不只是講給孩子的相對(duì)論

李淼

從去年二月到今年三月，我陸續(xù)出版了三本給孩子講物理系列，分別是《給孩子講量子力學(xué)》《給孩子講宇宙》和《給孩子講相對(duì)論》。其實(shí)，我已經(jīng)將這個(gè)系列的第四本《給孩子講時(shí)間簡(jiǎn)史》交給出版商，目前相應(yīng)的出版社正在審稿。我從來(lái)沒(méi)有在《小康》的“講點(diǎn)物理”專欄中提過(guò)這個(gè)系列，這一次，算是打一個(gè)廣告。

可能會(huì)有讀者問(wèn)，你為什么要在這個(gè)以成年人為主要讀者群體的專欄中提給孩子講物理系列，理由很簡(jiǎn)單，這套書(shū)既是寫(xiě)給孩子的，也是寫(xiě)給成年人的。不信，我現(xiàn)在將這本書(shū)最后一講中的一小部分稍微改寫(xiě)一下，看看大家是否覺(jué)得有意思。

在相對(duì)論中，愛(ài)因斯坦假設(shè)光速是不變的。什么意思呢？就是無(wú)論在地球上，還是在一個(gè)宇宙飛船里，如果你測(cè)量光速，結(jié)果都是一樣的，大約是每秒三十萬(wàn)千米。在愛(ài)因斯坦1905年的那篇著名論文中，他推導(dǎo)了光速不變這個(gè)假設(shè)的幾乎全部物理推論。一個(gè)推論就是運(yùn)動(dòng)的鐘變慢了，不僅是鐘變慢了，所有運(yùn)動(dòng)著的事物都變慢了，比如一個(gè)人的成長(zhǎng)。那么，物理學(xué)家是怎么證實(shí)這個(gè)令人震驚的結(jié)論的呢？我們自己想一想，找什么樣的東西來(lái)做實(shí)驗(yàn)最好？當(dāng)然是接近光速運(yùn)動(dòng)的物體。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，很多來(lái)自宇宙深處的基本粒子的速度跟光速相差不大。

在宇宙中，除了組成分子原子的電子和原子核，還有很多粒子，物理學(xué)家管它們叫基本粒子，因?yàn)樗鼈兿耠娮雍驮雍艘粯?，都非常非常小。在地球上存在的粒子之外，最早被發(fā)現(xiàn)的基本粒子叫謬子，謬是一個(gè)希臘字母的發(fā)音。這個(gè)粒子非常像電子，只是它比電子重了大約兩百倍。另外一個(gè)和電子不同的是，它壽命很短很短，只有五十萬(wàn)分之一秒?，F(xiàn)在，我們可以驗(yàn)證相對(duì)論了，因?yàn)橹囎拥奈迨f(wàn)分之一秒是它靜止不動(dòng)時(shí)的壽命。聰明的讀者馬上會(huì)說(shuō)，讓它以接近光速的速度運(yùn)動(dòng)，它的壽命就會(huì)變長(zhǎng)，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)起來(lái)的時(shí)鐘會(huì)變慢，看上去就像慢動(dòng)作，那么，一個(gè)粒子的壽命也是以“慢動(dòng)作”來(lái)展示的。

假如，我們想將謬子的壽命變成一秒鐘，讓我們能夠看到它，它的速度需要多大呢？謬子的速度只比光速慢了每秒五分之三毫米，想想看，光的速度是每秒三十萬(wàn)公里，這個(gè)差別實(shí)在太小了。快速奔跑中的謬子可以存活一秒鐘，那么，它就可以跑差不多三十萬(wàn)公里，科學(xué)家可以很容易看到它。

物理學(xué)家用實(shí)驗(yàn)證明了粒子的壽命確實(shí)變長(zhǎng)了，從而驗(yàn)證了相對(duì)論的正確性。愛(ài)因斯坦在提出狹義相對(duì)論之后不久，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)特別重要的事實(shí)。他說(shuō)，任何質(zhì)量都等價(jià)于能量。比方說(shuō)，我們會(huì)覺(jué)得一塊冰里面沒(méi)有什么能量，相反，它會(huì)吸收能量。但是愛(ài)因斯坦告訴我們，一塊冰里面含有巨大的能量。

愛(ài)因斯坦的這個(gè)發(fā)現(xiàn)，就是后來(lái)人們津津樂(lè)道的質(zhì)量與能量的關(guān)系，簡(jiǎn)稱質(zhì)能關(guān)系，它說(shuō)的是：一個(gè)物質(zhì)蘊(yùn)含的不可見(jiàn)的能量等于質(zhì)量乘以光速的平方！因?yàn)楣馑偈且粋€(gè)巨大的數(shù)字，因此任何一塊拿在手里的物質(zhì)里面都蘊(yùn)藏著巨大的能量。比方說(shuō)，我們只需要將百分之三克的物質(zhì)完全轉(zhuǎn)化為能量，就能將一艘航天飛機(jī)送到三萬(wàn)六千公里高的軌道。

以上我只是改寫(xiě)了《給孩子講相對(duì)論》里的一小部分，希望這一小部分能夠讓你覺(jué)得這本書(shū)對(duì)成年人來(lái)說(shuō)也是既有趣又易懂的。最后，我給大家透露一下給孩子講物理系列第四本書(shū)的主要內(nèi)容：我談了人類對(duì)時(shí)間的認(rèn)識(shí)，以及宇宙的起源，當(dāng)然，我還提到了宇宙中各種粒子和天體的壽命。

好了，廣告做完了。