狹義相對論，顛覆時空觀念

麗薩·蘭道爾

物理定律最公平的一點是，它對任何人都一樣，不會有人因為在不同的環境中體驗到不同的物理定律而質疑物理定律的有效性和實用性。如果一個普適的物理定律需要依賴某個特定的條件，倒是非常奇怪的。你要測量的特定量也許會受限于你的參照系，但制約這些量的定律是不會改變的。愛因斯坦對狹義相對論的闡釋便證實了這一點。

愛因斯坦對引力的研究被稱作“相對的理論”其實有點兒諷刺意味。狹義相對論和廣義相對論產生的出發點是，物理定律對所有人都是適用的，無論這個人處于何種參照系。一個記者曾建議他重新考慮它的名稱，愛因斯坦給這個記者的回信說，他承認“相對論”這個詞的確很不幸，但那時這個名稱早已深入他的大腦而不愿更改了。事實上，愛因斯坦更喜歡“不變性理論”這一術語。

愛因斯坦最早關于參照系和相對性的見解來自他對電磁場的思考。電磁場理論19世紀就已被人們熟悉，其基礎是麥克斯韋定律，它描述了電磁場的活動和電磁波，定律給出了正確結果。最初，所有人都以“以太”的運動來錯誤地解釋預言。以太是一種假想的不可見物質，電磁波被當作是它的振動。愛因斯坦意識到，如果有一個以太，也就應有一個更有利的觀察角度或參照系，以太在這個參照系中是靜止的。他的理由是，同樣的物理定律對勻速運動的人都應是適用的，勻

速可以是相對于彼此的運動，也可以是相對于靜止的人，即在一個物理學稱為慣性系的參照系里。因為要求所有物理定律（包括電磁場定律）對所有慣性參照系內的觀察者都成立，愛因斯坦放棄了以太的觀點，最終創立了狹義相對論。

愛因斯坦的狹義相對論徹底改變了傳統空間和時間的觀念，是一次巨大的理論飛躍。物理學家、科學史學家彼特·加里森提到，將愛因斯坦推上正確軌道的，除了以太理論，還有愛因斯坦當時的工作。加里森的理由是，生長于德國、在瑞士伯爾尼一家專利局工作的愛因斯坦對時間和時間協調一定有很強的體驗。所有去過歐洲旅行的人都知道，那些國家，如瑞士和德國，都非常看重精準，這讓在那里旅行的乘客有著非常愉快的體驗，他們完全可以相信火車會按時到達。在1902年至1905年間，愛因斯坦在這家專利局工作，那時乘火車旅行已變得越來越頻繁，而協調時間則成了尖端的新技術。20世紀早期，愛因斯坦很可能想到了現實世界的問題，例如該怎樣協調在這一車站與下一車站之間的時間。

當然，愛因斯坦沒必要為了解決現實的火車時間協調問題而發明相對論——對已經習慣了火車常常誤點的美國人來說，協調時間無論怎樣聽上去都還有點新奇。但由協調時間引出了有趣的問題：時間協調對相對行駛的火車來說，可不是一件直截了當的事。如果我要與一個人對表，而這人正在一列行駛的火車上，那我就需要考慮信號在我們之間傳遞所延誤的時間，因為光速是一定的，而與靜止坐在我身邊的一個人對表和與遠處的一個人對表又是不同的。

將愛因斯坦引向狹義相對論的一個關鍵發現是，必須重新建立時間概念。根據愛因斯坦的理論，時間和空間不應再被孤立地來看待，雖然它們不是一回事——時間和空間顯然是不同的，但你測量的量依賴于你的運動速度，狹義相對論就是這一見解的結果。雖然很離奇，但人們可以由兩個假設得出愛因斯坦狹義相對論的所有新奇結果。要陳述它們，我們需要懂得慣性系（參照系的一個特定類型）的含義。首先，我們選擇勻速（速度和方向） 運動的任一參照系，一個靜止的就很好。慣性參照系就是指相對于第一個參照系以固定速度移動的參照系，比如一個以恒定速度從旁邊跑過或駕車駛過的人。

愛因斯坦的假設是：物理定律在所有慣性系都是不變的;光速在所有慣性系都是不變的。

根據這兩個假設，牛頓定律是不完善的。一旦接受了愛因斯坦的假設，我們就別無選擇，只能以符合這些規則的、更新的物理定律來取代牛頓定律。隨后的狹義相對論定律推出了所有你可能聽說過的令人瞠目的結果，如時間膨脹、觀察者對同時性的依賴、移動物體的洛倫茲收縮。當用于以相對光速很慢的速度運行的物體時，新的定律看上去與舊的經典定律非常像，但當用于高速（以光速或接近光速）運行的物體時，牛頓定律和狹義相對論的解釋是有很明顯的差異的。例如，在牛頓力學中，速度只是簡單相加。一輛在高速路上向你迎面駛來的車，駛近你的速度就是你們兩車速度之和。同樣的道理，如果你在行駛的火車上，一個人從站臺上向你扔一個球，那個球的速度應該是球本身的速度加上火車的速度（我以前的一個學生，維泰克·斯奇巴可以證實這一點：有人向正在靠近的列車投了一個球，車上的維泰克恰巧被球打中，他差點沒被擊昏過去）。

根據牛頓物理理論，你在一列行駛的火車上看到的迎面射來的一束光的速度，應該是光速與火車行駛的速度之和。但根據愛因斯坦的第二條假設，光速是不變的。這就有問題了。如果光速總保持不變，那么，你在行駛的火車上時一束向你射來的光的速度，與你靜靜地站在地面上時向你射來的光的速度是一樣的。這與你的直覺相悖，但光速的確是不變的，而且，在狹義相對論里，速度不像在牛頓物理中那樣只是簡單地相加，相反，速度的相加需要遵循由愛因斯坦假設所得

出的相對論公式。

狹義相對論的許多含義并不符合我們習慣的時間和空間觀念。狹義相對論與以前牛頓力學對時間和空間的看法是不同的，正因如此，才產生了許多有悖于習慣直覺的結果。時空的測量取決于速度，而且在相對于彼此運動的系統里融合在一起。但是，盡管它們讓人驚訝，可你一旦接受了這兩個假設，那么不同的時空觀念就是其必然結果。

我們來看為什么會這樣：假設有兩只相同的船有著相同的桅桿，一只船停泊在岸邊，另一只正在駛離。再假設兩只船的船長在第一只船啟航時已對好了表。

現在假設兩位船長要做一件非常奇怪的事：兩人同時決定在他們各自的船上測量時間。他們在船的桅桿頂部和底部各放置一面鏡子，然后將光由底部的鏡子照向頂部的鏡子，以此測量光在兩面鏡子之間往返的次數。當然，從現實角度來講，這確實有點荒謬，因為光往返的頻率實在太快了，根本無法計量。但是，請耐住性子，就讓我們假設兩位船長計數非常之快，我要用這個有點缺乏真實性的例子來說明時間在行駛的船上被拉長了。

如果兩位船長都知道光往返一次要花多少時間，那么，用光往返一次的時間乘以光在兩面鏡子之間往返的次數，就能算出時間的長度。但是，現在假設停泊船只的船長不用他自己靜止的鏡子鐘，而是以行駛船只上光在桅桿兩端鏡子之間往返的次數來測量時間，一切就不同了。

從行駛船只的船長的角度來看，光只是上下穿梭;而從停泊的船只船長的角度來看，光就必須旅行得更遠一些（才能走完行駛船只走過的距離，見下圖）。但光速是不變的——這正是有悖于直覺習慣的地方，無論是射向停泊船只的桅桿頂部，還是射向行駛船只的桅桿頂部，光速都是一樣的。那么，行駛的鏡子鐘則必須“嘀嗒”得慢一些，以此來彌補行駛船只上光旅行的更長的距離。

這個與直覺相悖的結論（行駛船只與靜止船只上的鐘必須以不同的速率“嘀嗒”）遵循的事實是：在一個移動參照系里的光速和靜止參照系里的光速是相同的。盡管以這種方法測量時間很可笑，但無論以何種方式測量，同樣的結論——移動的鐘表走得要慢一些——都會成立。如果船長戴著表，他們會觀察到同樣的事實。

光束在靜止船只上和行駛船只上從桅桿頂部反射下來的路徑，在靜止的觀察者（在岸邊停泊的船上或是在燈塔里）看來，行駛船只上光束走過的路徑會更長。

盡管上面的例子是想象的，但其描述的現象真正產生了可測量的結果。例如，狹義相對論使快速運動的物體經歷了不同的時間，這種現象叫作時間膨脹。

物理學家在研究對撞機或大氣產生的基本粒子時，測量了時間膨脹。這些粒子是以相對論速度，接近光速穿行的。例如，被稱作μ子的基本粒子與電子有相同的電荷，但它更重，而且會衰變（即它會轉變為其他更輕的粒子）。μ子的壽命，即在其衰變之前的時間，只有2微秒。如果一個運動的μ子與一個靜止的μ子有著同樣長的壽命，那么在它消失之前，它就只能穿行600米，但μ子成功穿過了大氣，在對撞機里直達大型探測儀的邊緣。因為它接近光速的高速運動，使其壽命在我們看來要長許多。在大氣中，μ子穿行的距離至少是在基于牛頓原理的宇宙里穿行距

離的10倍。我們能看到μ子，這一事實本身就證實了時間膨脹（及狹義相對論）產生了真切的物理效應。

狹義相對論之所以重要，既因為它與經典物理理論有著巨大差異，也因為它是廣義相對論和量子場論發展的基礎，而這兩者在最近的研究進展中都發揮了重要作用。