用最通俗易懂的語言科普《相對論》中集

首先，讓我們先向偉大的科學家-阿爾伯特·愛因斯坦同志致敬......受字數影響，只能分三篇了，今天是中篇。

批駁相對論的人，很多是從時間膨脹效應入手，概括起來，有這樣幾類：

有人認為，時間膨脹只是觀測上的效應、或者校時信號時差的效應、或者數學計算上的效應，而不是物理上的實際效應。

有人認為，運動帶來的時間膨脹會產生邏輯上的悖論，靜系和動系，你看我的時間膨脹了，我看你的時間也膨脹了，因為運動是相對的，任何一方都可以把對方看做運動系，都膨脹，就不存在膨脹了。

還有人更絕，把相對性引申到任何現象，來證偽相對論，他們認為，既然叫「相對」論，那麼任何一個事物與其他所有事物都是相對的，只要一例不相對，相對論即被證偽，按這種說法：你吹大一個氣球，宇宙如果不相對這個氣球變小，那就是相對論錯誤，如果這個氣球被你吹爆了，宇宙不相對它反爆一下，那就是相對論的大錯誤；你被晒黑了，宇宙不相對你變白了，那麼，你晒晒太陽就是為相對論敲響了喪鐘。這種不探討理論內容，只在理論名稱上咬文嚼字的反駁實在是很淺薄，不值一提，卻也能矇騙不少人。

這種邏輯告訴我們：如果實驗證明不了時間膨脹，那麼相對論就是錯的，因為你拿不出證據；如果實驗證明了運動會使時間膨脹，那麼相對論也是錯的，因為你能測量出某物膨脹，就證明這個膨脹不是相對的。

咦？這種邏輯的玩法怎麼這麼眼熟？

嘿嘿這個這個……作為一個文盲，俺不想加入爭論，但俺想說的是，破舊立新，應該像當年的牛頓和麥克斯韋那樣，用無可辯駁的實驗、預言、觀測及應用成果來說話。你的理論不論多麼華美誘人，你的反駁無論多麼雄辯巧妙，它與觀測事實不符，它拿不出實際成果，我也只能說，那不是科學理論，也不是科學態度。從相對論和量子論不相容這點來看，二者都不是最終的真理，它們只是較經典物理而言，更接近真理，最終將被大統一理論推翻，但它們絕不會被文字遊戲證偽。

當然，在對相對論提出的質疑中，不乏理性的聲音。為了方便敘述，我們採用辯論賽的習慣，在這裡，把論題的肯定方稱為「正方」，否定方稱為「反方」。正反兩方的稱謂只是代號，無對錯、正邪、高低之分。

反方論證最有名的要算是「雙生子佯謬」了。這是一個真正清晰且有力的反方邏輯論證。故事是這樣的：有兩個孿生兄弟，就李大雙、李小雙吧。大雙坐飛船去半人馬座考察那兒能不能供人跳馬，小雙留在地球上等消息。

我們前面提到過，利用時間膨脹效應來延年益壽這事，只有速度趨近光速，才有實際意義。

那麼，大雙的飛船很快加速到速度v，接近光速了，從此勻速直線飛行，半年後，發現半人馬座不適合跳馬，於是迅速調頭以速度v勻速返回，最後經緊急減速，降落在小雙面前，會發生什麼呢？

正方說，飛船速度非常接近光速時，時間膨脹效應會非常明顯，若v = 0.9999c ，則T=70.71τ。也就是說，大雙感覺這次考察途中自己飛了1年，而小雙卻在地球上望眼欲穿地度過了70年，他倆重逢時，大雙38歲，小雙卻已108歲了。杯具啊！

反方說， 運動是相對的，在小雙看來，確實是上面說的這樣。但對大雙來說，他在飛船上靜止不動，地球朝反方向加速到速度v，然後勻速直線飛行……過程一樣……所以，在大雙看來，哥倆重逢時，應該是小雙38歲，大雙108歲。因此反方說，從不同的角度看，結論不同，雙方都認為對方年輕。大杯具啊！雙方結論相互矛盾，所以時間膨脹效應不是真實的物理效應。

正方說：反方把飛船啟動、調頭、減速這三個過程的時間給忽略了。實際上，大雙把飛船看做靜系，地球在飛離自己時，其加速、減速，是相對於飛船這個非慣性系而言的。按照廣義相對論的等效原理，相當於考察地球的參考系中有一個引力場，飛船和地球在這個引力場中所處的位置不同，所以引力場對他們的影響也就不同。啟動和減速降落時，他們距離近，引力場勢相差不大，對時間流逝的影響也不大。但在地球調頭時，他們距離非常遙遠，這時地球方面的引力場勢遠高于飛船，它使地球時間比飛船流逝得快得多。這樣，哥倆重逢時，還是大雙38歲，小雙108歲。

反方不接受這樣的解釋，並要求給出一個符合常識的解釋，他們詰問：難道相對論必須推翻一切常識嗎？

又有正方用時空圖和世界線的概念討論了此問題，這是廣義相對論的範疇，這裡就不多說了。

爭論還在繼續，至少在網上還在繼續，多數都是像我一樣的外行，根據自己的理解相互論戰，誰也不服誰。作為一個超級外行，我給我的同行們一個建議，論戰時可否考慮下面三點：

1.飛船飛離地球，加速度對雙方等效。那麼，我們是否可以把這個「等效」看做大小相等、方向相反的效應值（比如一定的力啊什麼的），一邊作用在飛船這個參照繫上，一邊作用在飛船以外的、未改變運動形式的其他參照繫上。這樣，等值的效應，作用在不同量級的參照繫上，說白了，相同力度的兩錘，一錘打在雞蛋上，一錘打在泰山上，它們產生的效應自然不同。

2.運動是相對的不假，但處於同一參照系、相對靜止的不同物體，在發生相對運動時，一般會有「主動運動」，比如飛船飛離地球，看起來是二者在做相對運動，但前提是，需要有相應的能量作用在飛船上，才能實現飛船與地球的相對運動，這個能量的獲得是單方面的。我們稍後會知道，時間、空間是運動的產物，而運動是能量的一種存在形式。本文盲據此假設：單方面獲得能量，得到加速度，改變運動狀態的物體，在時間上產生單方面的效應，是否符合邏輯？當然，被炸彈均力炸飛的兩個相同的鋼球之間，不存在主動運動的一方，而是雙方都主動，所以它們的時間效應相同。

3.所謂相對，看你怎麼理解。如果宇宙只有一個物體，它膨脹千倍萬倍也沒意義，需要有參照物才能分辨，這就是相對，所以動系物體相對於靜系物體時間膨脹，毫無問題，倒是你脹我就必須脹顯得不「相對」了。當然這一點亦屬文字遊戲範疇，不足為憑。

這只是我給「同行」的建議，對於給內行提建議，實非我力所及也。呵呵，實在沒忍住也加入外行論戰團了。討論討論雖沒什麼不好，但俺作為一個外行，看到的是皮毛，理解得也不深，說不到點子上，所以暫停討論。咱看看物理學家怎麼說。

關於雙生子佯謬，霍金說，只是對於頭腦中仍有絕對時間觀念的人而言，這才是佯謬。

相對論告訴我們，宇宙中沒有一個唯一的絕對時間。萬事萬物都有自己的時間測度，關鍵是，要看它在哪、以及怎麼運動。

也就是說，一個物體所處的位置和運動狀態不同，其時間測度也就不同。這樣，每個事物相對於其它所有的不同參考系，時間測度都各不相同。

明白了這個道理，相信「雙生子悖論」等問題就沒那麼糾結了。

我們還是看看，在實際觀測和實驗上，時間膨脹效應是否存在吧。

1952年，愛因斯坦提出一個驗證時間膨脹的方法：把發出光譜線的兩個原子作為鍾。利用溫度差，令它們噴射銫原子速度不同，通過橫向多普勒頻移——頻率增大向光譜的藍端移動，可以驗證時間膨脹。

後來，人們找到了其他方法，那就是利用基本粒子的壽命與速度的關係，來檢驗時間膨脹效應。

說到粒子的壽命，長的長得驚人，短的短得瘮人。比如質子的壽命在10萬億億年以上，如果用它來檢驗時間膨脹，還不如坐等花謝，太陽系壽命約110億年，如果質子和太陽系一起出生，那麼太陽系老死那天，質子才在嬰兒期。

我們要找的是粒子中的短命鬼，它們的特點是，命短得嚇人，速度快得嚇人，這樣嚇兩跳，我們的驗證就能立竿見影。

還好，在迄今為止發現的300多種基本粒子中，多數是短命鬼，誕生的瞬間就已夭折，真是沒有最短，只有更短。

比如π±介子的壽命大致為一億分之一秒。這還算長壽的。

π0 介子、η介子的壽命分別是0.84×10^-16(10的負16次方)秒和3×10^-19秒，比π±介子短8 ～11個數量級！

壽命更短的，是通過強相互作用衰變的「共振態粒子」，只能活一千萬億億分之一秒左右（10^-28秒），簡直無法形容！他們的壽命短得任何儀器也檢測不出來，只能靠計算。

當然，壽命太短也不能用來檢測時間膨脹效應，像剛才那種，即使壽命膨脹1000倍，也檢測不出來！

於是人們找到繆子（μ子，是一種輕子），它是π介子衰變時產生的，一般產生在大氣層10公里以上，其半衰期為2.2微秒，這麼短的時間，即使以0.999c速度從10公里的高空沖向地面，按牛頓理論計算，也只能跑660米，根本到不了地面；按相對論計算，洛因子大約為22，也就是說其壽命延長（時間膨脹）了22倍，22×660米，可以跑14.5公里，因此，我們才可以在地面觀察到繆子——這是觀測證據。1966年，人們在實驗中測得繆子繞圓形軌道高速運動時，其平均壽命比在地面上靜止的繆子的平均壽命長——這是實驗證據。

由觀測和實驗證明，繆子的時間的確在高速中被拉長，並且與狹義相對論相符合。如果像反相者所說，在繆子看來，地球時間也必須膨脹的話，那麼，就根本無法觀測到這些結果。可見「雙子悖論」不是真的悖論，只是「佯謬」而已。所謂佯謬，是指看上去是一個錯誤，但實際上是正確的。

1971年，喜歡較真的海弗爾和凱汀用原子鐘完成了環球飛行實驗。他們把銫原子鐘放在飛機上，向東和向西繞地球各一周後返回，與一直靜止在地面上的原子鐘比較讀數，發現向東飛行的原子鐘慢了59毫微秒，向西飛行的原子鐘快了273毫微秒。在這個實驗中，他們還考慮了廣義相對論的因素：飛機航行過程中離地心的高度不同，即處於不同的引力勢，把這種引力效應扣除之後，實驗的結果與狹義相對論的時間膨脹預言符合，精確度接近10％。實驗數據見下表：

數據表明，加上廣義相對論的因素，在實驗誤差之內，得到的結果與狹義相對論方程預言值相符得很好。

1996年，為慶祝海弗爾-凱汀實驗25周年，英國國家物理實驗室用精確度更高的銫原子鐘重複了這個實驗，這次，銫原子鐘從倫敦到華盛頓飛了一個來回，與留在實驗室的銫原子鐘比較，相差39.0±2納秒，理論預言是39.8納秒。

嗯，說了半天，也沒見你有什麼反應，好像很迷惘的樣子。

哦，這都怪我，因為，我們平時用不著什麼納秒啊、毫微秒的，冷不丁說出來，我們心裡也沒什麼具體的概念。

其實，毫微秒就是納秒，1秒=1000毫秒，1毫秒=1000微秒，1微秒=1000毫微秒。那麼：1秒=1000000000毫微秒。對，你沒看錯，9個0，1秒就是10億毫微秒。

1毫微秒=0.000000001秒。

還是沒有概念？就是說，你坐波音787在倫敦和華盛頓之間飛一個來回，能年輕39×0.000000001 =0. 000000039秒，如果你想年輕1秒，就要飛1÷0. 000000039 =25641026個來回。

一個來回的機票錢，便宜算，約為10000元人民幣，為了年輕這1秒，需要花費256410260000元。是的，2564億元人民幣，還不算零頭。

如果你說，我不差錢，雖然貴了點，但這充分說明了時間也不是無價的！

好吧款爺。一個來回按14個小時算，你要飛358974359個小時。一年有8760小時。為了年輕這1秒鐘，你需要連續不斷地飛行40978年！試問世人，有幾個能堅持活100年不動搖的？40978年？連龜丞相都不敢做這個夢！

是不是相當絕望啊？所以，在人類的速度沒有能力接近光速以前，利用運動速度延年益壽這個偉大構想，我們只好暫且先放一放。

況且，高速運動帶來的時間膨脹效應，那也只是相對於其他參考系而言的。高速運動中的人，他自己所感受的時間流逝，其實與原來沒什麼分別。

如果你真的坐上了接近光速的航天灰機，比方說速度是0.99999C。那麼，對於你的運動系來說，一切與靜止時沒什麼分別，一分鐘還是一分鐘，一年還是一年，花開花落人如舊。

對於我們地球人這個參考系來說，你的參照系的確變慢了。你的一天相當於我們的250天。如果可以實時監控你，那麼，在我們看來，你就悲催了。你和你的參照系發生的一切都是慢吞吞的，我們吃飽了打個嗝，一秒鐘算長的了，很快過去，但我們看你打這個嗝就用了250秒，4分多鐘啊大神，你一直在打這個嗝，還有比這更噁心的事嗎？有的，只要我們還有興趣實時監控你。可你對這一切卻渾然不覺，還以為這個嗝打得很正常。是不是很糗？

假設你用這個速度在廣袤的宇宙里旅遊觀光了50年，回到家鄉地球，那時，地球距你起飛時，已經過了12500年，與你同年代的人，已經幸福地變成了化石，他們當時拚命攢下的豪宅、名車、土地、各種耀眼名牌早就煙消雲散、了無痕迹了，甚至「恆久遠」的鑽石珠寶，也早就塵歸塵、土歸土了。

過眼榮枯，草色有無煙聚散。

隨風冷暖，梅香來去雨西東。

天上人間，轉眼萬變啊！

一萬年多久？五十載短長。愛與恨、苦與樂，那曾經的笑顏和淚水，是真實，還是虛無？是記憶，還是夢幻？是幾十年前，還是幾萬年前？有分別嗎？天地間，只剩下孤寂無助的你，獨自望著陌生的地球，驗證著滄海桑田這個成語的科學內涵。白髮在風中飛揚。

最悲催的不是這個，而是你付出了如此代價，卻一點也沒感覺到自己多活了12450年。在宇宙中流浪的這50年，你的心理感覺、生理活動、環境變化等一切，都實實在在地只過了50年。

也就是說，你用50年的時間，來到了地球的12500年之後。這，或許可以稱之為「穿越」吧。

2010年初，美籍華裔科學家詹姆斯·周欽文率他的團隊完成了在地面上驗證相對論的實驗，他們研製出一種超精準原子鐘。這種原子鐘以單粒鋁原子為基準，精確得令人髮指——每37億年誤差不超過1秒，這是人類目前最精準的計時器。有了這個精度，就不必高速飛行或日積月累，也能測出極其微小的變化了。

第一項實驗：兩台鋁原子鐘，把其中一台平穩升高33厘米，升高後的鐘比另一台快，每79年快900億分之一秒。驗證了廣義相對論有關引力越大，時間越慢的理論。這表明，一個人住得越高，「老」得也就越快。周欽文說，在美國紐約102層高的帝國大廈，一個生活樓頂上的人，比生活在樓底層的人每秒衰老速度快1.04億分之一秒。當然，住高層的人不必擔心，這個值太小了，以至於你在帝國大廈頂層住50年（約16億秒），打死也不下樓，與住在1樓、打死也不上樓的老兄比起來，你只多老了15秒。

第二項實驗：對鋁原子鐘內的鋁原子施加不斷變化的電磁場，使鋁原子快速往複運動，結果顯示運動中的鋁原子鐘所示時間慢於靜止鋁原子鐘。驗證了狹義相對論有關速度越快，時間越慢的理論。

開篇說過， GPS技術應用了相對論的時間效應方程，不然無法精確定位。我們先看看狹義相對論對衛星鐘的影響（下面有公式，我們可以不看，只要了解相對論在高科技領域的實際應用就可以了）：

原理：時間膨脹。鐘的頻率與其運動速度有關。

這是狹義相對論隨速度增加時間膨脹的效應，GPS還要考慮廣義相對論關於引力越大（離地球越近）時間越慢的效應，這兩個值本來就很微小，二者相抵後的凈效應值更小。那麼對如此細微的差值進行校正的意義何在呢？

美國華盛頓大學聖路易斯分校的克利福德?威爾為我們算了一筆賬：

每個GPS衛星每小時行程1.4萬公里，根據狹義相對論，星載時鐘每天要比地球上的鐘慢7微秒。

GPS衛星離地面大約在2萬公里左右，它受到的引力約為地面引力的四分之一，根據廣義相對論，星載時鐘每天要比地球上的鐘快45微秒。

二者沖減後的值是：星載衛星每天比地球上的鐘快38微秒。

100萬微秒=1秒。

38微秒很小，但它會給衛星定位每天增大11公里的誤差，所以衛星上的鐘必須補償這個差，與地面上的時鐘「同步」。當然，這種效應事實上更為複雜，因為衛星沿著一個偏心軌道，有時離地球較近，有時又離得較遠。計算時，要把這些因素都考慮進去才夠準確。

要使導彈、飛機等飛行器定位誤差控制在3米之內，GPS的計時精度必須達到十億分之一秒才行；對核潛艇進行導航，時間測量精度如果沒達到百萬分之一秒，誤差就會在300米以上。時間上差一絲絲的一點點的一丁丁，那麼反映到測距結果上，其誤差可能就是致命的，這跟狙擊手遠程射擊是一個道理，你趴在月球上朝希特勒開槍，偏一點就可能射中羅斯福。

相對論中有關速度與時間的關係，我們暫時討論到這裡，繼續討論，避不開一個問題，所以我們先把這個問題搞清楚，回過頭再來看速度與時間的關係問題。這個問題，可以用一個簡潔優美到令人髮指的公式表達，在地球上，不知道阿根廷、大米飯、奧巴馬的人可能不少，但沒見過這個公式的人不多。當然，真正理解這個公式的人要少得多。先賣個關子，大家猜下是什麼呢？

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