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发信人: emacs (被淹死的鱼), 信区: Science
标  题: 《新疆域》相对论之检验
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年06月15日16:00:02 星期六), 站内信件


                        相对论之检验

    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。


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