在这个人出生之前，没人知道住高层的人老得比住低层的人快

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在这个人出生之前，没人知道住高层的人老得比住低层的人快

Original Nsikan Akpan 把科学带回家 2018-11-24

本文由公众号 “把科学带回家” 提供

给孩子最好的科学教育

编译七君

对，机智如你可能猜到了，我们今天讲的是爱因斯坦，还有他的相对论。

1905年，爱因斯坦提出了相对论。相对论是20世纪最著名的科学理论之一，相对论可以解释物体的运动、黑洞的存在、光受到引力的牵引而弯曲，还可以解释水星在公转时奇特的行为。

但是许多人对相对论的一个刻板印象就是，相对论和天文学比较搭嘎，离生活太远了，是一个高高在上的理论。实际上，相对论在生活中有很多应用，日常生活中的许多现象都可以由相对论解释。

先来简单了解一下相对论。

狭义相对论

在爱因斯坦的狭义相对论中，宇宙中只有光速和物理定律不变，时间空间还有其他物体的速度都是可变的。

比如，根据狭义相对论，如果你退休了以后坐在马路牙子上看车来车往，看你的孙子蹦蹦跳跳，那么实际上这些运动的车子和小孩子在你的眼里都微微变扁了，而且他们都微微变重了。

如果车子的速度越开越快，孙子越跑越来劲，接近光速，那么他们会变得更扁，更重。当然了，从他们自己的角度看，他们的体型和体重并没有发生变化。

而从你的角度看，车子和孩子度过的时间比你过的时间要慢多了。这就是狭义相对论描述的奇异的世界。

广义相对论

300年前，牛顿发现轻的物体倾向于朝着重的物体运动，他发现了这个力量和两个物体的质量，还有间距有关。这就是牛顿的万有引力。

可是，牛顿只是观察并描述了万有引力使物体相互吸引的现象，但并没有解释万有引力为什么会让物体相互吸引。

爱因斯坦解释了这一点。

在广义相对论中，有质量的物体可以使时空扭曲。

这怎么理解呢？你可以想象一碗果冻里放进去了一个弹珠。弹珠会挤压果冻，让果冻变形。特别是，离弹珠近的果冻被挤压得更厉害。弹珠就像一个有质量的物体，果冻就像时空。如果你再放一粒小一点的弹珠到碗里，那么小弹珠就会沿着“扭曲的时空”滑向大的弹珠。

爱因斯坦说，引力的本质就是时空的扭曲。质量越大，对时空的扭曲越厉害。

这和我们的生活有什么关系呢？

地球这个大质量的物体可以扭曲附近的时空。因此，在地球表面的时钟就会走得比离地球远的时钟，比如你楼上的时钟，还有卫星上的时钟要慢。这个现象就叫做时间膨胀（time dilation）。

因此，根据广义相对论，引力的时空扭曲效应会影响你的相对寿命。这个影响有多大呢？2010年，美国国家标准技术研究所（National Institute of Standards and Technology）测量了海拔间距为0.3米的2个物体在79年后的时差，他们得出结论：79年后，两者将有90纳秒（1纳秒 = 1/1 000 000 000秒）的差异。

这是什么意思呢？意思就是，如果你家住高层，那么你老得就比住你家楼下的人快，住在高海拔地区的人，老得要比低海拔地区的人快，虽然这个差异很小很小。

好了别脸向下趴在地上了，这个姿势并不能使你变年轻。

对人来说，这样的差异或许可以忽略不计，但是对于许多仪器来说，这样的差异会导致非常严重的错误。

下面这些和我们的生活密切相关的仪器能正常工作，就是相对论正确性的活生生的案例。从另一个角度理解的话，如果没有相对论，这些日常用品或许就无法被发明出来了。

全球定位系统GPS

汽车和手机上的 GPS 是利用卫星来为地球上的设备定位的一种装置。GPS 需要地球上的时间和卫星上的时间校准，不然就没法准确工作了。一开始，设计 GPS 的人觉得相对论的效应不值一提，并不会影响你车里的 GPS 和卫星上的时钟的同时性。

可是，因为引力造成的时空扭曲效应（广义相对论），在高高的天上的卫星上的时钟每天会比地球表面的时钟快45微秒（1微秒 = 1/1 000 000秒）。

再加上 GPS 卫星相对地面有较大的速度（约1万多千米每小时），根据狭义相对论，从地球上看，GPS 上的时钟又会走得比地面上的时钟要慢一些。慢多少呢？GPS 卫星上的原子钟每天要比地球上的钟慢 7 微秒。

把广义相对论和狭义相对论得到的结果整合起来就可以发现，45微秒减去7 微秒等于38微秒，也就是说 GPS 的时钟每天要比地球上的时钟快38微秒。

想象一下，如果不校正这个差异，那么 GPS 会告诉你，你的学校每天都在远离你，每天离开你10千米。或许屏蔽了爱因斯坦的 GPS 就可以成为你不上学的理由？

雷达测速仪

可见光、紫外线、X光，都是电磁辐射，都是一种波。所有的波都有多普勒效应。