狭义相对论

1915年毫无疑问是爱因斯坦的丰收年。随着六篇相对较短的论文(与今天的物理学家们经常发表的冗长卷册相比)的发表5,他开辟了物理学的两个新分支——量子力学和相对论,并在第三个领域统计力学中,也作出了杰出的贡献。

在这些成果中,量子力学的提出颠覆了我们对微观世界的理解;统计力学对液体中不规则运动(布朗运动)的解释,有助于证实物质的原子学说;爱因斯坦的狭义相对论则彻底改变了时间在原有理论中的角色。

我们曾经认为时间就像一个只有单一节奏的节拍器,单调地以均匀不变的间隔滴答作响,而世界则在这些严密节奏的伴奏下分毫不差地前行。但是,爱因斯坦却大声地告诉我们不是这样的:时间的测量依赖于究竟是谁拿着时钟。

根据狭义相对论,当我们在静止状态下观察一个以接近光速运动的人或粒子时,会发现它们的寿命要比它们自己测量的寿命长得多。这听上去也许像天方夜谭,但我们确确实实在粒子衰变的过程中看到了这个效应。让我们从一个已知寿命的粒子开始。(质量较大的粒子通常是不稳定的,在经过一段时间后,它们会衰变为质量更轻的粒子。而电子——由于没有比它更轻的粒子可以衰变——则是稳定的。)例如,　介子的平均寿命约为2.197微秒,随后就会自发地衰变为一个电子和两个中微子。如果我们在实验室中制造出一束(几乎静止的)　介子,并测量它们在衰变前的存活时间,不出意外的话将得到大约2微秒的平均寿命。接下来,我们再用相同的方式测量另一束　介子的寿命,但是这一次它们正以极高的速度从我们身边呼啸而过(例如,0.998 75倍光速)。根据我们的计时,这些　介子的平均寿命将约为44微秒,比那些不移动的　介子的寿命长20倍。

但这一切全是相对的——这正是“相对论”三个字的来源。时间对每个人都是不同的,两个以高速相对运动的表也是不一致的。因此,对以接近光速奔跑的　介子来说,它们本身并不认为自己比待在家里的兄弟们更长寿。事实上,如果我们能和计时器一起以相同的速度和　介子疯狂向前的话(当然这是不可能的,加速一个单一粒子达到如此高的速度需要很多能量;加速一个人,或者一个可以载人的宇宙飞船,绝对超出了我们现有的技术),测量所得的衰变寿命也将是2.197微秒。