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1905年是大清光緒三十一年，可是直至今天，狹義相對(duì)論仍然是個(gè)激動(dòng)人心的理論……而我有時(shí)候感覺仍然生活在清朝。

現(xiàn)在有些知識(shí)分子還在反對(duì)相對(duì)論。我曾經(jīng)看到一篇來自燕山大學(xué)的、2007年發(fā)表的正規(guī)論文，叫《狹義相對(duì)論的本質(zhì)及對(duì)科學(xué)哲學(xué)和社會(huì)的影響》，列舉了各種反對(duì)相對(duì)論的觀點(diǎn)，引用了50多篇參考文獻(xiàn)，說狹義相對(duì)論是“科學(xué)體系中的一顆毒瘤”。

這些反對(duì)者連基本概念都沒搞明白，但是他們?nèi)匀荒苷业桨l(fā)論文的地方。所以我有一點(diǎn)感慨。任何一個(gè)理論，你要想找都能找出它在歷史上的爭(zhēng)議，包括各路權(quán)威的反對(duì)意見。如果你沒有區(qū)分對(duì)錯(cuò)的能力，你只能說這個(gè)學(xué)問“非常復(fù)雜”，越琢磨越糊涂。而如果你想專門去黑或者去捧一個(gè)學(xué)說，你完全可以得出自己想要的任何結(jié)論。

面對(duì)這樣的事兒，你很可能會(huì)陷入虛無主義……難道這個(gè)世界就沒有對(duì)錯(cuò)了嗎？

當(dāng)然不是！科學(xué)之所以是科學(xué)，就是它有辦法判斷對(duì)錯(cuò)?？茖W(xué)方法首先就是一套判斷對(duì)錯(cuò)的方法。

相對(duì)論是一個(gè)非?！皩?duì)”的理論。當(dāng)然我并不是說將來絕不會(huì)有更好的理論能取代它，但是在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍之內(nèi)，這是一個(gè)特別好特別對(duì)的理論。

幸好科學(xué)結(jié)論不是投票選出來的。我們最終靠的是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?？茖W(xué)家早就對(duì)相對(duì)論做了大量的驗(yàn)證，咱們今天先說幾個(gè)。

我們上一講說到，相對(duì)論效應(yīng)會(huì)讓一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體的時(shí)間變慢。這個(gè)效應(yīng)叫 “時(shí)間膨脹”，它可以用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

我們?cè)O(shè)想有一個(gè)距離地球80光年遠(yuǎn)的星球。光走到那里都需要80年的時(shí)間，而如果我們有一個(gè)速度達(dá)到 0.8c 的飛船，它飛到那里就需要100年。但是，這只是在地球這個(gè)坐標(biāo)系的計(jì)算。

對(duì)飛船上的宇航員來說，他們的時(shí)間會(huì)比我們慢。相對(duì)論預(yù)言，在飛船坐標(biāo)系中，完成這趟旅行只需要60年。

我們可以選拔一批20歲的宇航員去做這趟任務(wù)。如果相對(duì)論是錯(cuò)的，飛船沒有時(shí)間膨脹效應(yīng)，那么飛船就得飛100年才能到達(dá)目的地，那時(shí)候這些宇航員就應(yīng)該差不多都死了。

而如果你作為其中一名宇航員，到了目的地發(fā)現(xiàn)自己居然還活著，自我感覺也就80歲，你不就證明相對(duì)論是對(duì)的了嗎？

當(dāng)然，拿宇航員的一生去做這個(gè)實(shí)驗(yàn)不太妥當(dāng)……關(guān)鍵我們現(xiàn)在也沒有速度能達(dá)到 0.8c 的飛船。但是，這個(gè)實(shí)驗(yàn)其實(shí)是可以做的，而且好幾十年前就已經(jīng)做過了，而且結(jié)果完美符合相對(duì)論。

科學(xué)家做這個(gè)實(shí)驗(yàn)用的不是宇航員，而是一種叫做“μ子”的基本粒子。μ子的可以視為是電子的一個(gè)變種，關(guān)于它你只需要知道一點(diǎn)：它非常、非常短命。

一個(gè)μ子很容易、無緣無故地、就變成一個(gè)電子和兩個(gè)中微子 —— 物理學(xué)家管這個(gè)過程叫“衰變”?；玖Ｗ拥乃プ兪莻€(gè)很奇妙的事情。粒子不會(huì)變“老”，衰變總是突然發(fā)生的，而且是嚴(yán)格按照一定比例的隨機(jī)事件。μ子在靜止坐標(biāo)系下的半衰期只有2.2微秒 —— 1微秒是一百萬分之一秒，而這句話的意思是說，給你一堆μ子，它們每隔2.2微秒，就會(huì)死掉一半。

但是我們說了粒子不會(huì)變老，所以剩下的這一半μ子的半衰期，還是2.2微秒 —— 也就是說再過2.2微秒，它們還會(huì)再死一半。就按照這個(gè)固定的速率衰變。

地球天空中的高速宇宙射線中就有μ子，它們一邊沖向地面，一邊衰變 —— 你可以想象，能成功活著到達(dá)地面的μ子，應(yīng)該是很少的。

1941年，物理學(xué)家拿μ子驗(yàn)證了相對(duì)論 [1]。他們首先在美國(guó)華盛頓山的山頂上用儀器測(cè)量了μ子流的密度，他們專門統(tǒng)計(jì)那些速度是 0.994c 的μ子，看看在一定的面積內(nèi)，一小時(shí)能收集到多少個(gè)這個(gè)速度的μ子。

華盛頓山的高度大約是2公里。這些μ子從山頂?shù)竭_(dá)山底大約需要走6.7微秒。如果這些高速μ子的半衰期跟靜止μ子一樣，那么這6.7微秒可是好幾個(gè)半衰期，山底收集到的μ子數(shù)應(yīng)該是山頂?shù)?nbsp;8.5 分之一。

可是，如果相對(duì)論是對(duì)的，那么這些速度是 0.994c 的μ子的時(shí)間就應(yīng)該變慢，它們的半衰期就應(yīng)該變長(zhǎng)，那么你在山底就應(yīng)該收集到更多的μ子。這就相當(dāng)于飛船上的一群宇航員，走了很遠(yuǎn)的距離本來應(yīng)該幾乎全死了，結(jié)果卻沒有死多少。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果，山底收集到的μ子數(shù)是山頂?shù)?nbsp;1.3 分之一。這些μ子真的通過高速運(yùn)動(dòng)保持了青春 —— 這正是相對(duì)論預(yù)言的結(jié)果，數(shù)值絲毫不差。

1979年物理學(xué)家又做了一次實(shí)驗(yàn)，他們用歐洲核子中心的粒子加速器把μ子加速到了0.9994c，結(jié)果這些μ子的平均壽命就被延長(zhǎng)了29.3倍！

相對(duì)論不但正確，而且非常精確。

你可能有點(diǎn)羨慕那些μ子。這難道不就是一個(gè)讓人活得年輕的方法嗎？的確是，而且我們后面講廣義相對(duì)論的時(shí)候還會(huì)介紹另一個(gè)讓時(shí)間變慢的機(jī)制?？苹眯≌f經(jīng)常使用這種素材，比如電影《星際穿越》里，宇航員去黑洞附近執(zhí)行任務(wù)，回來的時(shí)候還挺年輕，可是自己的女兒卻已經(jīng)很老了。

正所謂“山中方七日，世上已千年”。我想提醒你的是這里說的時(shí)間變慢，只是不同坐標(biāo)系對(duì)比的結(jié)果。對(duì)于參加星際旅行的你來說，你實(shí)實(shí)在在活過的時(shí)間，還是正常的壽命。相對(duì)性原理要求你根本感覺不到自己多出來什么時(shí)間 —— 如果你在地面一輩子能讀一萬本書，在飛船上這一輩子也只能讀一萬本書。你在山中過的這七日，也是吃21頓飯。

但是你的確比地面上的人老得慢。說到這里有個(gè)著名的問題，叫 “雙生子佯謬” 。

比如說你有一個(gè)雙胞胎妹妹。在你們20歲這一年，你乘坐高速宇宙飛船前往遠(yuǎn)方執(zhí)行任務(wù)，你的妹妹留在地球上。在你妹妹看來，你這一走就是50年，你回來的時(shí)候她已經(jīng)70歲了?？墒且?yàn)橄鄬?duì)論效應(yīng)，你在飛船坐標(biāo)系下體會(huì)到的這段旅程只有30年，你回來時(shí)候才50歲。

走的時(shí)候兩人一樣大，回來的時(shí)候你妹妹比你老了20年。

這個(gè)事實(shí)是沒問題，但是人們會(huì)有一個(gè)疑問。

相對(duì)于你妹妹，你在飛船上是高速運(yùn)動(dòng)，所以會(huì)有時(shí)間變慢的效應(yīng)，所以你比你妹妹年輕?？墒欠催^來說，*相對(duì)于你*，你妹妹在地球上難道不也是在高速運(yùn)動(dòng)嗎？那為什么不是她比你年輕呢？

這個(gè)問題的答案是你和你妹妹所在的坐標(biāo)系并不是等價(jià)的。你妹妹一直待在地球上，可以近似為一個(gè)勻速直線運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系。而你，離開地球必須首先加速到接近光速，到達(dá)目的地之后要減速、調(diào)頭、再加速，然后回到地球還要再減速，你經(jīng)歷的并不是勻速直線運(yùn)動(dòng)。

考慮到這個(gè)，精確計(jì)算你在每個(gè)階段相對(duì)于你妹妹是什么樣的年齡就比較麻煩了 [2]，我們這里不講。不過我們本周五會(huì)有一期“番外篇”，專門做一點(diǎn)技術(shù)性的討論。

但是這個(gè)效應(yīng)是真實(shí)的，你真的比你妹妹年輕了20年。雙生子效應(yīng)已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

你不需要星際旅行。有一種精度非常非常高的原子鐘。你把兩個(gè)原子鐘先對(duì)好時(shí)間，然后一個(gè)放在地面不動(dòng)，帶上另一個(gè)坐民航的國(guó)際航班飛上一圈。你飛回來再把這兩個(gè)原子鐘放在一起，就發(fā)現(xiàn)它們的時(shí)間有一個(gè)極其微小的差異 —— 但是這個(gè)差異是實(shí)實(shí)在在的。參加了飛行的那個(gè)原子鐘，現(xiàn)在比留在地面的那個(gè)要年輕一點(diǎn)。

那如此說來，那些經(jīng)常在天上飛的飛行員和空姐，他們都比一般同齡人要年輕一點(diǎn)！當(dāng)然他們速度不夠高，一輩子也差不了一秒。

而如果你能把速度提高到無比地接近光速，那你的一天是地面上的人一年、甚至一千年，在理論上都是可能的。你就等于是穿越到了未來。

跟時(shí)間膨脹相對(duì)應(yīng)的一個(gè)效應(yīng)是“長(zhǎng)度收縮”。

我們還是說宇航員。同樣是一段距離，我們?cè)诘孛婵此麘?yīng)該飛25年才能到，在他自己看來，飛15年就到了。而且請(qǐng)注意，不管在我們看來還是在他看來，飛船相對(duì)于這段距離的飛行速度可是一樣的。

那么這就意味著，宇航員看到的這個(gè)距離，比我們看到的要短。

所以，長(zhǎng)度是個(gè)相對(duì)的概念。一個(gè)物體的長(zhǎng)度在相對(duì)于它靜止的坐標(biāo)系中是最大的，如果你跟它有一個(gè)相對(duì)的運(yùn)動(dòng)，你會(huì)覺得它比靜止的時(shí)候短一些。這就是長(zhǎng)度收縮。

我還記得小時(shí)候看過一個(gè)日本動(dòng)畫片，用極其夸張的手法描寫了這個(gè)現(xiàn)象。幾個(gè)孩子騎自行車，地面的人看他們感覺都變瘦了。

其實(shí)嚴(yán)格地說，有人計(jì)算得出，三維物體的長(zhǎng)度收縮效應(yīng)是你*觀察*到的，而不是你*看*到的。考慮到物體各個(gè)部分的光到達(dá)你眼睛的距離不一樣，你的眼睛實(shí)際看到的感覺只是這個(gè)物體旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度而已。你在視覺上不會(huì)覺得它變短了，但是考慮到光速，你做一番計(jì)算的話，會(huì)得出它變短的結(jié)論……這個(gè)咱們也不必細(xì)說。

時(shí)間膨脹和長(zhǎng)度收縮這兩個(gè)效應(yīng)告訴我們什么呢？空間的長(zhǎng)短也好，時(shí)間的快慢也好，都跟坐標(biāo)系有關(guān)。不同坐標(biāo)系中的觀測(cè)者看到的時(shí)間和空間是不一樣的。時(shí)空并不是一個(gè)客觀的、不變的、一視同仁的大舞臺(tái)，每個(gè)坐標(biāo)系有自己的時(shí)空數(shù)字。不同的坐標(biāo)系要想交流，得先做“坐標(biāo)變換”，把對(duì)方的時(shí)空數(shù)字轉(zhuǎn)換成自己的。

但是，在每個(gè)勻速直線運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系*內(nèi)部*，你所用的物理方程，都是一模一樣的。

如果永遠(yuǎn)不聯(lián)系，你在飛船的生活跟我在地面的生活就沒有任何區(qū)別?？墒且坏┮?lián)系，咱倆的數(shù)字就非常不一樣。而所有這些不一樣，又恰恰是因?yàn)楣馑僭谒凶鴺?biāo)系下都一樣。

相對(duì)論是如此地讓人不好接受，卻又是如此的簡(jiǎn)單。

相對(duì)性原理是一個(gè)信念，但物理學(xué)家從來都沒有把相對(duì)論當(dāng)做“信仰” —— 科學(xué)的精神是實(shí)驗(yàn)結(jié)果說了算。物理學(xué)家始終對(duì)相對(duì)論保持開放的態(tài)度。2011年的時(shí)候，物理學(xué)家曾經(jīng)一度以為中微子的速度能超過光速，但是后來發(fā)現(xiàn)那是一個(gè)烏龍，是實(shí)驗(yàn)設(shè)備有問題。

現(xiàn)在我們只能說愛因斯坦完全正確。不要輕易挑戰(zhàn)我佛愛因斯坦。