《重读相对论》8.4 微观世界

8.4 微观世界

前面，我们通过导弹矩阵推演了相对论效应的发生过程，那么，一个普通的物体也会在运动时发生这样的收缩吗？接下来，我们就进入微观世界，从原子内部看一看，当我们把一个正方体的氯化钠晶体推动起来后，微观尺度的各个原子之间究竟会发生怎样微妙的变化，整块晶体又是如何在运动方向上发生收缩的。之所以选择氯化钠晶体，也是因为它的空间结构非常简单，氯离子和钠离子间隔排布，同样组成了一个标准的矩阵。

在讨论相对论效应之前，我们首先要知道，为什么在温度压强不变的条件下，氯化钠会保持着相对稳定的晶体形状呢？原因在于：无论是氯原子还是钠原子，原子核都是带正电的，因此原子核和原子核之间充满了斥力，但由于核外电子是带负电的，每一个电子都会同时对两个原子核产生吸引力。在引力和斥力的共同作用下，原子核和原子核之间会保持一个适当的距离，离子和离子之间也保持着恰当的角度，而引力和斥力也保持着适度的平衡，于是物体就可以保持相对稳定的形状。如果物体被压缩，原子核之间的距离缩短，则原子核和原子核之间就会表现出斥力，如果物体被拉伸，原子之间的间距增大，则原子核和电子之间的引力又会表现出来。但既然如此，原子间就应该保持稳定的间距，氯化钠晶体为什么又会随着速度的增加，在运动方向上发生收缩呢？

这又和原子核之间保持间距的具体方式有关，我们不妨站在每一个原子的角度考虑一下：每个原子凭什么知道和另一个原子和自己的间距是多少呢？难道每个原子还需要在自己的腰里别上一把尺子吗？这显然是不可能的！按照量子力学的最新解释：原子核之间，以及原子核和核外电子之间的电磁力，都是由于交换虚光子产生的。所谓虚光子就是与光子类似的静质量为0的基本粒子，它可以在真空中以光速运动，并像光子一样带有一定的能量，只不过它不能通过传统的光学手段测量，因此被称为虚光子。原子核之间如何依靠虚光子维持自己的间距呢？如果我们把两个原子核比作两个玩儿篮球的孩子，那么虚光子就是他们之间抛来抛去的篮球。整个过程如图8-10所示：

由于两个孩子喜欢一起玩儿，所以他们之间存在着引力，在引力的作用下，两个孩子的距离会越来越近，但他们又需要互相抛球，当篮球在他们之间抛来抛去时，就会在彼此之间产生一定的斥力。假设篮球的运动速度保持不变，如果两个孩子不断接近，那么在同一时间内，篮球在他们之间往返抛射的次数就越来越多，篮球撞击他们二人的频率也就越来越高，所以两个孩子之间的斥力就会越来越大，一旦斥力超过了引力，两个孩子就会相互远离；相反，如果两个孩子的距离被拉的太远了，篮球往返抛射的频率就会降低，斥力就会大大减小，因此两个孩子又会在引力的作用下离的更近一些。因此，在篮球的作用下，两个孩子总会保持一个恰当的距离。同理，由于虚光子在真空中传播的速度始终等于光速，所以两个原子核之间的距离就可以通过相互抛射虚光子的频率决定。

通过上述分析，我们清楚的发现：在氯化钠晶体之中，氯离子、钠离子排列为标准的矩阵型，他们之间每时每刻都在相互抛射着虚光子，并通过虚光子发射和返回的频率决定着彼此的间距。由此看来，原子内部的微观模型与导弹阵列的宏观模型几乎完全一致：导弹之间相互发射定位光波，通过光波发射返回的频率判断彼此的间距；原子核之间相互抛射虚光子，通过虚光子的频率来判断彼此的间距。它们之间唯一的差别在于，氯离子和钠离子内部没有安装发动机，它们并不会在接收到指令以后主动前进，而只能在外力的作用下移动。接下来我们就分析一下，如果在氯化钠晶体的左侧施加一个推力，原子内部又会发生怎样的变化：

在左侧推力的作用下，晶体最左侧的一列原子首先获得了一定的速度开始右移，而它和右侧紧邻的一列原子之间的距离也开始缩短，它们之间相互交换虚粒子的频率不断增加，于是紧邻的一列原子感受到了更强的斥力，获得了一定的加速度，随后也开始向右运动。按照同样的规律，这列原子向右运动，继续推动了右边的下一列原子前进。在整块氯化钠晶体中，每一列原子自左向右的逐渐开始加速，逐渐开始移动，当外力消失以后，加速过程也逐渐停止，最终所有原子的速度会趋于一致。现在的问题在于：在所有原子都保持某一速度向右前进的过程中，原子的水平间距还是否能够恢复到静止时的长度？不能！要理解这一点，我们需要重新回顾每个原子加速的过程：

对于立方体晶体中的每个原子而言，它的上下左右前后都各有一个原子，当整块晶体静止时，这6个原子都会和中间的原子保持完全相同的间距。如图8-11所示：在外力的作用下，当第一列原子开始运动时，对于紧邻它的第二列原子而言，周围的5个原子间距完全没有改变，有且仅有左侧的一个原子发生了移动，因此，它与其他5个原子的引力和斥力都是平衡的。只是在左侧原子的斥力作用下，它还是会被迫向右移动。而当第二列原子开始移动以后，它与右侧的第三列原子之间的距离也就缩小了，此时左右两侧的原子间距都不可靠了，于是它只能以上下前后的四个原子间距为标准来调整左右两原子之间的间距。

在上述分析过程中，我们只分析了左侧的一颗原子，实际上，左侧的所有原子都会同步运动。在此过程中，尽管从我们的视角来看，上下的每一颗原子都是同时移动的，但如果我们站在其中的任意一颗原子上来看，上下两颗的原子的移动都有一定的延时，这导致虚光子在上下两个原子之间的发射周期变长，因此在原子尺度内，相对论时钟变慢的效应首先显现了出来，如果以变慢了的时钟为标准来协调左右两个原子之间虚光子的发射频率，就会导致原子之间的空间间隔变短，从而最终出现整块晶体在运动方向上空间收缩的效应。

以上就是微观视角上相对论尺短钟慢效应的根本原因。那么，相对论的尺短钟慢效应是一种绝对的效应吗？运动的时钟变慢是否意味着静止的时钟变快，运动的刚尺变短是否意味着静止的刚尺变长呢？要想了解这个问题，我们还需要详细梳理一下狭义相对论的一系列悖论。