時(shí)間膨脹效應(yīng)

時(shí)間膨脹效應(yīng)相對(duì)論效應(yīng)的一個(gè)特別引人注意的例證01研究歷史理論基礎(chǔ)目錄02基本信息時(shí)間膨脹效應(yīng)是相對(duì)論效應(yīng)的一個(gè)特別引人注意的例證。它是首先在宇宙射線中觀測(cè)到的。我們注意到，在相對(duì)論中，空間和時(shí)間的尺度隨著觀察者速度的改變而改變。例如，假定我們測(cè)量正向著我們運(yùn)動(dòng)的一只時(shí)鐘所表明的時(shí)間，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)它要比另一只同我們相對(duì)靜止的正常走時(shí)的時(shí)鐘走得慢些。另一方面，假定我們也以這只運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘的速度和它一同運(yùn)動(dòng)，它的走時(shí)又回到十分正常。我們不會(huì)見到普通時(shí)鐘以光速向我們飛來，但是放射性衰變就像時(shí)鐘，這是因?yàn)榉派湫晕镔|(zhì)包含著一個(gè)完全確定的時(shí)間標(biāo)尺，也就是它的半衰期。研究歷史研究歷史時(shí)間膨脹效應(yīng)是相對(duì)論效應(yīng)的一個(gè)特別引人注意的例證。17世紀(jì)，牛頓曾提出過一個(gè)相對(duì)性的經(jīng)典說法。當(dāng)時(shí)他主張，作為參照基準(zhǔn)的參考框架，無論做什么樣的勻速直線運(yùn)動(dòng)，都不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)（包括物理的運(yùn)動(dòng)）產(chǎn)生影響。愛因斯坦認(rèn)為這種說法與他的電磁學(xué)理論格格不入，當(dāng)他試圖搞清楚以光速運(yùn)動(dòng)的觀察者所看到的光波將會(huì)是什么樣時(shí)，他遇到了糾纏不清的情景。于是他清醒地認(rèn)識(shí)到，為了在物理學(xué)領(lǐng)域取得協(xié)調(diào)一致的答案，就不能把空間只是看成供我們生活居住的容器。它還必須具有某些特性，例如人們以高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，時(shí)間尺度將會(huì)改變，同時(shí)，空間尺度也會(huì)改變。在這個(gè)意義上，空間和時(shí)間是纏繞在一起的，空間和時(shí)間原是同一件事物不同的相對(duì)表現(xiàn)形式。20世紀(jì)初，愛因斯坦就認(rèn)識(shí)到，我們的時(shí)空觀并不完善。他是通過分析電和磁相結(jié)合產(chǎn)生電磁輻射（例如光輻射）特性的規(guī)律得出這個(gè)結(jié)論的。他認(rèn)為，如果光在一切測(cè)量中具有協(xié)調(diào)一致的特性的話，在物理學(xué)中光速必定扮演著主要角色。特別是，真空中的光速必須不變，無論光源和觀察者做什么樣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，真空光速總是每秒三十萬千米。愛因斯坦考慮了當(dāng)人們?cè)诟咚龠\(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象。我們通常會(huì)認(rèn)為，光波的速度因與我們運(yùn)動(dòng)的方向相同或相反或取各種中間角度而有所不同。令人驚奇的是，愛因斯坦卻認(rèn)為事實(shí)上不會(huì)是這樣?，F(xiàn)今我們完全清楚，在平常的生活中看不出空間和時(shí)間有這種畸變。這是因?yàn)槲覀儾簧婕耙呀咏馑龠\(yùn)動(dòng)的事物。事實(shí)上，相對(duì)論現(xiàn)象的特性由物體速度與光速平方之比這樣一個(gè)比率來決定。當(dāng)所研究的物體的......理論基礎(chǔ)推論關(guān)系電磁場理論光學(xué)原理兩個(gè)假設(shè)理論基礎(chǔ)時(shí)空聯(lián)系狹義相對(duì)論廣義相對(duì)論萬有引力方程理論基礎(chǔ)推論關(guān)系相對(duì)論的一個(gè)非常重要的推論是質(zhì)量和能量的關(guān)系。愛因斯坦關(guān)于光速對(duì)于任何人而言都應(yīng)該顯得相同。這意味著，沒有東西可以運(yùn)動(dòng)得比光還快。當(dāng)人們用能量對(duì)任何物體進(jìn)行加速時(shí)，無論是粒子或者空間飛船，實(shí)際上要發(fā)生的事，它的質(zhì)量增加，使得對(duì)它進(jìn)一步加速更加困難。要把一個(gè)粒子加速到光速要消耗無限大能量，因而是不可能的。正如愛因斯坦的著名公式E=MC^2所總結(jié)的，質(zhì)量和能量是等效的。除了量子理論以外，1905年剛剛得到博士學(xué)位的愛因斯坦發(fā)表的一篇題為《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》的文章引發(fā)了二十世紀(jì)物理學(xué)的另一場革命。文章研究的是物體的運(yùn)動(dòng)對(duì)光學(xué)現(xiàn)象的影響，這是當(dāng)時(shí)經(jīng)典物理學(xué)面對(duì)的另一個(gè)難題。電磁場理論十九世紀(jì)中葉，麥克斯韋建立了電磁場理論，并預(yù)言了以光速C傳播的電磁波的存在。到十九世紀(jì)末，實(shí)驗(yàn)完全證實(shí)了麥克斯韋理論。電磁波是什么？它的傳播速度C是對(duì)誰而言的呢？當(dāng)時(shí)流行的看法是整個(gè)宇宙空間充滿一種特殊物質(zhì)叫做“以太”，電磁波是以太振動(dòng)的傳播。但人們發(fā)現(xiàn)，這是一個(gè)充滿矛盾的理論。如果認(rèn)為地球是在一個(gè)靜止的以太中運(yùn)動(dòng)，那么根據(jù)速度疊加原理，在地球上沿不同方向傳播的光的速度必定不一樣，但是實(shí)驗(yàn)否定了這個(gè)結(jié)論。如果認(rèn)為以太被地球帶著走，又明顯與天文學(xué)上的一些觀測(cè)結(jié)果不符。邁克爾遜莫雷的實(shí)驗(yàn)示意圖1887年邁克爾遜和莫雷利用光的干涉現(xiàn)象進(jìn)行了非常精確的測(cè)量，仍沒有發(fā)現(xiàn)地球有相對(duì)于以太的任何運(yùn)動(dòng)。對(duì)此，洛侖茲(H．A．Lorentz)提出了一個(gè)假設(shè)，認(rèn)為一切在以太中運(yùn)動(dòng)的物體都要沿運(yùn)動(dòng)方向收縮。由此他證明了，即使地球相對(duì)以太有運(yùn)動(dòng)，邁克爾遜也不可能發(fā)現(xiàn)它。愛因斯坦從完全不同的思路研究了這一問題。他指出，只要摒棄牛頓所確立的絕對(duì)空間和絕對(duì)時(shí)間的概念，一切困難都可以解決，根本不需要什么以太。（以太：由希臘學(xué)者提出，認(rèn)為是光傳播的介質(zhì)）光學(xué)原理龐加萊提出了兩條基本原理作為討論運(yùn)動(dòng)物體光學(xué)現(xiàn)象的基礎(chǔ)。第一個(gè)叫做相對(duì)性原理。它是說：如果坐標(biāo)系K'相對(duì)于坐標(biāo)系K作勻速運(yùn)動(dòng)而沒有轉(zhuǎn)動(dòng)，則相對(duì)于這兩個(gè)坐標(biāo)系所做的任何物理實(shí)驗(yàn)，都不可能區(qū)分哪個(gè)是坐標(biāo)系K，哪個(gè)是坐標(biāo)系K′。第二個(gè)原理叫光速不變?cè)?，它是說光（在真空中）的速度c是恒定的，它不依賴于發(fā)光物體的運(yùn)動(dòng)速度。從表面上看，光速不變似乎與相對(duì)性原理沖突。因?yàn)榘凑战?jīng)典力學(xué)速度的合成法則，對(duì)于K′和K這兩個(gè)做相對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系，光速應(yīng)該不一樣。愛因斯坦認(rèn)為，要承認(rèn)這兩個(gè)原理沒有抵觸，就必須重新分析時(shí)間與空間的物理概念。兩個(gè)假設(shè)經(jīng)典力學(xué)中的速度合成法則實(shí)際依賴于如下兩個(gè)假設(shè)：1．兩個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間間隔與測(cè)量時(shí)間所用的鐘的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)沒有關(guān)系2．兩點(diǎn)的空間距離與測(cè)量距離所用的尺的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)。愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，如果承認(rèn)光速不變?cè)砼c相對(duì)性原理是相容的，那么這兩條假設(shè)都必須摒棄。這時(shí)，對(duì)一個(gè)鐘是同時(shí)發(fā)生的事件，對(duì)另一個(gè)鐘不一定是同時(shí)的，同時(shí)性有了相對(duì)性。在兩個(gè)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系中，測(cè)量兩個(gè)特定點(diǎn)之間的距離得到的數(shù)值不再相等。距離也有了相對(duì)性。如果設(shè)K坐標(biāo)系中一個(gè)事件可以用三個(gè)空間坐標(biāo)x、y、z和一個(gè)時(shí)間坐標(biāo)t來確定，而K′坐標(biāo)系中同一個(gè)事件由x′、y′、z′和t′來確定，則愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，x′、y′、z′和t′可以通過一組方程由x、y、z和t求出來。兩個(gè)坐標(biāo)系的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和光速c是方程的唯一參數(shù)。這個(gè)方程最早是由洛侖茲得到的，所以稱為洛侖茲變換。利用洛侖茲變換很容易證明，鐘會(huì)因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)而變慢，尺在運(yùn)動(dòng)時(shí)要比靜止時(shí)短，速度的相加滿足一個(gè)新的法則。相對(duì)性原理也被表達(dá)為一個(gè)明確的數(shù)學(xué)條件，即在洛侖茲變換下，帶撇的空時(shí)變量x'、y'、z'、t'將代替空時(shí)變量x、y、z、t，而任何自然定律的表達(dá)式仍取與原來完全相同的形式。人們稱之為普遍的自然定律對(duì)于洛侖茲變換是協(xié)變的。這一點(diǎn)在我們探索普遍的自然定律方面具有非常重要的作用。時(shí)空聯(lián)系在經(jīng)典物理學(xué)中，時(shí)間是絕對(duì)的。它一直充當(dāng)著不同于三個(gè)空間坐標(biāo)的獨(dú)立角色。愛因斯坦的相對(duì)論把時(shí)間與空間聯(lián)系起來了。認(rèn)為物理的現(xiàn)實(shí)世界是各個(gè)事件組成的，每個(gè)事件由四個(gè)數(shù)來描述。這四個(gè)數(shù)就是它的時(shí)空坐標(biāo)t和x、y、z，它們構(gòu)成一個(gè)四維的連續(xù)空間，通常稱為閔可夫斯基四維空間。在相對(duì)論中，用四維方式來考察物理的現(xiàn)實(shí)世界是很自然的。狹義相對(duì)論導(dǎo)致的另一個(gè)重要的結(jié)果是關(guān)于質(zhì)量和能量的關(guān)系。在愛因斯坦以前，物理學(xué)家一直認(rèn)為質(zhì)量和能量是截然不同的，它們是分別守恒的量。愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，在相對(duì)論中質(zhì)量與能量密不可分，兩個(gè)守恒定律結(jié)合為一個(gè)定律。他給出了一個(gè)著名的質(zhì)量-能量公式：E=MC^2，其中c為光速。于是質(zhì)量可以看作是它的能量的量度。計(jì)算表明，微小的質(zhì)量蘊(yùn)涵著巨大的能量。這個(gè)奇妙的公式為人類獲取巨大的能量，制造原子彈和氫彈以及利用原子能發(fā)電等奠定了理論基礎(chǔ)。對(duì)愛因斯坦引入的這些全新的概念，大部分物理學(xué)家，其中包括相對(duì)論變換關(guān)系的奠基人洛侖茲，都覺得難以接受。舊的思想方法的障礙，使這一新的物理理論直到一代人之后才為廣大物理學(xué)家所熟悉，就連瑞典皇家科學(xué)院，1922年把諾貝爾獎(jiǎng)金授予愛因斯坦時(shí)，也只是說“由于他對(duì)理論物理學(xué)的貢獻(xiàn)，更由于他發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)的定律?！睂?duì)于相對(duì)......狹義相對(duì)論馬赫和休謨的哲學(xué)對(duì)愛因斯坦影響很大。馬赫認(rèn)為時(shí)間和空間的量度與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)。時(shí)空的觀念是通過經(jīng)驗(yàn)形成的。絕對(duì)時(shí)空無論依據(jù)什么經(jīng)驗(yàn)也不能把握。休謨更具體的說：空間和廣延不是別的，而是按一定次序分布的可見的對(duì)象充滿空間。而時(shí)間總是又能夠變化的對(duì)象的可覺察的變化而發(fā)現(xiàn)的。四維時(shí)空是構(gòu)成真實(shí)世界的最低維度，我們的世界恰好是四維，至于高維真實(shí)空間，我們還無法感知。有一個(gè)例子，一把尺子在三維空間里（不含時(shí)間）轉(zhuǎn)動(dòng)，其長度不變，但旋轉(zhuǎn)它時(shí)，它的各坐標(biāo)值均發(fā)生了變化，且坐標(biāo)之間是有聯(lián)系的。四維時(shí)空的意義就是時(shí)間是第四維坐標(biāo)，它與空間坐標(biāo)是有聯(lián)系的，也就是說時(shí)空是統(tǒng)一的，不可分割的整體，它們是一種“此消彼長”的關(guān)系。四維時(shí)空不僅限于此，由質(zhì)能關(guān)系知，質(zhì)量和能量實(shí)際是一回事，質(zhì)量（或能量）并不是獨(dú)立的，而是與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相關(guān)的，比如速度越大，質(zhì)量越大。在四維時(shí)空里，質(zhì)量（或能量）實(shí)際是四維動(dòng)量的第四維分量，動(dòng)量是描述物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的量，因此質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)就是理所當(dāng)然的了。在四維時(shí)空里，動(dòng)量和能量實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一，稱為能量動(dòng)量四矢。另外在四維時(shí)空里還定義了四維速度，四維加速度，四維力，電磁場方程組的四維形式等。值得一提的是，電磁場方程組的四維形式更加完美，完全統(tǒng)一了電和磁，電場和磁場用一個(gè)統(tǒng)一的電磁場張量來描述。四維時(shí)空的物理定律比三維定律要完美的多，這說明我們的世界的確是四維的?？梢哉f至少它比牛頓力學(xué)要完美的多。至少由它的完美性，我們不能對(duì)......廣義相對(duì)論愛因斯坦于1915年進(jìn)一步建立起了廣義相對(duì)論。狹義相對(duì)性原理還僅限于兩個(gè)相對(duì)做勻速運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系，而在廣義相對(duì)論性原理中勻速運(yùn)動(dòng)這個(gè)限制被取消了。他引入了一個(gè)等效原理，認(rèn)為我們不可能區(qū)分引力效應(yīng)和非勻速運(yùn)動(dòng)，即非勻速運(yùn)動(dòng)和引力是等效的。他進(jìn)而分析了光線在靠近一個(gè)行星附近穿過時(shí)會(huì)受到引力而彎折的現(xiàn)象，認(rèn)為引力的概念本身完全不必要?？梢哉J(rèn)為行星的質(zhì)量使它附近的空間變成彎曲，光線走的是最短程線。基于這些討論，愛因斯坦導(dǎo)出了一組方程，它們可以確定由物質(zhì)的存在而產(chǎn)生的彎曲空間幾何。利用這個(gè)方程，愛因斯坦計(jì)算了水星近日點(diǎn)的位移量，與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)值完全一致，解決了一個(gè)長期解釋不了的困難問題，這使愛因斯坦激動(dòng)不已。他在寫給埃倫菲斯特的信中這樣寫道：“……方程給出了近日點(diǎn)的正確數(shù)值，你可以想象我有多高興！有好幾天，我高興得不知怎樣才好?！睆V義相對(duì)論讓所有物理學(xué)家大吃一驚，引力遠(yuǎn)比想象中的復(fù)雜的多。至今為止愛因斯坦的場方程也只得到了為數(shù)不多的幾個(gè)確定解。它那優(yōu)美的數(shù)學(xué)形式至今令物理學(xué)家們嘆為觀止。就在廣義相對(duì)論取得巨大成就的同時(shí)，由哥本哈根學(xué)派創(chuàng)立并發(fā)展的量子力學(xué)也取得了重大突破。然而物理學(xué)家們很快發(fā)現(xiàn)，兩大理論并不相容，至少有一個(gè)需要修改。于是引發(fā)了那場著名的論戰(zhàn)：愛因斯坦VS哥本哈根學(xué)派。爭論還沒有停止，只是越來越多的物理學(xué)家更傾......萬有引力方程1915年11月25日，愛因斯坦把題為“萬有引力方程”的論文提交給了柏林的普魯士科學(xué)院，完整地論述了廣義相對(duì)論。在這篇文章中他不僅解釋了天文觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)的水星軌道近日點(diǎn)移動(dòng)之謎，而且還預(yù)言：星光經(jīng)過太陽會(huì)發(fā)生偏折，偏折角度相當(dāng)于牛頓理論所預(yù)言的數(shù)值的兩倍。第一次世界大戰(zhàn)延誤了對(duì)這個(gè)數(shù)值的測(cè)定。1919年5月25日的日全食給人們提供了大戰(zhàn)后的第一次觀測(cè)機(jī)會(huì)。英國人愛丁頓奔赴非洲西海岸的普林西比島，進(jìn)行了這一觀測(cè)。11月6日，湯姆遜在英國皇家學(xué)會(huì)和皇家天文學(xué)會(huì)聯(lián)席會(huì)議上鄭重宣布：得到證實(shí)的是愛因斯坦而不是牛頓所預(yù)言的結(jié)果。他稱贊道“這是人類思想史上最偉大的成就之一。愛因斯坦發(fā)現(xiàn)的不是一個(gè)小島，而是整整一個(gè)科學(xué)思想的新大陸?！碧┪钍繄?bào)以“科學(xué)上的革命”為題對(duì)這一重大新聞做了報(bào)道。消息傳遍全世界，愛因斯坦成了舉世矚目的名人。廣義相對(duì)論也被提高到神話般受人敬仰的寶座