狹義相對論

1915年毫無疑問是愛因斯坦的豐收年。隨著六篇相對較短的論文(與今天的物理學(xué)家們經(jīng)常發(fā)表的冗長卷冊相比)的發(fā)表5,他開辟了物理學(xué)的兩個(gè)新分支——量子力學(xué)和相對論,并在第三個(gè)領(lǐng)域統(tǒng)計(jì)力學(xué)中,也作出了杰出的貢獻(xiàn)。

在這些成果中,量子力學(xué)的提出顛覆了我們對微觀世界的理解;統(tǒng)計(jì)力學(xué)對液體中不規(guī)則運(yùn)動(dòng)(布朗運(yùn)動(dòng))的解釋,有助于證實(shí)物質(zhì)的原子學(xué)說;愛因斯坦的狹義相對論則徹底改變了時(shí)間在原有理論中的角色。

我們曾經(jīng)認(rèn)為時(shí)間就像一個(gè)只有單一節(jié)奏的節(jié)拍器,單調(diào)地以均勻不變的間隔滴答作響,而世界則在這些嚴(yán)密節(jié)奏的伴奏下分毫不差地前行。但是,愛因斯坦卻大聲地告訴我們不是這樣的:時(shí)間的測量依賴于究竟是誰拿著時(shí)鐘。

根據(jù)狹義相對論,當(dāng)我們在靜止?fàn)顟B(tài)下觀察一個(gè)以接近光速運(yùn)動(dòng)的人或粒子時(shí),會(huì)發(fā)現(xiàn)它們的壽命要比它們自己測量的壽命長得多。這聽上去也許像天方夜譚,但我們確確實(shí)實(shí)在粒子衰變的過程中看到了這個(gè)效應(yīng)。讓我們從一個(gè)已知壽命的粒子開始。(質(zhì)量較大的粒子通常是不穩(wěn)定的,在經(jīng)過一段時(shí)間后,它們會(huì)衰變?yōu)橘|(zhì)量更輕的粒子。而電子——由于沒有比它更輕的粒子可以衰變——?jiǎng)t是穩(wěn)定的。)例如,　介子的平均壽命約為2.197微秒,隨后就會(huì)自發(fā)地衰變?yōu)橐粋€(gè)電子和兩個(gè)中微子。如果我們在實(shí)驗(yàn)室中制造出一束(幾乎靜止的)　介子,并測量它們在衰變前的存活時(shí)間,不出意外的話將得到大約2微秒的平均壽命。接下來,我們再用相同的方式測量另一束　介子的壽命,但是這一次它們正以極高的速度從我們身邊呼嘯而過(例如,0.998 75倍光速)。根據(jù)我們的計(jì)時(shí),這些　介子的平均壽命將約為44微秒,比那些不移動(dòng)的　介子的壽命長20倍。

但這一切全是相對的——這正是“相對論”三個(gè)字的來源。時(shí)間對每個(gè)人都是不同的,兩個(gè)以高速相對運(yùn)動(dòng)的表也是不一致的。因此,對以接近光速奔跑的　介子來說,它們本身并不認(rèn)為自己比待在家里的兄弟們更長壽。事實(shí)上,如果我們能和計(jì)時(shí)器一起以相同的速度和　介子瘋狂向前的話(當(dāng)然這是不可能的,加速一個(gè)單一粒子達(dá)到如此高的速度需要很多能量;加速一個(gè)人,或者一個(gè)可以載人的宇宙飛船,絕對超出了我們現(xiàn)有的技術(shù)),測量所得的衰變壽命也將是2.197微秒。