电子是构成我们身体的重要粒子,我们应该感激它们。电子参与导电,当它们通过电线时,点亮灯泡,加热烤箱。μ子在许多方面与电子相同,只是质量更大些。科学家并不理解为什么自然界会存在μ子,它更像是电子的副本,却不参与地球和人类的构造。不管μ子存在的原因是什么,它在检验爱因斯坦相对论方面表现非常出色。因为它的寿命很短,而且质量很小,很容易加速到很大的速度。据我们所知,把一个μ子放在身边时,它的寿命大约是2.2微秒(一微秒是百万分之一秒),相比μ子,电子的寿命很长,没有限制。μ子死亡时,变成一个电子和一对叫作中微子的亚原子粒子。这里,我们只需要知道μ子死亡就可以了,不需要其他额外信息。在纽约长岛,有一个布鲁克海文国家实验室[23],实验室内有一台交替梯度同步加速器(AGS),这台设施为爱因斯坦理论的验证提供了了不起的实验。上世纪90年代末,布鲁克海文的科学家们制造了这台机器,他们产生一个μ子束,μ子以光速的99.94%在14米直径的圆环上循环。如果μ子在圆环中只能存活2.2微秒,那么它们只能跑15圈[24]。实际上,它们跑了400圈,这说明它们的寿命延长了29倍,达到60多微秒。实验事实说明爱因斯坦是对的,他走在真理的道路上。但他的理论能有多准确?
本章前面所讲的数学将在这里发挥作用了。我们刚才用它精确预测了以恒定速度运动的时钟比静止时钟变慢多少。因此,这里我们可以通过数学公式预测,当μ子以99.94%的光速运动时,时间会减慢多少,寿命又会延长多少。根据爱因斯坦理论,布鲁克海文μ子的时间将延长倍,其中。按下手边的计算器,验证下,你会发现γ等于29,和布鲁克海文的实验人员发现的完全一样。
我们值得在这里稍作停留,思考下发生了什么。根据勾股定理和爱因斯坦关于光速不变的假定,我们导出了一个数学公式。它赋予我们预测亚原子粒子寿命延长的能力。当一个称为μ子的亚原子粒子在布鲁克海文的粒子加速器中加速到99.94%光速的速度时,我们计算出它的寿命应该是静止μ子寿命的29倍。这一预测与布鲁克海文的科学家所测到的数值完全一致。这就是物理学的天地,你思考得越多,它就越精彩。当然,在20世纪90年代,爱因斯坦的理论早已成熟。布鲁克海文的科学家们更关注μ子的其他性质。爱因斯坦理论的寿命延长效应给他们提供了额外的好处,这意味着他们有了更多的时间对μ子进行观察。
根据实验,我们不得不得出这样的结论:时间是可拉伸的。它流失的快慢因人而异(因μ子而异),取决于他们的运动状态。
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