狭义相对论的时空观

伤我心太深

　　狭义相对论的时空观：物理定律最公平的一点是，它对任何人都一样，不会有人因为在不同的环境中体验到不同的物理定律而质疑物理定律的有效性和实用性。如果一个普适的物理定律需要依赖某个特定的条件，倒是非常奇怪的。你要测量的特定量也许会受限于你的参照系，但制约这些量的定律是不会改变的。爱因斯坦对狭义相对论的阐释便证实了这一点。


　　爱因斯坦对引力的研究被称作“相对的理论”其实有点儿讽刺意味。狭义相对论和广义相对论产生的出发点是，物理定律对所有人都是适用的，无论这个人处于何种参照系。一个记者曾建议他重新考虑它的名称，爱因斯坦给这个记者的回信说，他承认“相对论”这个词的确很不幸，但那时这个名称早已深入他的大脑而不愿更改了。事实上，爱因斯坦更喜欢“不变性理论”这一术语。



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　　爱因斯坦最早关于参照系和相对性的见解来自他对电磁场的思考。电磁场理论19世纪就已被人们熟悉，其基础是麦克斯韦定律，它描述了电磁场的活动和电磁波，定律给出了正确结果。最初，所有人都以“以太”的运动来错误地解释预言。以太是一种假想的不可见物质，电磁波被当作是它的振动。爱因斯坦意识到，如果有一个以太，也就应有一个更有利的观察角度或参照系，以太在这个参照系中是静止的。他的理由是，同样的物理定律对匀速运动的人都应是适用的，匀速可以是相对于彼此的運动，也可以是相对于静止的人，即在一个物理学称为惯性系的参照系里。因为要求所有物理定律(包括电磁场定律)对所有惯性参照系内的观察者都成立，爱因斯坦放弃了以太的观点，最终创立了狭义相对论。



　　爱因斯坦的狭义相对论彻底改变了传统空间和时间的观念，是一次巨大的理论飞跃。物理学家、科学史学家彼特·加里森提到，将爱因斯坦推上正确轨道的，除了以太理论，还有爱因斯坦当时的工作。加里森的理由是，生长于德国、在瑞士伯尔尼一家专利局工作的爱因斯坦对时间和时间协调一定有很强的体验。所有去过欧洲旅行的人都知道，那些国家，如瑞士和德国，都非常看重精准，这让在那里旅行的乘客有着非常愉快的体验，他们完全可以相信火车会按时到达。在1902年至1905年间，爱因斯坦在这家专利局工作，那时乘火车旅行已变得越来越频繁，而协调时间则成了尖端的新技术。20世纪早期，爱因斯坦很可能想到了现实世界的问题，例如该怎样协调在这一车站与下一车站之间的时间。


　　当然，爱因斯坦没必要为了解决现实的火车时间协调问题而发明相对论——对已经习惯了火车常常误点的美国人来说，协调时间无论怎样听上去都还有点新奇。但由协调时间引出了有趣的问题：时间协调对相对行驶的火车来说，可不是一件直截了当的事。如果我要与一个人对表，而这人正在一列行驶的火车上，那我就需要考虑信号在我们之间传递所延误的时间，因为光速是一定的，而与静止坐在我身边的一个人对表和与远处的一个人对表又是不同的。


　　将爱因斯坦引向狭义相对论的一个关键发现是，必须重新建立时间概念。根据爱因斯坦的理论，时间和空间不应再被孤立地来看待，虽然它们不是一回事——时间和空间显然是不同的，但你测量的量依赖于你的运动速度，狭义相对论就是这一见解的结果。虽然很离奇，但人们可以由两个假设得出爱因斯坦狭义相对论的所有新奇结果。要陈述它们，我们需要懂得惯性系(参照系的一个特定类型)的含义。首先，我们选择匀速(速度和方向) 运动的任一参照系，一个静止的就很好。惯性参照系就是指相对于第一个参照系以固定速度移动的参照系，比如一个以恒定速度从旁边跑过或驾车驶过的人。

　　爱因斯坦的假设是：物理定律在所有惯性系都是不变的;光速在所有惯性系都是不变的。


　　根据这两个假设，牛顿定律是不完善的。一旦接受了爱因斯坦的假设，我们就别无选择，只能以符合这些规则的、更新的物理定律来取代牛顿定律。随后的狭义相对论定律推出了所有你可能听说过的令人瞠目的结果，如时间膨胀、观察者对同时性的依赖、移动物体的洛伦兹收缩。当用于以相对光速很慢的速度运行的物体时，新的定律看上去与旧的经典定律非常像，但当用于高速(以光速或接近光速)运行的物体时，牛顿定律和狭义相对论的解释是有很明显的差异的。例如，在牛顿力学中，速度只是简单相加。一辆在高速路上向你迎面驶来的车，驶近你的速度就是你们两车速度之和。同样的道理，如果你在行驶的火车上，一个人从站台上向你扔一个球，那个球的速度应该是球本身的速度加上火车的速度(我以前的一个学生，维泰克·斯奇巴可以证实这一点：有人向正在靠近的列车投了一个球，车上的维泰克恰巧被球打中，他差点没被击昏过去)。


　　根据牛顿物理理论，你在一列行驶的火车上看到的迎面射来的一束光的速度，应该是光速与火车行驶的速度之和。但根据爱因斯坦的第二条假设，光速是不变的。这就有问题了。如果光速总保持不变，那么，你在行驶的火车上时一束向你射来的光的速度，与你静静地站在地面上时向你射来的光的速度是一样的。这与你的直觉相悖，但光速的确是不变的，而且，在狭义相对论里，速度不像在牛顿物理中那样只是简单地相加，相反，速度的相加需要遵循由爱因斯坦假设所得出的相对论公式。

　　狭义相对论的许多含义并不符合我们习惯的时间和空间观念。狭义相对论与以前牛顿力学对时间和空间的看法是不同的，正因如此，才产生了许多有悖于习惯直觉的结果。时空的测量取决于速度，而且在相对于彼此运动的系统里融合在一起。但是，尽管它们让人惊讶，可你一旦接受了这两个假设，那么不同的时空观念就是其必然结果。

　　我们来看为什么会这样：假设有两只相同的船有着相同的桅杆，一只船停泊在岸边，另一只正在驶离。再假设两只船的船长在第一只船启航时已对好了表。

　　现在假设两位船长要做一件非常奇怪的事：两人同时决定在他们各自的船上测量时间。他们在船的桅杆顶部和底部各放置一面镜子，然后将光由底部的镜子照向顶部的镜子，以此测量光在两面镜子之间往返的次数。当然，从现实角度来讲，这确实有点荒谬，因为光往返的频率实在太快了，根本无法计量。但是，请耐住性子，就让我们假设两位船长计数非常之快，我要用这个有点缺乏真实性的例子来说明时间在行驶的船上被拉长了。


　　如果两位船长都知道光往返一次要花多少时间，那么，用光往返一次的时间乘以光在两面镜子之间往返的次数，就能算出时间的长度。但是，现在假设停泊船只的船长不用他自己静止的镜子钟，而是以行驶船只上光在桅杆两端镜子之间往返的次数来测量时间，一切就不同了。

　　从行驶船只的船长的角度来看，光只是上下穿梭;而从停泊的船只船长的角度来看，光就必须旅行得更远一些(才能走完行駛船只走过的距离，见下图)。但光速是不变的——这正是有悖于直觉习惯的地方，无论是射向停泊船只的桅杆顶部，还是射向行驶船只的桅杆顶部，光速都是一样的。那么，行驶的镜子钟则必须“嘀嗒”得慢一些，以此来弥补行驶船只上光旅行的更长的距离。

　　这个与直觉相悖的结论(行驶船只与静止船只上的钟必须以不同的速率“嘀嗒”)遵循的事实是：在一个移动参照系里的光速和静止参照系里的光速是相同的。尽管以这种方法测量时间很可笑，但无论以何种方式测量，同样的结论——移动的钟表走得要慢一些——都会成立。如果船长戴着表，他们会观察到同样的事实。

　　光束在静止船只上和行驶船只上从桅杆顶部反射下来的路径，在静止的观察者(在岸边停泊的船上或是在灯塔里)看来，行驶船只上光束走过的路径会更长。
　　尽管上面的例子是想象的，但其描述的现象真正产生了可测量的结果。例如，狭义相对论使快速运动的物体经历了不同的时间，这种现象叫作时间膨胀。

　　物理学家在研究对撞机或大气产生的基本粒子时，测量了时间膨胀。这些粒子是以相对论速度，接近光速穿行的。例如，被称作μ子的基本粒子与电子有相同的电荷，但它更重，而且会衰变(即它会转变为其他更轻的粒子)。μ子的寿命，即在其衰变之前的时间，只有2微秒。如果一个运动的μ子与一个静止的μ子有着同样长的寿命，那么在它消失之前，它就只能穿行600米，但μ子成功穿过了大气，在对撞机里直达大型探测仪的边缘。因为它接近光速的高速运动，使其寿命在我们看来要长许多。在大气中，μ子穿行的距离至少是在基于牛顿原理的宇宙里穿行距
　　离的10倍。我们能看到μ子，这一事实本身就证实了时间膨胀(及狭义相对论)产生了真切的物理效应。


　　狭义相对论之所以重要，既因为它与经典物理理论有着巨大差异，也因为它是广义相对论和量子场论发展的基础，而这两者在最近的研究进展中都发挥了重要作用。