8.4 微觀世界

前面，我們通過導彈矩陣推演了相對論效應的發生過程，那么，一個普通的物體也會在運動時發生這樣的收縮嗎？接下來，我們就進入微觀世界，從原子內部看一看，當我們把一個正方體的氯化鈉晶體推動起來后，微觀尺度的各個原子之間究竟會發生怎樣微妙的變化，整塊晶體又是如何在運動方向上發生收縮的。之所以選擇氯化鈉晶體，也是因為它的空間結構非常簡單，氯離子和鈉離子間隔排布，同樣組成了一個標準的矩陣。

在討論相對論效應之前，我們首先要知道，為什么在溫度壓強不變的條件下，氯化鈉會保持著相對穩定的晶體形狀呢？原因在于：無論是氯原子還是鈉原子，原子核都是帶正電的，因此原子核和原子核之間充滿了斥力，但由于核外電子是帶負電的，每一個電子都會同時對兩個原子核產生吸引力。在引力和斥力的共同作用下，原子核和原子核之間會保持一個適當的距離，離子和離子之間也保持著恰當的角度，而引力和斥力也保持著適度的平衡，于是物體就可以保持相對穩定的形狀。如果物體被壓縮，原子核之間的距離縮短，則原子核和原子核之間就會表現出斥力，如果物體被拉伸，原子之間的間距增大，則原子核和電子之間的引力又會表現出來。但既然如此，原子間就應該保持穩定的間距，氯化鈉晶體為什么又會隨著速度的增加，在運動方向上發生收縮呢？

這又和原子核之間保持間距的具體方式有關，我們不妨站在每一個原子的角度考慮一下：每個原子憑什么知道和另一個原子和自己的間距是多少呢？難道每個原子還需要在自己的腰里別上一把尺子嗎？這顯然是不可能的！按照量子力學的最新解釋：原子核之間，以及原子核和核外電子之間的電磁力，都是由于交換虛光子產生的。所謂虛光子就是與光子類似的靜質量為0的基本粒子，它可以在真空中以光速運動，并像光子一樣帶有一定的能量，只不過它不能通過傳統的光學手段測量，因此被稱為虛光子。原子核之間如何依靠虛光子維持自己的間距呢？如果我們把兩個原子核比作兩個玩兒籃球的孩子，那么虛光子就是他們之間拋來拋去的籃球。整個過程如圖8-10所示：

由于兩個孩子喜歡一起玩兒，所以他們之間存在著引力，在引力的作用下，兩個孩子的距離會越來越近，但他們又需要互相拋球，當籃球在他們之間拋來拋去時，就會在彼此之間產生一定的斥力。假設籃球的運動速度保持不變，如果兩個孩子不斷接近，那么在同一時間內，籃球在他們之間往返拋射的次數就越來越多，籃球撞擊他們二人的頻率也就越來越高，所以兩個孩子之間的斥力就會越來越大，一旦斥力超過了引力，兩個孩子就會相互遠離；相反，如果兩個孩子的距離被拉的太遠了，籃球往返拋射的頻率就會降低，斥力就會大大減小，因此兩個孩子又會在引力的作用下離的更近一些。因此，在籃球的作用下，兩個孩子總會保持一個恰當的距離。同理，由于虛光子在真空中傳播的速度始終等于光速，所以兩個原子核之間的距離就可以通過相互拋射虛光子的頻率決定。

通過上述分析，我們清楚的發現：在氯化鈉晶體之中，氯離子、鈉離子排列為標準的矩陣型，他們之間每時每刻都在相互拋射著虛光子，并通過虛光子發射和返回的頻率決定著彼此的間距。由此看來，原子內部的微觀模型與導彈陣列的宏觀模型幾乎完全一致：導彈之間相互發射定位光波，通過光波發射返回的頻率判斷彼此的間距；原子核之間相互拋射虛光子，通過虛光子的頻率來判斷彼此的間距。它們之間唯一的差別在于，氯離子和鈉離子內部沒有安裝發動機，它們并不會在接收到指令以后主動前進，而只能在外力的作用下移動。接下來我們就分析一下，如果在氯化鈉晶體的左側施加一個推力，原子內部又會發生怎樣的變化：

在左側推力的作用下，晶體最左側的一列原子首先獲得了一定的速度開始右移，而它和右側緊鄰的一列原子之間的距離也開始縮短，它們之間相互交換虛粒子的頻率不斷增加，于是緊鄰的一列原子感受到了更強的斥力，獲得了一定的加速度，隨后也開始向右運動。按照同樣的規律，這列原子向右運動，繼續推動了右邊的下一列原子前進。在整塊氯化鈉晶體中，每一列原子自左向右的逐漸開始加速，逐漸開始移動，當外力消失以后，加速過程也逐漸停止，最終所有原子的速度會趨于一致。現在的問題在于：在所有原子都保持某一速度向右前進的過程中，原子的水平間距還是否能夠恢復到靜止時的長度？不能！要理解這一點，我們需要重新回顧每個原子加速的過程：

對于立方體晶體中的每個原子而言，它的上下左右前后都各有一個原子，當整塊晶體靜止時，這6個原子都會和中間的原子保持完全相同的間距。如圖8-11所示：在外力的作用下，當第一列原子開始運動時，對于緊鄰它的第二列原子而言，周圍的5個原子間距完全沒有改變，有且僅有左側的一個原子發生了移動，因此，它與其他5個原子的引力和斥力都是平衡的。只是在左側原子的斥力作用下，它還是會被迫向右移動。而當第二列原子開始移動以后，它與右側的第三列原子之間的距離也就縮小了，此時左右兩側的原子間距都不可靠了，于是它只能以上下前后的四個原子間距為標準來調整左右兩原子之間的間距。

在上述分析過程中，我們只分析了左側的一顆原子，實際上，左側的所有原子都會同步運動。在此過程中，盡管從我們的視角來看，上下的每一顆原子都是同時移動的，但如果我們站在其中的任意一顆原子上來看，上下兩顆的原子的移動都有一定的延時，這導致虛光子在上下兩個原子之間的發射周期變長，因此在原子尺度內，相對論時鐘變慢的效應首先顯現了出來，如果以變慢了的時鐘為標準來協調左右兩個原子之間虛光子的發射頻率，就會導致原子之間的空間間隔變短，從而最終出現整塊晶體在運動方向上空間收縮的效應。

以上就是微觀視角上相對論尺短鐘慢效應的根本原因。那么，相對論的尺短鐘慢效應是一種絕對的效應嗎？運動的時鐘變慢是否意味著靜止的時鐘變快，運動的剛尺變短是否意味著靜止的剛尺變長呢？要想了解這個問題，我們還需要詳細梳理一下狹義相對論的一系列悖論。