麗薩·蘭道爾

物理定律最公平的一點(diǎn)是，它對任何人都一樣，不會有人因?yàn)樵诓煌沫h(huán)境中體驗(yàn)到不同的物理定律而質(zhì)疑物理定律的有效性和實(shí)用性。如果一個(gè)普適的物理定律需要依賴某個(gè)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(shí)了這一點(diǎn)。

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

愛因斯坦最早關(guān)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(jì)就已被人們熟悉，其基礎(chǔ)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(jié)果。最初，所有人都以“以太”的運(yùn)動來錯(cuò)誤地解釋預(yù)言。以太是一種假想的不可見物質(zhì)，電磁波被當(dāng)作是它的振動。愛因斯坦意識到，如果有一個(gè)以太，也就應(yīng)有一個(gè)更有利的觀察角度或參照系，以太在這個(gè)參照系中是靜止的。他的理由是，同樣的物理定律對勻速運(yùn)動的人都應(yīng)是適用的，勻

速可以是相對于彼此的運(yùn)動，也可以是相對于靜止的人，即在一個(gè)物理學(xué)稱為慣性系的參照系里。因?yàn)橐笏形锢矶桑ò姶艌龆桑λ袘T性參照系內(nèi)的觀察者都成立，愛因斯坦放棄了以太的觀點(diǎn)，最終創(chuàng)立了狹義相對論。

愛因斯坦的狹義相對論徹底改變了傳統(tǒng)空間和時(shí)間的觀念，是一次巨大的理論飛躍。物理學(xué)家、科學(xué)史學(xué)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(dāng)時(shí)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(shí)間和時(shí)間協(xié)調(diào)一定有很強(qiáng)的體驗(yàn)。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?？粗鼐珳?zhǔn)，這讓在那里旅行的乘客有著非常愉快的體驗(yàn)，他們完全可以相信火車會按時(shí)到達(dá)。在1902年至1905年間，愛因斯坦在這家專利局工作，那時(shí)乘火車旅行已變得越來越頻繁，而協(xié)調(diào)時(shí)間則成了尖端的新技術(shù)。20世紀(jì)早期，愛因斯坦很可能想到了現(xiàn)實(shí)世界的問題，例如該怎樣協(xié)調(diào)在這一車站與下一車站之間的時(shí)間。

當(dāng)然，愛因斯坦沒必要為了解決現(xiàn)實(shí)的火車時(shí)間協(xié)調(diào)問題而發(fā)明相對論——對已經(jīng)習(xí)慣了火車常常誤點(diǎn)的美國人來說，協(xié)調(diào)時(shí)間無論怎樣聽上去都還有點(diǎn)新奇。但由協(xié)調(diào)時(shí)間引出了有趣的問題：時(shí)間協(xié)調(diào)對相對行駛的火車來說，可不是一件直截了當(dāng)?shù)氖?。如果我要與一個(gè)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(shí)間，因?yàn)楣馑偈且欢ǖ?，而與靜止坐在我身邊的一個(gè)人對表和與遠(yuǎn)處的一個(gè)人對表又是不同的。

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

愛因斯坦的假設(shè)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(jù)這兩個(gè)假設(shè)，牛頓定律是不完善的。一旦接受了愛因斯坦的假設(shè)，我們就別無選擇，只能以符合這些規(guī)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(jié)果，如時(shí)間膨脹、觀察者對同時(shí)性的依賴、移動物體的洛倫茲收縮。當(dāng)用于以相對光速很慢的速度運(yùn)行的物體時(shí)，新的定律看上去與舊的經(jīng)典定律非常像，但當(dāng)用于高速（以光速或接近光速）運(yùn)行的物體時(shí)，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(xué)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(gè)人從站臺上向你扔一個(gè)球，那個(gè)球的速度應(yīng)該是球本身的速度加上火車的速度（我以前的一個(gè)學(xué)生，維泰克·斯奇巴可以證實(shí)這一點(diǎn)：有人向正在靠近的列車投了一個(gè)球，車上的維泰克恰巧被球打中，他差點(diǎn)沒被擊昏過去）。

根據(jù)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(yīng)該是光速與火車行駛的速度之和。但根據(jù)愛因斯坦的第二條假設(shè)，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(shí)一束向你射來的光的速度，與你靜靜地站在地面上時(shí)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(shè)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(xí)慣的時(shí)間和空間觀念。狹義相對論與以前牛頓力學(xué)對時(shí)間和空間的看法是不同的，正因如此，才產(chǎn)生了許多有悖于習(xí)慣直覺的結(jié)果。時(shí)空的測量取決于速度，而且在相對于彼此運(yùn)動的系統(tǒng)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(gè)假設(shè)，那么不同的時(shí)空觀念就是其必然結(jié)果。

我們來看為什么會這樣：假設(shè)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(shè)兩只船的船長在第一只船啟航時(shí)已對好了表。

現(xiàn)在假設(shè)兩位船長要做一件非常奇怪的事：兩人同時(shí)決定在他們各自的船上測量時(shí)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(shù)。當(dāng)然，從現(xiàn)實(shí)角度來講，這確實(shí)有點(diǎn)荒謬，因?yàn)楣馔档念l率實(shí)在太快了，根本無法計(jì)量。但是，請耐住性子，就讓我們假設(shè)兩位船長計(jì)數(shù)非常之快，我要用這個(gè)有點(diǎn)缺乏真實(shí)性的例子來說明時(shí)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(shí)間，那么，用光往返一次的時(shí)間乘以光在兩面鏡子之間往返的次數(shù)，就能算出時(shí)間的長度。但是，現(xiàn)在假設(shè)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(shù)來測量時(shí)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(yuǎn)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(xí)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(bǔ)行駛船只上光旅行的更長的距離。

這個(gè)與直覺相悖的結(jié)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(shí)是：在一個(gè)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(shí)間很可笑，但無論以何種方式測量，同樣的結(jié)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(shí)。

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(xiàn)象真正產(chǎn)生了可測量的結(jié)果。例如，狹義相對論使快速運(yùn)動的物體經(jīng)歷了不同的時(shí)間，這種現(xiàn)象叫作時(shí)間膨脹。

物理學(xué)家在研究對撞機(jī)或大氣產(chǎn)生的基本粒子時(shí)，測量了時(shí)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(zhuǎn)變?yōu)槠渌p的粒子）。μ子的壽命，即在其衰變之前的時(shí)間，只有2微秒。如果一個(gè)運(yùn)動的μ子與一個(gè)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(jī)里直達(dá)大型探測儀的邊緣。因?yàn)樗咏馑俚母咚龠\(yùn)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(shí)本身就證實(shí)了時(shí)間膨脹（及狹義相對論）產(chǎn)生了真切的物理效應(yīng)。

狹義相對論之所以重要，既因?yàn)樗c經(jīng)典物理理論有著巨大差異，也因?yàn)樗菑V義相對論和量子場論發(fā)展的基礎(chǔ)，而這兩者在最近的研究進(jìn)展中都發(fā)揮了重要作用。