相对论速度, 相对论之检验

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爱因斯坦的相对论建立在一项特定的假设之上,84年以来科学家们一直在检验这项假设。每一次检验它都通过了。但是科学家们还是要继续检验,因而纵然这项假设只要稍有差错,就会为某种新理论敞开大门,而这种新理论则可能比相对论更普遍,更有用,也更正确。

1989年初,相对论经受了又一次考验,爱因斯坦的假设再次得以通过。

此项假设乃是:光速永远保持不变,不管光源的速度是多少。

通常的运动物体似乎并不按照这种方式行事。如果你从一列运动 的火车上朝着列车前进的方向抛出一个小球,那么这个球就会以较快 的速度在空气中前行。如果你逆着列车前进的方向抛出一个小球,那 么它就会以较慢的速度在空气中运动。若球与火车沿相同的方向运动, 则应将小球的速度与火车的速度相加。若球与火车的运动方向相反, 则应将球的速度减去火车的速度。

然而,在爱因斯坦看来,对于光或以光速运动的任何东西而言, 关于速度的上述算法并不适用。在这种情况下,速度不应相加或相减, 而是应当保持不变。

倘若情况果真如此,那就意味着一个物体运动得越快,其母体 (即抛出它的那个“源”物体)的速度对它的影响就越小。当物体的 速度达到光速时,源的速度就对它影响全无了。爱因斯坦研究出一个 公式,表明源的速度究竟应该怎样加到一个物体的速度上,或应该怎 样从一个物体的速度中扣除,取决于这两个物体彼此间是如何相对运 动的,以及相对运动得多快。

他还推断,随着速度的增大,物体在运动方向上将会缩短;它们 的质量将变得更大;它们经历的时间将会变慢;任何具有质量的物体 (例如,我们自身和我们的宇宙飞船)都不可能运动得比光速还快。

所有这些似乎都与“常识”相悖,而且难以置信,这是因为我们 周围物体的运动速度都远小于光速,所以我们习惯于用简单的算术将 速度相加或相减。然而,当科学家们开始研究速度极快的物体(诸如 加速中的亚原子粒子)时,他们却发现在所有的事例中,爱因斯坦的 推论总是正确的。要是爱因斯坦的推论不对的话,高能加速器所做的 工作就不会是现在这个样子;原子弹也不会爆炸了。

当然,如果这些推论正确的话,我们就不得不认为原先的假设必 定也是正确的。你从错误的假设得不到正确的推论。但是,这项假设 以及由此得出的推论有可能只是几乎正确无误。如前所述;这将会 驱使我们去寻求比相对论更好的东西。因此科学家们老是要检验这项 推论。

好吧,1987年2月,离我们大约16万光年的一颗爆发成为超新星的 恒星发出的光终于抵达我们这里。这颗超新星发出的“中微子”(以 光速行进的无质量的亚原子粒子)也到了我们这里。爱因斯坦的假设 对中微子同样成立。无论源的速度如何,它们均以相同的速度行进。

一颗爆发恒星的每个部分都向四面八方发射中微子。某些中微子 朝我们所在的方向射来,我们可以探测它们——因为中微子是极难探 测的,所以不会探测到很多。

这颗爆发恒星的碎屑运动的速度达光速的若干分之一。有些碎屑 迅速地远离我们而去,另一些碎屑则同样迅速地朝向我们而来。其他 碎屑同样迅速地朝两者之间的所有方向运动着。如果速度只是相加或 相减,那么远离我们而去的那些爆发碎屑发出的中微子朝我们这个方 向运动的速度,将会比朝向我们而来的那些碎屑射来的中微子慢得多, 抵达我们这里的时间也将晚得多。另一方面,如果源的速度并不影响 中微子的速度,那么所有的中微子就应该严格地在相同的时刻抵达我 们这里,无论它们来自这次爆发的哪一部分均应如此。

天文学家们探测到了19个中微子,它们全都在一阵12秒钟的爆发 中抵达探测仪器,没有一个来得更早,也没有迟到的。这些中微子已 经旅行了16万年(以光速运动的粒子,行进1光年的距离要花1年的时 间)。每一年有3155万秒钟。这就意味着这些中微子已经旅行了5万亿 秒,而它们彼此间却仅仅拉开了12秒钟。

波士顿大学的肯尼思·布雷彻(Kenneth Brecher)和约奥·L· 扬(Joao L. Yun)利用对这些中微子的观测资料,证明了它们表征着 爱因斯坦假设的精确程度优于一千亿分之一。这又意味着光速(299793 千米/秒)即便可能发生变化的话,至多也不过是每秒两三毫米而已。

这是自从光速不变这一假设首次提出以来的84年中,爱因斯坦理 论所曾经受过的最严峻的检验。这样,相对论看起来比先前任何时候 都更加正确。

新疆域 FRONTIERS

[美]艾萨克·阿西莫夫 著 上海科技教育出版社 1999.12

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宇宙学新疆域(FRONTIERS OF UNIVERSE),卞毓麟 何妙福 译

相对论之检验

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作者 tuenhai:这个星球上对大道理解最为深刻的人,著有《道解相对论》《圣医治国——黄帝内经客观点评》《理性即慧根》《父母怎么教育孩子》。咨询微信或QQ (备注 tuenhai.com)

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