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(與今天的物理學家們經常發(fā)表的冗長卷冊相比)的發(fā)表5,他開辟了物理學的兩個新分支——量子力學和相對論,并在第三個領域統(tǒng)計力學中,也作出了杰出的貢獻。

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

我們曾經認為時間就像一個只有單一節(jié)奏的節(jié)拍器,單調地以均勻不變的間隔滴答作響,而世界則在這些嚴密節(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:時間的測量依賴于究竟是誰拿著時鐘。

根據狹義相對論,當我們在靜止狀態(tài)下觀察一個以接近光速運動的人或粒子時,會發(fā)現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,但我們確確實實在粒子衰變的過程中看到了這個效應。讓我們從一個已知壽命的粒子開始。(質量較大的粒子通常是不穩(wěn)定的,在經過一段時間后,它們會衰變?yōu)橘|量更輕的粒子。而電子——由于沒有比它更輕的粒子可以衰變——則是穩(wěn)定的。)例如,　介子的平均壽命約為2.197微秒,隨后就會自發(fā)地衰變?yōu)橐粋€電子和兩個中微子。如果我們在實驗室中制造出一束(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)。根據我們的計時,這些　介子的平均壽命將約為44微秒,比那些不移動的　介子的壽命長20倍。

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