相对论“时间膨胀”现象浅说（五）

大众媒体和相对论教科书经常说，在高能加速器中狭义相对论每天都在受到检验和被证实。这种说法主要来自两个方面，一是“时间膨胀”，二是“运动质量增加”。本博文介绍一下“时间膨胀”的实验证据，下面是最常提到的几类实验。

一、高速运动的不稳定粒子的寿命

     第一个实验是对m子寿命的观察（Rossiet al. 1940）。一般认为m子是宇宙线轰击在大气电离层形成的，m子的寿命在“静止”时平均约为2.2x10^-6秒。m子最先是在宇宙线中发现的。宇宙线轰击地球大气的电离层产生大量的m子，这可以由高空探测器测得。宇宙线产生的m子能量很高，也就是速度很快，可以达到0.99c的速度。如果运动m子的寿命也为2.2x10^-6秒，即使以光速向地面运动，也不会有几个m子能到达地面。然而地面上的探测器仍能监测到相当多的m子，如果按洛伦兹假说，运动时钟变慢似乎可以解释这一现象。因此，这一现象被用作证实狭义相对论正确的实验证据之一。Frisch和Smith（1963）做了更精确的实验，他们比较了1907米高的华盛顿山上测到的m子数（563/小时）与马萨诸塞州堪布里奇平地上测到的m子数（412/小时），认为这一结果符合相对论时间膨胀的预言。

     加速器中产生的其他不稳定粒子也被用来检验“时间膨胀”。最早的实验是杜宾等人（Durbin et al 1952）对高速p⁺介子的寿命的观察。“静止”p⁺介子的平均寿命约为2.5x10^-8秒。p⁺介子衰变成为m⁺子和一个中微子。杜宾等人报道当p⁺介子的速度为0.99995c时，p⁺介子的平均寿命为2.5x10^-6秒，即为静止p⁺介子固有寿命的100倍。《伯克利物理教程》引用这一工作作为证实狭义相对论“时间膨胀”正确的实验证据。Burrowes等人（1959）用K介子做了类似观察。迄今，p⁺介子、K介子和m子高速时寿命观察已被多次重复，结果均符合洛伦兹的“时间膨胀”公式。

二、飞行原子钟的实验

“时间膨胀”的另一个经常引用的实验证据是飞行原子钟的实验（Hafeleand Keating，1972）。这个实验由Hafele和Keating主持。原子钟由飞机携带分别向东和向西飞行，一共使用了4个原子钟，用它们的平均时间进行比较，目的是这样可以减少单个原子钟相对于华盛顿市的标准钟站的基线漂移变化。总的实验期为26.5天。东向飞行在实验开始10天后开始，西向飞行的开始比东向飞行的开始晚9天，东向飞行共65.4小时，西向飞行80.3小时。根据实验者对狭义相对论的理解，四个飞行原子钟的平均时间与标准钟站的时间比较，预计东向飞行时比地面时间将减慢-40ns，西向飞行将加快+275ns（向东飞行：地球引力引起的“广义相对论性”时间改变为+144±14ns，相对运动速度引起的时间改变为-184±18ns，其中包括“狭义相对论性时间膨胀”的时间改变-51ns和Sagnac效应的时间改变-133ns，净改变为-40±23ns；向西飞行：地球引力引起的“广义相对论性”时间改变为+179±18ns，相对运动速度引起的时间改变为+96±10ns，其中包括“狭义相对论性时间膨胀”的时间改变-47ns和Sagnac效应的时间改变+143ns，净改变为275±21ns）。Hafele和Keating报告了-59±23ns和+273±7ns的结果。他们的这一结果被广泛欢呼为对狭义相对论“时间膨胀”的支持。

马里兰大学的Alley等人在1975-1976年做了更细致飞行原子钟实验，但是他们的实验远没有Hafele和Keating实验有名。他们报道的结果也符合洛伦兹的“时间膨胀”公式。

1996年在Hafele和Keating实验25周年时，英国国立物理实验室(NPL)将比Hafele和Keating用的更精密的原子钟从伦敦飞到美国华盛顿市再返回。他们报道结果也符合洛伦兹的“时间膨胀”公式。2010年6月，英国国立物理实验室(NPL)重复了环球飞行原子钟实验，飞行路线为伦敦-洛杉矶-奥克兰-香港-伦敦。“时间膨胀”预计值为246±3ns，测定值为230±20ns，实验误差内非常一致。

三、Ives-Stilwell实验

主要测量运动离子发光或吸收光的多普勒效应变化。Ives和Stilwell用的氢离子，现代实验多用锂离子。这类实验证明运动离子发光或吸收光的多普勒公式与相对论多普勒公式一致，与经典多普勒公式不一致。Ives是洛伦兹以太理论的坚定支持者，反对爱因斯坦的相对论。相对论多普勒公式与经典多普勒公式的不同，可以认为是时间膨胀造成的。因此，检验相对论多普勒公式也是对时间膨胀的检验。

四、穆斯堡尔转盘实验

穆斯堡尔转盘实验可被用来检验相对论多普勒效应，主要是横向多普勒效应。相对论横向多普勒效应是时间膨胀的后果，因此，检验横向多普勒效应也是检验时间膨胀效应。穆斯堡尔转盘实验一般都认为符合相对论的结论，但也有一些异议。

以上关于“时间膨胀”的实验都符合洛伦兹的时间膨胀公式。它们能证明狭义相对论“时间膨胀”结论的正确吗?这里的一个关键问题是它们不能区分洛伦兹理论和爱因斯坦的狭义相对论。洛伦兹理论和爱因斯坦的狭义相对论对地面系的预言是相同的，不同的是对（相对地面系的）运动系的预言。洛伦兹理论认为运动系发现地面系时钟相对变快，爱因斯坦的狭义相对论认为运动系发现地面系时钟变慢。在洛伦兹理论中，运动系和地面系的时间效应是不对称的。在爱因斯坦的狭义相对论中，运动系和地面系的时间效应是对称的。迄今还没有（相对地面的）运动系观察地面系的任何实验。