“移动的尺子”如何缩短？狭义相对论背后的奇怪物理学

By Paul Sutter

published 15 hours ago 

The Universe

    狭义相对论是超越诡异的。在它的许多陈述中是移动的时钟走的慢和移动的尺子缩小。但我们应该如何假设来使这些有意义呢？

阿尔伯特·爱因斯坦在黑板跟前。 (Image credit: NASA)

    狭义相对论是超越诡异的。在它的许多陈述中移动的时钟走的慢和移动的尺子缩小。但我们应该如何假设来使这些有意义呢？要理解相对论的物理学，我们不得不退回到过去一点。

    1865年，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）发现了我们叫“光”的真的是电和磁的波。但就像所有的波一样，这些波需要来波过一些东西。声波移动通过空气。海波移动通过海洋。因此，麦克斯韦相信了光波旅行穿过一种今天被适当的称为旧时代的“发光的以太”物质。

    这个“以太”不得不有一些奇怪的属性。你不能够感觉它、触摸它、闻它或另外感觉它。因此它不得不几乎是看不见的，但也不得不允许光来波过它，因此它不得不存在。在 1800 年代后期，关于以太的本质有很多争论，原来是每个人都错了。

    但他们不知道他们是错了，直到1887年一对科学家决定了来测量我们的穿过以太的运动为止。这对搭档是凯斯应用科学学院的阿尔伯特·迈克尔逊（Albert Michelson）和西储大学的爱德华·莫雷（Edward Morley），他们在我们现在叫凯斯西储大学的一个地方设计了一个我们现在叫迈克尔逊-莫雷实验的实验。

    基本的想法是如果以太存在，我们应该正穿过它游泳，我们应该注意到这种运动为一个光速中的变化。

    迈克尔逊-莫雷实验试图来测量这个并完全失败了。因此有一个问题。光是一种波，而它必须移动穿过某种东西——以太。但我们似乎不能通过以太来测量我们自己的运动。如此什么正在发生呢？

长度的收缩

    在迈克尔逊-莫雷实验后不久，物理学家奥利弗·赫维赛德（Oliver Heaviside）注意到了某些时髦的东西：当电荷被设置在运动中时，它们的电场会沿着那个运动的方向稍微挤压一点。

    然后是亨德里克·洛伦兹（Hendrik Lorentz），他有一个绝对美妙的思想：如果我们都被电荷组成并且磁场移动时场收缩，那么当我们移动时我们可能收缩。因此，因为长度的收缩我们不能测量光速中的变化——随我们移动穿过以太光速变化，但我们的测量设备也这么做，如此抵消它。

    这被考虑为是一个相当成功的理论，它起作用了并解释了所有的数据。当物质从一些物理相互作用移动时物质挤压，而以太就在那里但不能检测到。

    然后，爱因斯坦出现了并问了一个非常重要的问题：如果这个以太总是并永远不可探测到的，那么我们为什么需要它呢？为什么我们不刚好让东西靠它们自己收缩——不是来解释一些我们不喜欢的实验结果而是为宇宙的一个赤裸裸的事实呢？

    这是爱因斯坦的伟大成果。其他人都工作在相对论的方向中，但没有人做出了他所做的飞跃。爱因斯坦宣称长度收缩是宇宙中的一个特征而不是一个错。不再以太，不再试图来将一个方形电磁钉适配进一个圆形以太洞。长度当它们移动时收缩。句号。讨论的结束。

    爱因斯坦的长度收缩与洛伦兹的略有不同。对洛伦兹，这是一种物理效应，东西一起压碎。对于爱因斯坦，这是空间本身的一个特征，独立于实际的物体。这一实现允许了爱因斯坦又实现了一次巨大的飞跃。

相对论的诞生

    为了使这一切都起作用，爱因斯坦意识到不得不采取一些让步。你不能只让长度收缩——移动的标尺收缩——靠它自己。你还需要时间膨胀 - 移动的时钟走的慢。这些总是一起工作来允许所有观察和所有观点都有意义。

    例如以谦逊的电子的更重的兄弟姊妹μ介子为例。因为μ介子是大质量的，它有一个短的寿命——只有2.2微秒。当高能粒子撞击高层大气层中的空气分子时它们产生μ介子，然后划向地面。

    这些μ介子以接近光速的速度旅行，但这仍然不足以让它们在它们短暂的生命期间到达地面。但相对论教我们移动的时钟走的慢——从我们的角度来看，μ介子持续的时间远更长，因此它们有足够的时间来做出这个旅程。

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    但μ介子有一个不同的视角。从它的角度它不体验时间膨胀，从它的角度它将只存在 2.2 微秒。如此，从它的角度μ介子如何有足够的时间到达地面呢？这方面的答案是长度收缩——从快速的μ介子的角度来看，到地面的距离是远更短的，因此它没有那么远要走。

    狭义相对论是我们需要来改变视角并保持一切被组织的数学机制。这个宇宙可能是疯狂的，但至少它遵循我们能理解的规则。