狹義相對(duì)論

1915年毫無(wú)疑問(wèn)是愛(ài)因斯坦的豐收年。隨著六篇相對(duì)較短的論文(與今天的物理學(xué)家們經(jīng)常發(fā)表的冗長(zhǎng)卷冊(cè)相比)的發(fā)表5,他開(kāi)辟了物理學(xué)的兩個(gè)新分支——量子力學(xué)和相對(duì)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(duì)微觀(guān)世界的理解;統(tǒng)計(jì)力學(xué)對(duì)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(shuō);愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論則徹底改變了時(shí)間在原有理論中的角色。

我們?cè)?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(ài)因斯坦卻大聲地告訴我們不是這樣的:時(shí)間的測(cè)量依賴(lài)于究竟是誰(shuí)拿著時(shí)鐘。

根據(jù)狹義相對(duì)論,當(dāng)我們?cè)陟o止?fàn)顟B(tài)下觀(guān)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(cè)量的壽命長(zhǎng)得多。這聽(tīng)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(guò)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(kāi)始。(質(zhì)量較大的粒子通常是不穩(wěn)定的,在經(jīng)過(guò)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(méi)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?cè)趯?shí)驗(yàn)室中制造出一束(幾乎靜止的)　介子,并測(cè)量它們?cè)谒プ兦暗拇婊顣r(shí)間,不出意外的話(huà)將得到大約2微秒的平均壽命。接下來(lái),我們?cè)儆孟嗤姆绞綔y(cè)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(guò)(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(zhǎng)20倍。

但這一切全是相對(duì)的——這正是“相對(duì)論”三個(gè)字的來(lái)源。時(shí)間對(duì)每個(gè)人都是不同的,兩個(gè)以高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)的表也是不一致的。因此,對(duì)以接近光速奔跑的　介子來(lái)說(shuō),它們本身并不認(rèn)為自己比待在家里的兄弟們更長(zhǎng)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(huà)(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(duì)超出了我們現(xiàn)有的技術(shù)),測(cè)量所得的衰變壽命也將是2.197微秒。