互动科普

相对性原理＋光速不变原理＝时间伸缩

前面介绍了相对性原理和光速不变原理，现在就根据这两个原理来导出“以接近光速的速度运动时间变慢”的结论。

假定在某个行星的表面有一名宇航员，名叫爱丽丝，她正在观察一艘以光速80%的速度飞行（匀速直线运动）的宇宙飞船。飞船上也有一名宇航员，名叫鲍勃。

在爱丽丝的近旁和鲍勃的近旁分别有一台高度为30万千米的光时钟。光时钟是一个内部为真空的圆筒，下端安装有一个光源。在指示时刻为“0秒”的瞬间，从下端向正上方发射一束光（光脉冲）。光束到达上端的瞬间指示时刻为“1秒”。

图：在行星表面的爱丽丝观测到的情况，宇宙飞船以80%的光速行进

飞船内和飞船外看见的光的轨迹不同

那么，根据前面关于相对性原理的说明，飞船内部的鲍勃将看见光束笔直向上行进（2）。而且，根据光速不变原理，鲍勃看见的光的行进速度是每秒30万千米。换句话说，鲍勃看见光束是在正好1秒后（指示1秒的时刻）到达光时钟的上端。

然而，在飞船外部的爱丽丝看见的情况却与鲍勃有所不同。当光在鲍勃的光时钟内行进时，飞船也在向前行进，因此，爱丽丝看见的鲍勃的光时钟内的光是向前倾斜行进。在爱丽丝看来，由于光在鲍勃的光时钟内的行进轨迹是倾斜的，那么光束从光时钟下端的发射地点到光时钟上端的到达地点之间的距离便要比光时钟的高度（30万千米）长一些。可是，根据光速不变原理，爱丽丝看见的鲍勃的光时钟内的光速仍然是每秒30万千米，于是，爱丽丝看见光束是在超过1秒之后才到达光时钟的上端。

换句话说，飞船内的光时钟从下端发射的光正好到达上端所经过的时间是1秒，由爱丽丝看到自己的时钟已经是1秒；在飞船内则还不到1秒（只经过了0.6秒）。这就是说，由爱丽丝看，在以接近光速行进的宇宙飞船内的时间的流动变慢了。

达到光速会如何？超过光速又会如何？

“运动速度越接近光速，时间变得越慢”，那么，运动速度达到光速会怎样？甚至超过光速又会怎样？

原来，根据相对论，物体的运动速度越接近光速，它的“重量”变得越大（正确的说法是“质量变得越大”），使之加速会变得越困难。这一点已经得到了在加速器（一种使电子等带电粒子加速的设备，研究高速粒子碰撞靶粒子时所产生的反应）等设备上所进行的实验的证实。

物体的速度如果无限接近光速的话，它的质量就会无限地增大。因此，除了质量为零的光（电磁波）是一个例外，任何物体的速度都不可能达到光速，更不可能超过光速。无限接近光的速度可以无限接近“时间流动停止（＝去到无限的未来）”的状态，但是时间绝不可能完全停止流动。

中微子的速度超过了光速？

但是，由欧洲核子研究中心（CERN）等机构组成的一个国际研究小组2011年底发表了他们的一项引起轰动的实验结果，声称他们在实验中观测到一种叫做“中微子”的基本粒子的速度超过了光速。不过，许多物理学家对于这个违反相对论的实验和分析结果都持怀疑态度。

同时也有人指出，假如中微子真的是一种“超光速粒子”，那么从原理上说，在某种特殊条件下，我们就有可能将中微子用作通讯工具而实现“同过去通讯”。

遗憾的是，中微子不属于构成我们人体和我们周围物体（全都由原子构成）的基本粒子。换句话说，即使中微子真的是以超过光速的速度行进，我们人类和宇宙飞船照样不可能以超光速行进。一般的看法是，利用超光速的中微子也无法实现回到过去的时间旅行（不是指传送讯息，而是指物体的时间旅行）。

（本文发表于《科学世界》2012年第5期）