同时性和时间膨胀_宇宙时间奥秘
从“常识”的观点,狭义相对论最显著的特点来自于时间的相对论化。同时的概念——事件在同一个时刻发生——决定于观测者的相对速度,而不是像牛顿认为的那样,是一种绝对的概念。如我们前面说过的,即使是在光速有限的牛顿世界里,也不可能看到世界在正好“现在”的样子,因为光线不是瞬时间到达我们的眼睛中,而是以光速传过来的。当你看表的时候,你看到的是有一点点“过时”了的时间,因为光线从表盘到达你眼睛中的视网膜,以及光信号被神经脉冲传送到大脑,都需要一定的时间。依照牛顿物理学,只要把时间作适当的改正,仍然能够重新建立起绝对时间,用以记录事件的发生,而且所有的观测者都可以
接受这个绝对时间。但是爱因斯坦的相对论却不允许这样做。
为了说明“现在”所遇到的困难——也就是同时性是相对的——让我们再回到相对论快车。在车厢里面看来,从车厢正中的一盏灯发出的闪光,是同时到达车厢两头的旅客的。但是,站台上的观测者看到的是,闪光先照到车厢尾端的旅客,而后照到前端的旅客,因为火车的运动使车厢尾端迎着光线走(因而使光跑的距离短),而车厢前端顺着光线走(所以光线要多跑一段路才能追上它)。从站台上看,两束光到达车厢两端明显地不是同时的。如果车厢两端的旅客都有钟,则他们所分别记下的、光线到达车厢两端的时刻完全相同。但是,这样记下的时间,和用站台上的钟记下的时间相比,是有差别的。
同样令人惊奇的,是狭义相对论中所谓的时间膨胀现象。运动的钟要比静止的钟走得慢。假定火车里面的旅客和站台上的观测者用的是一模一样的钟。当火车停在站台上的时候,车上和车下都把钟对好,使大家的秒针每秒钟同时“滴答”一下。(这就叫做“固有时间”,它表示用相对观测者静止的钟记录的时间,或者用另一个等效的说法,钟在自己的静止系中所记录的时间。)当火车运动后,在站台上的观测者看来,火车上的钟每两次“滴答”的时间间隔要比一秒钟长,变长的程度决定于火车的速度(再次由洛伦兹因子给出)。当火车的速度趋近于光速时,车上的钟两次“滴答”的时间间隔就增加到无限长。像长度收缩一样,这也纯粹是一个相对论性效应。在车厢里的旅客看来,站台上的钟也按同样的程度变慢了。
时间的膨胀已经在实验上验证了许多次。有一种基本粒子叫做缪介子,它生成于地球大气 10 公里的高处,是由于极高速的宇宙线粒子的碰撞所产生的。缪介子的放射性衰变进行得很快(在它们自己的静止系中),如果不是由于它们的衰变时间在我们的参考系中膨胀了,它们的大多数决不会到达地面。因为用它们的静止系的钟测到的寿命计算,缪介子在衰变前只能走 600 米远。而用我们实验室的钟来计算,它们的寿命要长到九倍。物理学家们利用粒子加速器进行的许多类似的实验,同样证实了,缪介子的寿命可以由于加速到很高速度而大大延长。
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