光束骑士的狭义相对论课|第一课|钟慢和尺缩

本文根据 @Y.H 上面的两篇文章改编而成。希望小伙伴们帮忙看看有木有不好的地方。前段时间跟出版社聊了。她说建议我写整个跟理论物理有关的小说，不要局限在弦论上面，不然受众太少，另外建议不要放啥公式，毕竟看上去是写给孩子看的科普。奈何平时事儿太多，一忙起来半年都写不了了，所以这个事儿就放下了。唉，估计这个小说得推到很后面才能完成吧。说不定理论物理又发生了翻天覆地的变化了。今天突然有点时间，于是把之前小伙伴帮忙写的小说又按照我自己的语言组织了一下。

第二天清晨，这个小女孩坐在办公室的椅子上，她双颊通红，脸上带着幸福的微笑。可是，她已经死了，算死在圣诞节的夜晚，她手里仍紧紧的握着一支自动铅笔，桌上是堆积如山的草稿纸，压着两卷厚厚的破钦斯基。

-《做超弦的小女孩》

思思盯着黑板上又写满的公式，低头瞅瞅自己只记了一半的笔记，思考着到底是赶紧把笔记全抄完呢还是先跟着老师听，课后再找同学把笔记补起来。但就在她发现老师写的东西一个字也看不懂的时候，老师以迅雷不及掩耳之势擦掉了黑板，又开始了新一轮的写黑板。思思的头开始变沉了，眼皮也开始打架。哎哎，不行，千万不能睡着，要是被老师发现了就不好了。思思开始直直地盯着老师。可脑子里的瞌睡虫不管这套，使劲要把思思的眼睛合上，要把思思的头压下来。半晌，思思半屈服了瞌睡虫，于是微微眯上了双眼。但思思仍然奋力要听清楚老师在讲什么。虽然思思并不懂，但脑子里仍然传来了老师的声音。

“在相对论出现之前，人们认为时间和空间是各自独立的绝对的存在，自伽利略时代以来这种绝对时空的观念就开始建立，牛顿创立的牛顿经典力学和经典运动学就是在绝对时空观的基础上创立。而爱因斯坦的相对论在牛顿经典力学、麦克斯韦经典电磁学等的基础上首次提出了“四维时空”的概念，它认为时间和空间各自都不是绝对的，而绝对的是一个它们的整体——时空，在时空中运动的观者可以建立“自己的”参照系，可以定义“自己的”时间和空间（即对四维时空做“3＋1分解”），而不同的观者所定义的时间和空间可以是不同的。具体的来说，在闵氏时空中:如果一个惯性观者（G）相对于另一个惯性观者（G'）在做匀速运动，则他们所定义的时间（t与t'）和空间（{x,y,z}与{x',y',z'}）之间满足洛伦兹变换。而在这一变换关系下就可以推导出“尺缩”、“钟慢”等效应。钟慢效应就是说任何一个观测者都会认为与自己有相对速度的另外一个人的钟变慢了。而尺缩效应就是说对于任何一个参考系运动的物体的长度会在运动方向上收缩。”

但渐渐地，老师的声音消失了。黑板上头的那幅风景画慢慢变大。课桌椅变成了沙滩上的休闲椅。窗外的凉风袭来，很舒服。渐渐地，那幅风景画上的海变成了真的海，海浪一遍遍拍打着沙滩。沙滩上一片片亮晶晶地，可好看了。思思盯着亮闪闪的沙子入神。过了一会儿，沙子黯淡下来，思思又忍不住想朝着太阳的方向望去。就在这时，遮住太阳的云慢慢移开了，一道强光射下来，思思只得又扭回头去。

恍惚间思思好像看见了一个和蔼的老人朝她走过来。思思觉得肯定是刚才被强光弄伤了眼睛。于是闭上眼睛休息了一会儿。但过了一会儿睁开眼看。老人已经到了她的身边。老人满头白发，脸上的皱纹不禁透露了年龄。但他显得精神抖擞，目光炯炯有神。

思思好像认出了他是谁，但吃惊得说不出话来：“爱因斯坦”。

老人慈祥地笑了笑，说：“你猜得对。请叫我光束骑士。”。老人周围的金光突然变成了一辆金色自行车。

思思突然心中升起了一丝丝难过。难道我真的像那个《做超弦的小女孩》里面的那个小女孩一样已经死了么？不然怎么会看见已经去世了的物理学泰斗？

老人仿佛看穿了思思的心思。笑笑说：“不会的。我就是带你来我的世界旅游一番。自从我来到这个世界之后，我就一直以很快的速度骑着这辆车。终于实现了我小时候的梦想。”

“你去了哪些地方呀？”思思不禁有些好奇。

“我主要还是在太阳系附近活动。我还去过比邻星。”

“你怎么不去更远的地方旅游呢？”

“我当然以后会去，不过我怕我走得太快，回来的时候，时间到了尽头，整个人类都灭亡啦！”光束骑士得意地开始哼起了那首古老的小曲儿，“一沙一世界，一花一天堂，双手握无限，刹那即永恒。”

思思在前些天的语文课里面学过这首诗。她还清晰地记得这是是英国诗人威廉‧布莱克(William Blake)的作品《天真之歌》(Auguries of Innocence)里的诗句。思思觉得这首诗非常美，于是也一起轻声地哼了起来。思思不禁又和光束骑士聊了很多很多他在各个地方的见闻。思思对他提到的一种叫妙子的生物特别感兴趣。光束骑士说这是一种飞得很快的小鸟，但她们的生命很短暂，只有2.2微秒。虽然如此，她们的生命很精彩。她们告别这个世界的时候，每一只小鸟就会变成另外三只小鸟。她们的名字分别叫电子，反电中微子和妙中微子。不知不觉，时间就过去了，夜幕就快降临了。

突然思思注意到这些小鸟正在朝着他们的方向飞过来。光束骑士指着其中的一种给思思看：“她们就是妙子。”但思思注意到还有其他很多种别的小鸟，一时间眼花缭乱注意不过来。思思努力让自己把精力集中在妙子身上。于是她听到了妙子开心的声音。

思思心想，多可惜的小鸟，这么短暂的生命，就算她们的速度很快，接近于光速，一辈子也只能飞660米。虽然这儿的景色很美，可她们永远也不会知道在飞机上能看到多美的美景了。

妙子们仿佛气踹嘘嘘，互相说：“这穿越大气层的旅程也太累了。”

思思觉得很疑惑：“你们怎么凡尔赛也不打打草稿呢？你们才飞了六百多米。别以为我不知道。光束骑士告诉我你们的寿命只有2.2微秒。而老师在课上讲了，一切物体的速度都不能超过光速，所以你们最多最多只飞行了六百多米，你们竟然说自己穿过了大气层！你们知道什么是大气层吗？大气层可有15千米那么厚。”

妙子们觉得很疑惑，有那么厚么，于是对思思说：“大气层没那么厚，才660米呢。我们快到目的地的时候还遇到了很多国际航班。我们从它们中间穿过。”于是接着津津有味地描述航班上发生的一些故事。

思思觉得很疑惑，看她们的描述，好像并不像是在骗人啊。于是转头向光束骑士这边望过去。光束骑士解释道。她们说得没错。问题在于你和她们有很大的相对速度。所以，你用的表跟她们用的表速度不一样。同样的，你们用的尺子也不一样。你的50微秒只相当于她们的2.2微秒。而你的15千米只相当于她们的600米。思思想起老师上课真的是这么教的，还列出了如何计算钟慢的公式。于是恍然大悟。

“思思，你来回答这个问题”老师严厉的声音刺破夜空。眼前的一切突然消失了。“根据经典力学的速度公式，以2.2微秒的平均寿命计算，产生的μ子运动的平均距离只有约660米，这样一来似乎只有极少数的μ子能够穿过15千米的大气到达地面。但是事实上在海平面能够观测到的μ子事例（大约1000个/(平方米·分钟)）数量远高于这一预计，这是为什么呢？”

“这是由于狭义相对论的钟慢效应。2.2微秒是在μ子的静止系测得的。在我们的参考系里面，它们的寿命实际上是50微秒。另一个解释方法是尺缩效应。在μ子的系里观察，大气层实际上很薄，只有660米。”

老师很满意思思的回答。但又有一点没有抓到思思没有认真听讲的小失落。同学们都朝思思这边惊讶地望过来。要知道，思思前一秒钟还在熟睡当中呢。

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