托福听力物理话题之爱因斯坦相对论

　　在2023年3月4日的托福考试中出现了关于爱因斯坦相对论的物理类讲座文章，相关话题在过去的五年中出现频率相对比较高，例如2018年10月，2019年6月、11月，2020年1月、9月、11月，2021年10月、12月，2022年3月等。本期学科知识为同学们带来关于相对论的科普性背景知识，希望对同学们托福听力能力和分数提升有所帮助!

　　知识背景补充

　　相对论(英语：Theory of relativity)是关于时空和引力的理论，主要由爱因斯坦创立，依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，它们共同奠定了现代物理学的基础。相对论极大地改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“同时的相对性”、“四维时空”、“弯曲时空”等全新的概念。真题中常见的是狭义相对论的内容，所以我们重点了解一下狭义相对论的相关内容和要点。

　　相对论，本质上是关于时空的理论 — 时空跟我们寻常想象的完全不同。爱因斯坦在他1905年的论文《论动体的电动力学》中介绍了其狭义相对论。

　　狭义相对论建立在如下的两个基本公设上：

　　狭义相对性原理：一切的惯性参考系都是平权的，即物理规律的形式在任何的惯性参考系中是相同的。这意味着物理规律对于一位静止在实验室里的观察者和一个相对于实验室高速匀速运动着的电子是相同的。

　　光速不变原理：真空中的光速在任何参考系下是恒定不变的。

　　我们来通过一个思想实验看看真实时空的一个小秘密。左图中是个长条形的盒子。盒子的一端(A)有一个发射装置，它可以在垂直方向发射一个光脉冲，另外一端(B)是一面镜子。我们要研究的就是光从盒子的一端出来，到达镜子，然后再反射回来，这么一个过程。我们把光离开盒子的发射端这件事儿称为“事件1”，把光经过镜子反射之后又回到这个地方，称为“事件2”。我们假设盒子两个端点之间的距离是 L。那么事件1跟事件2这两件事之间，间隔了多长时间呢?如果你跟盒子是在同一个坐标系内 —— 也就是说，盒子相对于你是静止的 —— 那么答案是：光走的路线是两倍的 L，而光速是 c，所以时间是 Δt = 2 L/c.

　　但是，如果你跟盒子不在同一个坐标系内，答案就不是这样了。我们假设你站在地面不动，而盒子相对于你，以速度 v 在水平的方向上有一个运动，如下图 ——

　　盒子在动你不动，那么在你看来，从光离开发射装置(事件1)到光打到镜子上，这个路线就不是垂直的了，因为事件1之后盒子要走过一小段距离。现在光要走的路线是一个以 L 为直角边的一个直角三角形的斜边，我们用 D 表示。

　　所以在你看来，事件1和事件2的间隔时间应该是 Δt' = 2 D/c。斜边总是比直角边长，D > L，所以 Δt' > Δt。这也就是说，同样的两个事件之间的间隔，你跟着盒子在一起的时候感觉到的时间，会比你跟盒子之间有个相对速度的时候，要短一些!也就大家常说的“运动物体的时间会变慢!”这个效应叫 “时间膨胀”。

　　如果说你有一个双胞胎妹妹。在你们20岁这一年，你乘坐高速宇宙飞船前往远方执行任务，你的妹妹留在地球上。在你妹妹看来，你这一走就是50年，你回来的时候她已经70岁了。可是因为相对论效应，你在飞船坐标系下体会到的这段旅程只有30年，你回来时候才50岁。而如果你能把速度提高到无比地接近光速，那你的一天是地面上的人一年、甚至一千年，在理论上都是可能的。你就等于是穿越到了未来。

　　真题解析

　　真题中TPO51 L2 Heliocentric Theory这一篇也涉及到相对论方面的知识，参考解析如下：

　　MALE PROFESSOR: Well, then, let’s see. So, picture the following: you’re at the equator moving at sixteen-hundred kilometers per hour, OK? And you drop something, small and light, like a matchstick, for example. Where’s it gonna land?

　　教授说想象一下这个场景：你站在赤道上，以1600千米/小时的速度移动，然后你扔出了一根火柴。那么火柴会掉在哪里呢?

　　MALE STUDENT: That’s easy. It’ll be long gone. The matchstick is so light, it’ll fly right out of my hand and end up way behind me somewhere.

　　男学生：火柴太轻会飞出很远，会从我的手里飞走然后落在我后面的某个地方。

　　MALE PROFESSOR: Ahh…actually, that matchstick you dropped? It’ll land right at your feet.

　　教授：实际上，你丢下的那根火柴，它会刚好落在你的脚下。

　　MALE STUDENT: What?!

　　MALE PROFESSOR: Well, let’s think about it. You forgot to consider that the Earth’s rotating at sixteen-hundred kilometers per hour at the equator…and you, me, the air, and that matchstick, we’re all moving together at the same speed, even though it doesn’t seem or look or feel like we’re moving.

　　男学生不理解，教授解释到学生忘了考虑地球在赤道以每小时1600公里的速度自转。“你，我，还有空气，还有那根火柴，也会以相同的速度移动，即使确实看不出来也感觉不出来我们在移动。”

　　很多学生觉得这段内容理解困难，但是如果结合相对论来理解就容易多了。假设你在一艘豪华游轮上旅行，这艘游轮在海上开的速度很快，但是它非常平稳，没有任何颠簸。你可以做各种实验。比如说把球抛到空中，在静止的情况下，球会落回你的手中。可是封闭游轮里也是这样，球也会落回你的手里。事实上，告诉运动的地球就像这艘游轮，站在赤道上的学生丢火柴的动作和他在静止的课堂仍火柴效果一样，火柴都会落在学生的脚下。

　　话题词汇补充

　　Einstein 爱因斯坦

　　Theory of Relativity 相对论

　　special relativity 狭义相对论

　　general relativity 广义相对论

　　equator 赤道

　　rotate 自转

　　相关话题练习

　　及视频推荐：

　　TPO51 L2 Heliocentric Theory 日心说 7分钟内解释相对论

　　https://www.bilibili.com/video/BV1sL411b7z9/?spm_id_from=333.788.recommend_more_video.-1

　　爱因斯坦与霍金：掌握宇宙奥秘的人https://www.bilibili.com/bangumi/media/md28237286

　　总结

　　在托福听力考试中,物理知识在自然科学类讲座中常常遇见, 虽然此类话题看起来涉及内容比较专业，但是讲座中并不会深入讨论太多复杂的理论内容和知识点，大部分是在解释一些科普性的知识。新航道南京托福培训机构小编建议考生在练习之余，多多了解物理学科的背景常识，可以通过观看小视频、查看百科等方式攻克物理类讲座理解。