的时空压弯了,而这个弯曲的时空,又对它周围运动着的物体产生了吸引力。这,就是万有引力产生的原因。

万有引力同时也会影响时间的快慢,因为万有引力使时空背景发生了弯曲,因此,空间引力越大的地方,时间流逝越慢,而空间引力越小的地方,时间流逝越快。

你看,广义相对论听起来很吓人,但这么讲起来,却是非常好玩又简单呢!

好了,现在我们知道广义相对论,实际上就是讲引力的理论,那么有小朋友一定会问了,既然有广义相对论,那肯定就有狭义相对论,狭义相对论又是讲什么的呢?

狭义相对论这个名词,听起来好像也非常不友好,但其实它也没有我们想的那么复杂。地球文明的发展,是在一定时空下进行的。狭义相对论,说的就是与时空有关的理论。

我们比较了解的,是三维空间,即日常生活中,可以画出经过同一个点并互相垂直的三条线,这三条线,分别代表了空间的“长”“宽”“高”。

这也是小朋友们非常熟悉的直角坐标系,用这个坐标系描绘的空间,就是三维空间。

但三维空间呢,并不能真正描述我们生活的真实世界,因为除了由“长”“宽”“高”组成的空间外,我们生活的真实世界里,还存在时间。

三维空间中的“长”“宽”“高”三条空间轴,是彼此垂直的,互相垂直,它们才能互不干涉。而时间也是这样,也可以被看作是一条与“长”“宽”“高”三条空间轴相互垂直的数轴。

小朋友们一定会觉得奇怪,时间的单位是“秒”,空间的单位是“米”,两个东西的衡量单位都不一样,怎么可以放在一起呢?

这个问题,说起来也非常简单,空间和时间,实际上只差一个速度单位,时间一旦乘以某个速度,就可以与空间拥有相同的单位。

换句话说,当我们用“光速”乘以“时间”后,就会得到一条与三维空间中“长”“宽”“高”三条数轴垂直的时间轴,于是,三维空间,就变成了四维空间。

而狭义相对论所研究的,正是让三维空间变成四维空间的、大名鼎鼎的“光速”。

爱因斯坦发现,在四维空间里,时间不再和空间毫无关系,通过“光速”,时间与空间紧紧地联系在一起,成了同一个事物两个不同的侧面,这个由时间空间组合成的事物,就是我们常说的“时空”。

因此,狭义相对论,打破了人类一直以来对时间与空间的认识,让我们拥有了全新的时空观。这是爱因斯坦最伟大的发现之一。

同时,爱因斯坦还证明了,在狭义相对论里,光速是不变的。如果一个运动中的物体的速度接近了光速,那么不仅它的空间,包括它的时间,都不再固定不变。

而在以光速运动的物体里,时间会变慢。或者简单地说,在运动中的物体上,时间会跑得慢一些。

这么好玩的相对论,在实际生活中有什么用处呢?

相对论,目前在我们人类生活中有很多重要的用处,常见的比如我们几乎每个人都离不开的卫星定位,包括GPS、北斗等在内的一系列卫星导航技术。

我们都知道,卫星离地球很远,地球对卫星的万有引力,相对要弱一些,因此,卫星上的时间会跑得快一些。

这是根据广义相对论得出的结果。因为根据广义相对论,万有引力也会影响时间的快慢。

怎么个影响法儿呢?

这是因为,当光通过这一弯曲的时空时,它的能量和频率会发生变化——离引力场越远,光的能量和频率都会下降。

而光是一种波,它的频率一旦下降,就意味着两个相邻的波峰距离变大,也意味着两个相邻波峰之间的时间间隔被拉长了。

因此,从卫星所在的位置来看地球,地球上每发生一件事,都需要花更长的时间;而从地球往上看卫星,卫星上的时间,又要更快一些。

但另一方面,根据狭义相对论,在运动的物体上,时间又会变得慢一些。因此,当地球上的我们根据卫星定位时,就必须对卫星围绕地球运转的速度进行考虑,并根据卫星距离地球的高度与卫星的运动速度,对时间进行精确调整。

当然,相对论的应用还远远不止这些。

根据相对论的理论,光速运动物体上的时间会变慢,空间也会发生改变。那么,一旦超光速出现,就会发生穿越,导致我们有回到过去的可能!

我们还可以根据广义相对论中关于引力波的理论,制造出高密度物质弦,发射出能量可观的引力波,使整个银河系中的任何文明,都能够被探测到。

不过,要真正做到这些,还有很多问题需要解决。所以小朋友们加油吧,看完这本书后,你就会明白,物理和数学非常好玩,也没有我们想象的那么复杂。

懂得并掌握相对论以及和它有关的数学、物理知识后,我们才能发现更大更精彩的世界!

 
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