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

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

這些反對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。所以我有一點感慨。任何一個理論，你要想找都能找出它在歷史上的爭議，包括各路權威的反對意見。如果你沒有區(qū)分對錯的能力，你只能說這個學問“非常復雜”，越琢磨越糊涂。而如果你想專門去黑或者去捧一個學說，你完全可以得出自己想要的任何結(jié)論。

面對這樣的事兒，你很可能會陷入虛無主義……難道這個世界就沒有對錯了嗎？

當然不是！科學之所以是科學，就是它有辦法判斷對錯。科學方法首先就是一套判斷對錯的方法。

相對論是一個非?！皩Α钡睦碚?。當然我并不是說將來絕不會有更好的理論能取代它，但是在當前實驗驗證范圍之內(nèi)，這是一個特別好特別對的理論。

幸好科學結(jié)論不是投票選出來的。我們最終靠的是實驗驗證。科學家早就對相對論做了大量的驗證，咱們今天先說幾個。

我們上一講說到，相對論效應會讓一個運動物體的時間變慢。這個效應叫 “時間膨脹”，它可以用實驗驗證。

我們設想有一個距離地球80光年遠的星球。光走到那里都需要80年的時間，而如果我們有一個速度達到 0.8c 的飛船，它飛到那里就需要100年。但是，這只是在地球這個坐標系的計算。

對飛船上的宇航員來說，他們的時間會比我們慢。相對論預言，在飛船坐標系中，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。如果相對論是錯的，飛船沒有時間膨脹效應，那么飛船就得飛100年才能到達目的地，那時候這些宇航員就應該差不多都死了。

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，你不就證明相對論是對的了嗎？

當然，拿宇航員的一生去做這個實驗不太妥當……關鍵我們現(xiàn)在也沒有速度能達到 0.8c 的飛船。但是，這個實驗其實是可以做的，而且好幾十年前就已經(jīng)做過了，而且結(jié)果完美符合相對論。

科學家做這個實驗用的不是宇航員，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變種，關于它你只需要知道一點：它非常、非常短命。

一個μ子很容易、無緣無故地、就變成一個電子和兩個中微子 —— 物理學家管這個過程叫“衰變”?；玖Ｗ拥乃プ兪莻€很奇妙的事情。粒子不會變“老”，衰變總是突然發(fā)生的，而且是嚴格按照一定比例的隨機事件。μ子在靜止坐標系下的半衰期只有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，就會死掉一半。

但是我們說了粒子不會變老，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，它們還會再死一半。就按照這個固定的速率衰變。

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，能成功活著到達地面的μ子，應該是很少的。

1941年，物理學家拿μ子驗證了相對論 [1]。他們首先在美國華盛頓山的山頂上用儀器測量了μ子流的密度，他們專門統(tǒng)計那些速度是 0.994c 的μ子，看看在一定的面積內(nèi)，一小時能收集到多少個這個速度的μ子。

華盛頓山的高度大約是2公里。這些μ子從山頂?shù)竭_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微秒可是好幾個半衰期，山底收集到的μ子數(shù)應該是山頂?shù)?nbsp;8.5 分之一。

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

實驗結(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子真的通過高速運動保持了青春 —— 這正是相對論預言的結(jié)果，數(shù)值絲毫不差。

1979年物理學家又做了一次實驗，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了29.3倍！

相對論不但正確，而且非常精確。

你可能有點羨慕那些μ子。這難道不就是一個讓人活得年輕的方法嗎？的確是，而且我們后面講廣義相對論的時候還會介紹另一個讓時間變慢的機制?？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，回來的時候還挺年輕，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間變慢，只是不同坐標系對比的結(jié)果。對于參加星際旅行的你來說，你實實在在活過的時間，還是正常的壽命。相對性原理要求你根本感覺不到自己多出來什么時間 —— 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。說到這里有個著名的問題，叫 “雙生子佯謬” 。

比如說你有一個雙胞胎妹妹。在你們20歲這一年，你乘坐高速宇宙飛船前往遠方執(zhí)行任務，你的妹妹留在地球上。在你妹妹看來，你這一走就是50年，你回來的時候她已經(jīng)70歲了?？墒且驗橄鄬φ撔阍陲w船坐標系下體會到的這段旅程只有30年，你回來時候才50歲。

走的時候兩人一樣大，回來的時候你妹妹比你老了20年。

這個事實是沒問題，但是人們會有一個疑問。

相對于你妹妹，你在飛船上是高速運動，所以會有時間變慢的效應，所以你比你妹妹年輕?？墒欠催^來說，*相對于你*，你妹妹在地球上難道不也是在高速運動嗎？那為什么不是她比你年輕呢？

這個問題的答案是你和你妹妹所在的坐標系并不是等價的。你妹妹一直待在地球上，可以近似為一個勻速直線運動的坐標系。而你，離開地球必須首先加速到接近光速，到達目的地之后要減速、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動。

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

但是這個效應是真實的，你真的比你妹妹年輕了20年。雙生子效應已經(jīng)有實驗證實。

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

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！當然他們速度不夠高，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。

跟時間膨脹相對應的一個效應是“長度收縮”。

我們還是說宇航員。同樣是一段距離，我們在地面看他應該飛25年才能到，在他自己看來，飛15年就到了。而且請注意，不管在我們看來還是在他看來，飛船相對于這段距離的飛行速度可是一樣的。

那么這就意味著，宇航員看到的這個距離，比我們看到的要短。

所以，長度是個相對的概念。一個物體的長度在相對于它靜止的坐標系中是最大的，如果你跟它有一個相對的運動，你會覺得它比靜止的時候短一些。這就是長度收縮。

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

其實嚴格地說，有人計算得出，三維物體的長度收縮效應是你*觀察*到的，而不是你*看*到的。考慮到物體各個部分的光到達你眼睛的距離不一樣，你的眼睛實際看到的感覺只是這個物體旋轉(zhuǎn)了一個角度而已。你在視覺上不會覺得它變短了，但是考慮到光速，你做一番計算的話，會得出它變短的結(jié)論……這個咱們也不必細說。

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

但是，在每個勻速直線運動的坐標系*內(nèi)部*，你所用的物理方程，都是一模一樣的。

如果永遠不聯(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。可是一旦要聯(lián)系，咱倆的數(shù)字就非常不一樣。而所有這些不一樣，又恰恰是因為光速在所有坐標系下都一樣。

相對論是如此地讓人不好接受，卻又是如此的簡單。

相對性原理是一個信念，但物理學家從來都沒有把相對論當做“信仰” —— 科學的精神是實驗結(jié)果說了算。物理學家始終對相對論保持開放的態(tài)度。2011年的時候，物理學家曾經(jīng)一度以為中微子的速度能超過光速，但是后來發(fā)現(xiàn)那是一個烏龍，是實驗設備有問題。

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。