细说狭义相对论时间膨胀、尺缩和质增三大效应，触摸柔软的时空

柔软的时空：时空并非一个固定不变的舞台，它也参与者万物的运动

在物理学界中，对创造感到最令人愉悦的就是彻底挣脱已知事物和常识的枷锁。那些天才般的灵感迸发把我们带进了一个个未知领域。狭义相对论亦是如此，它打破固有时空观念，表明空间和时间并非是一个冷冰冰的舞台，它们也参与着世间万物的表演，这充分印证了一句话：你看的并非都是真实的。所以上帝擅长并喜欢蒙蔽我们的眼睛和直觉，怎么办？就交给爱因斯坦吧。那我们要怎样更好的理解相对的长度、时间和质增这三个模糊的概念呢？

首先了解“本征”和“相对”的概念

为了更好的说明狭义相对论效应，爱因斯坦特别引用了“本征(意为“自己的”)和“相对”这两个概念。如果我们本身是固定的不动的,这时观察一根固定的量杆和时钟,我们所看到的长度和时钟便是“本征”长度和“本征”时间。本征长度和本征时间看起来永远都很正常且合理的。如果我们固定不动,而量杆和时钟相对于我们是快速运动,这时这根量杆的长度便是“相对”长度,这个时钟的时间便是“相对”时间。相对长度永远比本征长度短,相对时间永远比本征时间慢和久。

相对论时间膨胀说的什么

这一对双胞胎一个留在地球上,一个上了太空船去太空航行。等到他回来的时候却发现他比他的兄弟年轻

你在自己的手表上看到的时间是本征时间,一个人在你面前经过时,你在他手表上看到的时间是相对时间。你在自己的量杆上看的长度是本征长度，一个人从你面前经过,你在他的量杆上看到的长度是相对长度。他的相对时间在你看来比较慢,他的相对长度在你看来比较短。不过,若是从他的观点看,则他是静止的,你是运动的,于是整个情况便倒转过来。

现在假设我们在一艘太空船上面,我们规定每15分钟按一次信号按钮，把一种信号传回地球。我们的速度逐渐加快,这时地球上的人员发现,我们的信号不再每15分钟到达一次,而是17分钟,然后是20分钟。几天以后,我们的信号每两天才到达一次,弄得地球的人很诧异，说好的15分钟呢（如果他们还不了解相对论）。我们的速度依然在增加,于是我们的信号变成几年才到达一次。最后,在两次信号之间,地球上已经过了好几代。

爱因斯坦的理论已经通过各方面的证实,结果总是非常正确。

科学家研制成一种新仪器，可以利用因宇宙射线与地球大气碰撞而形成的基本粒子——μ介子

关于时间的膨胀,最普通的证明是高能粒子物理学。μ介子是一种很轻的元素粒子。这种粒子是在大气层上空因为质子(一种“宇宙射线”)与空气分子的撞击而产生的。若是用加速器制造μ介子,这样的μ介子的生命很短。它们的生命短到无法从大气层上飞到地球。它们等不及穿越这一段行程,早就衰变为别种粒子。但是,我们在地球表面就检测到很多μ介子。

为什么宇宙射线制造的μ介子生命比较长?宇宙射线制造的μ介子生命比加速器制造的长7倍,为什么?答案在于宇宙射线与空气分子撞击之后所产生的μ介子,比用实验技术制造出来的μ介子速度快了很多。宇宙射线制造的μ介子速度大约是光速的99%,时间的膨胀在这样的速度已经非常明显。对这些μ介子自己而言,它们的生命没有增长。不过就我们的观点而言,它们的生命却比慢速的时候延长了7倍。

狭义相对论告诉我们,这些高速粒子本身的生命其实并没有延长,不过是时间的相对流动率变慢了。

静止状态的观察者看到运动状态下的人，会发生尺缩效应

根据狭义相对论，一个运动的物体会随着速度的增加而在运动方向上收缩。

物理学家特雷尔曾经以数学表述的这种收缩现象很像一种视觉上的错觉。跟真实世界投射在柏拉图洞穴墙壁上的影子一样。

这是柏拉图在《理想国》514-521中描述的对人类知识的基本想象。

柏拉图有个很有名的比喻：一个洞穴里有一群人被铁链锁着，他们只能看到墙壁上的影子。这些人知道的世界就是这些影子。有一天，一个人逃到了外面的世界，耀眼的阳光使他睁不开眼睛。等他习惯以后，他才发现也明白了这才是真实的世界，以前他们所知的世界只是真实世界的投影。等他回来告诉同伴自己看到的世界，同伴不相信都以为他疯了。这个类比,可以形象地帮助我们了解实相与幻象的差别。

图a画的是从头顶和球形上方俯视下来的情形，虚线连接球型两侧的两点和我们的眼睛。

特雷尔说明的第一个步骤就是从球形侧边两点对着球形正下方的一张幕画线。换句话说,假设这个球是在你的正前方,这两条线就好比从球的侧边两点垂直挂下来一样。把手机拿在你的正前方看，图B就是这种情形,这时你的眼睛就相当于图A人物眼睛的位置。

现在假设这个球以相对于光速算是很快的速度从右边向左边运动。因为这个速度够快,所以便发生了很有意思的事情。譬如说,本来球会挡住球左后侧的光线,使我们看不到。右边的情形刚好相反,发出光信号的地方通常是在球的“后面”。球就在这些点和我们之间由右向左运动。但是,因为球现在是向左运动,所以来自球的前面点的光信号都被球挡住了。这样,由球“后面”发出的光信号我们便全部看见了。这种情况造成的结果就是种视觉的错觉。那就是,我们看到的这个球好像有人顺着轴心在转它一样。

现在我们再来看看球两侧的点投射在幕上面的距离。从图C我们可以看到,这两点投射在幕上的距离比球刚开始运动的时候短了很多。狭义相对论里面的方程式说到由运动产生的收缩,也就是在说这些投影球因为快速运动,所以一方面跑进自己的一部分光信号里面,一方面又同时跑出自己的另一部分光信号之外,这种事使球看起来像在旋转。这就是使球上面任何与运动方向成直线排列的两点的投影距离变短,情形好比有人在旋转这个球一样。球的运动速度越快,看起来越像是在“转动”,幕上投射的两点也就越短。所以,收缩的其实是投影。现在,只要把“幕”代换成“从我们的参考架构看到的球”,我们就得到了特雷尔对相对论收缩的解释。

运动的时钟产生的时间膨胀,以及运动的物体产生的质量的增加,迄今还未有相关的解释。

爱因斯坦生平大事记

狭义相对论说,一个运动的物体,其质量随着运动速度的增加而增加。牛顿力学对这一点会毫不犹豫地斥为胡说。可是牛顿的经验其实很有限,仅限于和光速比较起来很慢的速度。

• 古典力学速度可以无限增长

古典物理学告诉我们说,一个运动的物体若要增加速度，例如：每秒0.3米的时候必须施加某一个量的力。我们只要知道这个量是多少,那么不论什么时候,只要我们想使这个物体增加每秒(0.3米)的速度,我们只要将这么多量的力施加在上面就可以了。如果物体现在的速度是每秒30.48米,那么这个量就会使它的速度增加为每秒30.78米。根据牛顿物理学,如果这个量可以使物体速度由每秒30.48米增加到30.78米,也就可以使同一物体的速度由每秒2438.4米增加到2438.7米等等。

• 动能越大物质拥有的总能量越高

事实上牛顿物理学错了。要使一个运动速度每秒2438.4米的物体速度增加每秒0.3米,所需要的力比从每秒30米增加每秒0.3米要多。

这是因为物体运动越快,动能越多,这些多出来的能量使物体仿佛多了一些质量。这个道理就好比对一部卡车在一段时间之内施加一个量的力,这部卡车增加的速度比对一列火车在同样时间之内施加同量的力增加的速度多,这当然是因为火车的质量比卡车多的缘故。我们的物质能量包含静态能量（MC^2）和动能，动能越大，物质拥有的能量越高，能量又和质量等效，所以会造成质量的增加。

• 物质本身的质量并没有增加

因为这个道理,所以粒子在高速运动的时候，它的动能仿佛使它比慢速的时候有比较多的质量。实际上,狭义相对论已经告诉我们,一个运动的物体,其实际质量并不会随速度的增加而增加。

大部分亚原子粒子运动速度并不一定,所以各自皆有多个相对质量。因此,物理学家计算的粒子质量是“静止质量”(rest mass)静止质量就是粒子不运动时的质量。当然,亚原子粒子从来不曾真正静止过,但是这些计算数字提供了一个统一比较粒子质量的方法。这种统一的方法是必要的;因为,粒子的速度一旦接近光速时,它的相对质量就要看它的速度多快而定。

这就是狭义相对论为我们带来的三大违背常识的事实。我们能做得就是尽力更好的理解这三个效应，因为我们宏观物质处在低速状态，是无法看到超光速得世界是什么样子的。