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狭义相对论

时间膨胀是说时间并不是永远以人们感受到的现在的这种速度进行的，它也会发生变化。它一般是和速度有关的.速度越快，越接近于极限速度，时间就会越慢(这里有个名词：极限速度，人们所处宇宙的极限速度是光速，但并不是所有的宇宙其极限速度都是光速，可能更快。也可能更慢。举个设想的例子说吧，假如有一个人一分钟的心跳是60下，当他高速运动时，如果速度足够大，他的心跳可能会变成40下，20下，甚至更慢.因为随速度的增加，他的时间变慢了。他自身的新陈代谢也随之变慢。这样,相对于他的时间就发生了膨胀。

时间膨胀-发现过程

人么通常会认为，光波的速度因与人们运动的方向相同或相反或取各种中间角度而有所不同。令人惊奇的是，爱因斯坦却认为事实上不会是这样。20世纪初，爱因斯坦就认识到，人们的时空观并不完善。他是通过分析电和磁相结合产生电磁辐射（例如光辐射）特性的规律得出这个结论的。他认为，如果光在一切测量中具有协调一致的特性的话，在物理学中光速必定扮演着主要角色。特别是，真空中的光速必须不变，无论光源和观察者做什么样的相对运动，真空光速总是每秒三十万千米。

时间膨胀-牛顿与爱因斯坦的对立

17世纪，牛顿曾提出过一个相对性的经典说法。当时他主张，作为参照基准的参考框架，无论做什么样的匀速直线运动，都不会对实验（包括物理的运动）产生影响。爱因斯坦认为这种说法与他的电磁学理论格格不入，当他试图搞清楚以光速运动的观察者所看到的光波将会是什么样时，他遇到了纠缠不清的情景。于是他清醒地认识到，为了在物理学领域取得协调一致的答案，就不能把空间只是看成供我们生活居住的容器。它还必须具有某些特性，例如人们以高速运动时，时间尺度将会改变，同时，空间尺度也会改变。在这个意义上，空间和时间是缠绕在一起的，空间和时间原是同一件事物不同的相对表现形式。牛顿的绝对时空就是哲学或人们通常意义上所感受的时空，即在每一刻，都对应整个宇宙的某一态。从牛顿的绝对时空看来，这星光传播过程中，时间就一直在变大，在膨胀。现今世界上最具权威的美国《科学》杂志，最近一期一篇文章明确指出，宇宙膨胀不是光的多谱勒效应，是时空本身的膨胀，而实际天文观测证实的，包扩哈勃红移在内，都是时间膨胀的结果，其它都是围绕时间的膨胀展开的理论分析和推测。分析时间的膨胀，就涉及时空本质的理解，就物理学而言，我们就有两种时空：牛顿的和爱因斯坦的。

牛顿的时空称绝对时空，表面看起来。它的时间和空间是毫不相关的，实际上。从它的引力所具有的无限大速度的假设,可以知道，牛顿的绝对时空就是哲学或人们通常意义上所感受的时空，即在每一刻，都对应整个宇宙的某一态。从宇宙的各向同性和平滑性，知这一刻对一态虽然在观测上不可行，但理论和人们思维上却是可行的。空间的三维始终应对时间的一维，这是用思维观时空，是横向看时空，空间的三维和时间的一维一一对应，我称之为三一时空。三一时空的同时性并不是没有物理实质，如产生了量子纠缠的量子所具有的同时性。爱因斯坦的时空称相对时空，它以观察者为核心，强调可观察，是用眼睛看时空，以光速为极限，将过去和现在联系在一起，是纵向看时空，时间和空间缠绕在一起，人称四维时空。爱因斯坦曾有过一个设想，当一个人以光速运动时，一道光在人眼前穿过，这个人所看到的光应为弯曲的。

空间性质的改变也能造成时间的延长，比如光不从空气中而从水中传播，接收者就会发现时间延长了。由热力学第二定律看，时间是不可逆的，空间尽管是真空，随时间的性质变化也是不可逆的。真空性质能有什么变化？真空的电场磁场引力场总在，电向磁的变化，引力的变化都是不可逆的。宇宙的星系一直都在不断变化中，空间的性质也在不断变化中。就地球而言，地球在诞生时空间还没有大气，也不是一个蓝色星球；现在地球的温室效应，地球膨胀引起的空间的膨胀，都会产生空间性质的变化，同样会产生时间膨胀效应。空间本身由电向磁的转换，即由红向蓝的转变，就当然地造成红移，时间的膨胀。也许这一切分析都是多余的，时间的膨胀就是时间的膨胀，从被观察物体到观察者，横向看时空，就有时间膨胀发生；太阳光到地球就有红移发生，不能也不要把时间变换成人们能理解的空间的什么东西，这样会犯错误的。道可道,非常道;时间是我们永远猜不完的谜。

时间膨胀-应用方法

事实上，相对论现象的特性由物体速度与光速平方之比这样一个比率来决定。当所研究的物体的运动速度超过光速的十分之一时，这个比率才变得重要，因为此时该比率增大到百分之一以上。这样的高速领域几乎只局限在高能物理学家们的经验中。由于人们通常不会涉及这样高的速度，所以狭义相对论的许多结论都使我们感到惊奇。实际上，这些结论确实有些复杂，但早已证实了狭义相对论的完美，并且在处理低速运动时又几乎严格地与人们所熟悉的物理规律一致。时间膨胀对于未来的宇宙探索，旅行等都有巨大的作用，而它也不断出现在科幻小说家的笔下，并有了许多优秀的作品。

时间膨胀-相关试验

1、实验原理使用传统所用的摆钟，要比较“动钟”和“静钟”的快慢，不可回避地存在一个“二次相遇”的难题；但是对于原子钟而言，这个问题已经不复存在。爱因斯坦在1952年为《狭义与广义相对论浅说》英译本第15版添加的“附录”中写道：“我们可以将发出光谱线的一个原子当作一个钟”（2-P106），实际上原子钟仅指原子本身而已，跟那结构相当复杂的“钟体”并没有关系。这样一来，我们就有了在实验室内完全静止的条件下比较两台“原子钟”快慢的前提。只需要知道两台原子钟工作时的温度差异，就可以定性地获悉两台钟铯原子喷射速度的大小；如果知道两台钟铯原子喷射的具体速度，就不难定量地测出△ν和△V之间的对应关系。依据两个展开式可知：如果△ν∝△V，用（1）式解释是正确的；反之用(2)式解释是正确的。2、实验条件选取两台频率一致性和长期稳定性均在10-13量级以上的铯钟，条件是己知两台钟工作时的温度、最好是铯束喷射速度存在较大差异。只需要将两台钟和比相仪或时间间隔器相联结，经过一定的时间间隔就可以依据记录曲线判定哪种解释是正确的。3、预期结果实验结果可以证明：狭义相对论揭示出的横向多普勒频移，应该是频率增大、即向光谱的蓝端移动；正确的解释应该是“时间收缩”，或曰“运动时钟变快”。

时间膨胀公式

时间膨胀-自然效应

时间膨胀（变慢）效应是狭义相对论的基本组成部分之一，讲的是在两个相对作等速运动的坐标系内，存在着时间相互膨胀的现象。狭义相对论问世以来，为了验证这个理论的正确性，很多的物理学家从不同的角度进行过各种实验，虽然实验方法不相同，但按其性质大致可分为以下几类：

时间膨胀

（1）多普勒频率移动效应例如IvesStilwell所作的氢离子极隧射线实验[1]、Olin等人[2]利用运动原子核发射射线的实验。Pound和Rebka利用穆斯堡尔效应所作的实验[3、4][5]、Champeney和Moon[6]Kündig[7]以及其它一些工作[8、9]等都证实了横向多普勒效应的存在。而这种横向多普勒效应则被认为是时间膨胀的结果。（2）原子钟飞行实验[10]原子钟环绕地球飞行时，向东飞行的原子钟发现地面上的原子钟走得慢一些，而向西飞行的原子钟则比地面上的钟要快一些。实验者认为，这是因为向东飞行的原子钟的实际运动速度，大于向西飞行的原子钟的运动速度。实验结果被宣称为狭义相对论时间膨胀理论的证明。（3）运动介子寿命延长现象π介子和μ介子以接近光速运动时，寿命显著大于“静止”介子的寿命。这种实验结果也被看作为时间膨胀效应的证明[11、12、13]。作者认为以上三类实验只能看成时间效应的间接证明，并非时间效应的直接证明。

因为：a.横向多普勒效应的产生虽然有可能是因为时间膨胀所引起的，但也有可能是其它物理原因所引起的，和相对论的符合也许只是一种巧合，作为相对论的实验依据是不充分的。b.飞行原子钟也存在着同样的问题，因为时钟变慢不等于时间变慢。时钟变慢可能是时间变慢引起的，也可能是其它物理原因引起的，如果飞船上放置的不是原子钟，而是伽利略式的摆钟，由于高空重力加速度小于地面的重力加速度，摆钟的周期也将加大，这种现象是否也可以说成是时间变慢的效应。c.关于介子寿命延长一类的实验，同样存在着不少疑问。首先要问进入铅版的介子是立即转变为静止介子，还是需要一个减速的过程？速度较高的粒子其减速时间和速度较低粒子的减速时间是否相同？还要进一步问一下，节子蜕变为其它粒子时是达到静止状态以后才发生的还是减速到一定能阀后但尚未达到静止状态以前就发生？换句话说“静止”介子是否存在就是一个值得探讨的问题。也许运动的介子其寿命本来可以是很长的，由于和其它物质相互作用，使其速度减小，当达到某一能阀时产生蜕变。所以这类实验也不能充分证明相对论的时间变慢效应。d.如果说上述各项实验的确证实了时间变慢效应，也只是证明了某一特定的坐标系内存在这种效应，而相对论的时间膨胀效应是在两个坐标系内相互发生的。

某一特定的（脱离观测者的）坐标系中，是一种绝对效应。正如前面已经指出的，飞行原子钟变慢的效应并不等于时间变慢，这是再次强调的问题。我们还可以设想，如果实验结果是飞行原子钟与地面原子钟走得一样快，相对论又会说这是因为向东和向西飞行的原子钟与观测者的相对速度一样。也就是说不论任何情况发生，均可以说相对论得到验证，岂能令人置信。作者在上章中指出，横向多普勒效应应该是时间膨胀和空间收缩（如果相对论是正确的话）的综合反映。而已知实验最多只是反映了时间膨胀的效应，根本没有考虑到空间收缩可能产生的后果。应该指出，时间变慢和空间收缩是两个互相依存的效应，如果实验不能反映空间收缩，就意味着不能肯定时间膨胀，最终导致相对论理论体系的否定。总之，双生子佯谬并没有解决，横向多普勒效应和飞行原子钟变慢的现象并不等于时间变慢。探索这些物理现象的真正原因是十分必要的工作。

时间膨胀

众所周知氢元素是以原子、分子或离子的形式存在的，所谓的“原子集团”是如何形成的？如何能证明其确实存在？它们在电场中如何被加速？其运动速度又如何决定？因此这种解释是牵强的，具有拼凑的性质。它既不能证明Ives所希望证明的以太收缩效应，也不能证明相对论，而应该看成否定相对论的效应。b.应用穆斯堡尔实验所作的实验中，光源与接受体的运动均属机械性质，古可用本章（5）式来解释。c.应用原子核反映中的γ射线发射所作的实验中，虽然离子束具有电磁速度，但它的产物Ne20的反冲速度则已转化为机械性质。即由电磁能转化为机械能。故仍可用（5）式来解释。因为二阶多普勒效应既是一个小量，又是一个很多因素影响的物理现象，所以本文的观点仅仅具有探索的性质，有待进一步的研究。前面已经讲过，介子寿命延长现象不能证明时间膨胀效应。作者倾向于认为，介子有减速到一定能阀后才会发生蜕变，速度愈大的粒子所需要的减速时间也愈长，这就是高速粒子与相对低速的粒子相比，生存时间较长的缘故。虽然从某些实验结果来看[12,13]，似乎时间变慢的效应已经得到了定量的证明。不过，这些实验所测到的τ0未必真正是介子的静止寿命；因为进入铅版的介子是否回瞬刻之间即减速到零？介子蜕变时是否处于静止状态？和铅原子的相互作用是否是加快介子蜕变的原因？等等都是有待进一步探讨的问题。

时间膨胀-时间膨胀的结果

对于时间原并没有来争论的，这是由于爱氏的相对论导出时间膨胀的假说，这就造成的后人的争论。对于时间膨胀的假说，在相对论的当初人们就与以回击。我们无需作几个实验来证实时间是否可以膨胀，实际上这个实验是无需做的，因为，相对论自身就相矛盾。这主要表现在：相对论是建立在相对性原理的基础上的。它并没有对相对性原理提出异议。首先可以肯定地讲，在相对论的理论中，运动也是相对的，不存在绝对运动。它还是利用牛顿力学的惯性系的定义。无论现在相对论的支持者能提供多少个实验来证实时间的膨胀效应是与实验吻合的。对于老百性来说，我们不关心实验的具体数据是否与相对论所预测的符合。说以家常的方式来讲一下相对论原理吧。当初反驳者就是以双生子的问题提出来的。可是，至今也没有一个比较圆满的解答。双生子的问题中最能说明相对论时间膨胀效应与相对性原理的矛盾性。这个问题中，如果能确立绝对运动，那么双生子的问题才可得以圆满解决。否则，运动是相对的。无论出去的人，还是留地地球上的人皆是平权的。不存在的一绝对的惯性系或参考系。所以两者所渡过的时间也是相同的。不同的。只可能有视觉时间的变化。对于双生子的问题争论中，相对论的支持者都是以飞船有加速与减速的过程，所以与地球上的人不平权来加以敷衍塞责。谁也应明白，飞船的加速与减速是有的。不过这仅是一个过程而已，而不能代表它飞行的整个过程，它的大部分时间是相对于地球作匀速飞行的。至于说匀速飞行中它应用什么效应正是狭义相对论中所讲的。可以，狭义相对论又说明不了什么。如果把匀速运动中的飞船算到时间膨胀效应中的话。相对论就自相矛盾了。所以相对论支持者总是回避这一点。

时间膨胀

时间膨胀-现代研究

根据爱因斯坦1905年提出的狭义相对论，处于快速运动状态的表，与构造完全相同、指针在动但表壳本身却处于静止状态的表相比，快动表的指针转动得慢，也就是时间流逝得慢，专业说法是“时间膨胀”效应。对外行人来说，这恐怕是爱因斯坦就时间和空间概念的理论革命所结出的最奇异的一朵花。一分钟的长度和表的运动速度有关，这和我们的直觉相违，也不符合我们的日常经验。尽管如此，时间膨胀效应确实存在。1971年飞机携带原子表的实验就提供了证据。德国物理学家希望了解得更深。现在，他们测到了精度在小数点后10位的时间膨胀效应。德国马普协会下属的核物理研究所座落在美丽的城市海德堡附近，其核心设备是一台粒子加速器，它占据的空间足有一个飞机库那么大。在那无数变压器和真空泵的轰轰噪音下，萨特霍夫要想表达清楚并非易事。他对德国之声记者说：“我们的实验是从这儿开始的。这里你看到的是法拉第笼，里面是一个离子源。”这位物理学博士指着一个香肠形状的桔黄色容器，大小像一辆载重卡车。容器里，带电的锂原子，也就是所谓的离子，在高压作用下加速到每秒1.9万公里的速度，相当于光速的6％，足够在两秒钟内环绕地球一周。萨特霍夫和他的同事需要这些粒子旅行，为的是测验爱因斯坦的理论是否正确。根据爱因斯坦1905年提出的狭义相对论，快速飞行的离子的内部时钟应当比萨特霍夫手腕上戴的表要走得慢。

萨特霍夫介绍说：“按照爱因斯坦的理论，应当慢差不多1.002倍，也就是说慢千分之二。人们这个实验的创新之处就在于，利用激光谱仪把1.002这个系数精确地测到其小数点后的第10位。”锂离子的旅行将在旁边的大厅告终。那里，强烈的磁场迫使它们沿着一个圆形轨道飞行。萨特霍夫说：“我们在这里看到的是储存环。离子是从这个出口离开加速器，进入储存环的。你在这里到处都可以看到四极的或两极的强磁铁。”所谓的储存环是一个55米长、盘成圆环状的铝管，里面是真空，离子就在管子里急速飞行。无数的线圈、电缆等其它电气元件几乎完全遮挡了这个储存环。离子在里面每秒钟可以转330圈。萨特霍夫介绍说：“这些粒子本身就是钟表，因为粒子会振动。几乎每一个表都是以振动系统为基础的。比如说带钟摆的表，就是钟摆在振动。石英表是石英晶体在振动。原子也会振动，准确地说是原子里的电子会振动。电子振动的频率远比石英高得多，所以利用电子或者说原子测量时间的精度，就远比用石英晶体高得多。”为了读原子表的秒针，物理学家们利用的是激光束。他们用激光对快速飞过的锂粒子外层的电子云激发一定频率的振动。此时离子会发出荧光，这束荧光就包含着离子内部钟表的行走时间。萨特霍夫介绍说：“我们现在是在地下室。这儿是供电器。这里的是我们的激光房。这个激光房其实就是我们在地下室里简单搭出来的一个小空间，因为直接在储存环旁边放激光设备不合适。储存环周围的环境条件对激光来说很恶劣，磁场杂散，还有乱糟糟的电磁波，也就是电子烟雾，都会影响激光发生器的稳定性。所以我们在地下室造了一个激光房，在这儿生成激光，然后通过光纤传送到储存环那里。”在黑色的塑料帘子后面阴暗的灯光下，有一张乒乓球台大小的桌子，上面摆着三台激光发生器，还有一大堆的透镜和反射镜。

科研人员花费了三年的心血，设计、建造和调试这套极其精确、用于测验爱因斯坦相对论的光学系统。萨特霍夫说：“我们在这里可是干了不少时间，有时甚至是通宵达旦。但在实验项目的开始阶段，方案还不明确的时候，我们可没有得到很大乐趣。但当我们琢磨出应当怎样下手时，情况就大有好转。”如今，萨特霍夫及其同事已经以小数点后10位的精度，实验证实了爱因斯坦的时间膨胀理论，远比以往任何有关实验精确得多。但是对科学家们来说，这个精度还是不够好，因此，他们已经计划在德国达姆施塔特的重离子研究协会再进行一系列的实验。那里的加速器功率大，可以把锂离子的速度加速到光速的33％。根据爱因斯坦的理论推算，那时，离子内部时钟的1秒钟，将会比萨特霍夫手表上的1秒钟长出60毫秒。

时间膨胀-参考资料

1、http://forrootbasic.51.net/shkl/shkyd/shjbeimtl/10441.htm
2、http://home.donews.com/donews/article/7/74901.html
3、http://zhidao.baidu.com/question/31857341.html?fr=qrl

在最后一个数字，我看到的是一个光子，如果有任何的质量，必须小于4 × 10 ^-48克。 For comparison, the electron has a mass of 9 x 10 ^-28 grams.相比之下，电子拥有9 × ¹⁰ -28克。

通过时空图分析或利用洛伦兹变换分析，可以看到两坐标系中的事件并不矛盾，因为它们各自所说的“同时”在另一坐标系中是不同时的，所以至少其中之一的“同时”事件将不会发生；稍微具体一点就是： 当木桶参照系(S)里看到箭尾到达桶口(事件A)而箭头还在桶底前一段距离(事件B)，到箭头到达桶底(事件C)而箭尾离开桶底一段距离(事件D)，在这期间两端同时封住，会看到箭由于箭头受桶底阻档迅速停止下来而恢复原长，这时箭尾是否能被封在桶里取决于箭的静止原长是否比木桶短，即原来以为箭尾会被封住这一观测效应会由于箭的相对速度突变为0而相应改变； 而在箭的参照系(S')里会先看到箭头到达桶底前一段距离(事件B')，接着看到箭头到达桶底(事件C')，此时若筒的两端都是开口而不封住，则箭会继续看到箭头出桶而后箭尾到达桶口(事件A')，接着箭头继续前进而箭尾离开桶底一段距离(事件D')，但这两个事件由于箭头受到阻力停止下来而不会继续发生，箭的参照系S'迅速变换到木桶参照系S，这时看到的是木桶的静止原长，而不再是收缩的运动长度，这时箭尾是否能被封在桶里取决于箭的静止原长是否比木桶短，即原来以为箭尾不会被封住这一观测效应会由于箭的相对速度突变为0而相应改变。 这样两者最终看到的结果是一致的，因为它们由相对运动变为最终相对静止而处于同一参照系。

  相对论确实是高明的！其高明之处不仅是假设光速不变，而且，还一个也是重要的，却往往被忽略的一点就是光速是人类发现的最高信息传递速度。有了这二点，人类就有了一个“绝对的”相对论，光速就是如此“绝对的”不变，成为了恒量相对世界的“尺”，以“光速”作为观测空间运动状态的工具，符合物理定律在不同的参考系表现形式等价的条件。以“光速”作为观测空间运动状态的工具，就有了四纬时空连续体。再者，观测方法和观测工具本来就是人们研究客观世界的手段。所以应该说，相对论比经典物理理论更能够真实的反映客观世界。

  只是把绝对时间和绝对空间（距离）的概念（基本属性的标准）去看光速，才会有“不符合逻辑”的判断。

  或许一句话也难说清楚，打个比方，如果有一种二维智慧生物，他们确定二维世界的绝对时间和平面（距离）概念或标准，并以此判断三维空间的事物，他们一定会认为三维空间的判断是不合理的，是有逻辑矛盾的。
  不仅仅是维度方面，速度方面也有这种类似的不同。打个比方，想象一下，如果蚂蚁的速度，蚂蚁看到的世界是什么样子？我们人的速度比蚂蚁快，我们看到的世界是蚂蚁想象不到的，或被蚂蚁认为是不真实的。同样，光速看我们人的速度会有同样的道理。

对宇宙而言没有相对只有绝对，"
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对宇宙而言，没有时间，没有空间，没有时空，当然也没有运动，一切绝对。

"对人而言既有相对又有绝对，"
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因为人有思维，有感知，从而有概念，并用概念去描述宇宙，所以，有相对的描述，也有绝对的存在。

所以老爱找到了一条通往绝对的路。老爱无疑是很伟大的。

爱因斯坦1905年9月发表在德国《物理学年鉴》上的那篇著名的相对论论文《论动体的电动力学》，提到光速问题的话有四段： 

“光在空虚空间里总是以一确定的速度V传播着，这速度同发射体的运动状态无关。”

“下面的考虑是以相对性原理和光速不变原理为依据的，这两条原理我们定义如下：
1. 物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是两个在互相匀速平行移动着的坐标系中的哪一个并无关系。 
2. 任何光线在‘静止的’坐标系中都是以确定的速度V运动着，不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。” 

“对于大于光速的速度，我们的讨论就变得毫无疑义了；在以后的讨论中，我们会发现，光速在我们的物理理论中扮演着无限大速度的角色。” 

“由此，当υ=V时，W就变成无限大。正像我们以前的结果一样，超光速的速度没有存在的可能。”

总结爱因斯坦对光速的基本看法就是二点：
１）光速与光源运动无关；
２）光速是极限，无超光速。

以热力学定律分析《量热学法验证质速关系实验》的失败

摘要：《量热学法验证质速关系实验》[1]（以下简称“量热法”）是作者根据1964年贝托齐实验[2]利用束流强1.26A能量1.6Mev、6Mev、8Mev、10Mev、12Mev、15Mev高速电子轰击铅靶，用量热学法直接测定电子能量。从而直接证明电子的质量与电子运动速度的关系。本文根据热力学第一定律，针对“量热法”中关于量热指标（电子的能量和铅台温度升高变化）在能量转换上与实际不符合的情况和可能的原因，说明“量热法”的失败，认为如果考虑能量转换率的因素，对实验结果进行调整后，调整值与理论值的趋势是一致的，符合相对论。

一. 热力学第一定律

      物理体系中，能量有许多种形式存在，主要为：热能、机械、电能、内能、光能、化学能、声能、电磁能、原子能、生物能等。从分子学的角度来看，能量的总和被称为内能，内能的绝对值至今尚无法直接测定，但体系状况发生变化时，内能的变化以功或热的形式表现，它们是可以被精确测量的。

体系的内能，热效应和功之间的关系式为：ΔU= Q+ W；其中，ΔU是体系的内能变化， Q是体系从外界吸收的热量，W是外界对体系所作的功；如果体系对外界散热，Q可以为负值；如果体系对外界作功，W可以为负值。这就是热力学第一定律的数学表达式。热力学第一定律是对能量守恒和转换定律的一种表述方式。其基本内容：热可以转变为功，功也可以转变为热；消耗一定的功必产生一定的热，一定的热消失时，也必产生一定的功。热力学第一定律指出，热能可以从一个物体传递给另一个物体，也可以与机械能或其他能量相互转换，在传递和转换过程中，能量的总值不变。     

二. 能量转换率

（一）能量转换率＝（实际测定的能量值／理论计算的能量值）*100％

（二）系统和外界的概念

      由大量微观粒子组成，并与周围环境以任意方式相互作用着的宏观客体，简称系统。与外界没有任何相互作用的系统为孤立系统；与外界有能量交换但没有物质交换的系统称为封闭系统；与外界既有能量交换又有物质交换的系统称为开放系统；一般把系统的周围环境称为系统的外界或简称外界。能量转换率是一个系统与外界有直接关系的率。封闭系统中，既要考虑系统从外界吸收的能量，也要考虑对外界的释放能量。

 （三）动能定理

      做功的过程就是物体能量的转化过程，做了多少功，就有多少能量发生了转化。做功的过程实质上是一种形式的能量转化为另一种形式的能量的过程。

三. “量热法”能量转换率结果

      热力学第一定律在物理学理论值的计算上提供了依据，因为理论值的计算是在理想状况下进行的。物体内能的增加等于物体吸收的热量和对物体所作的功的总和；系统在绝热状态时，功只取决于系统初始状态和结束状态的能量，和过程无关。它不受过程的影响，也即能量转换率是以１００％的理想状况为基础。

      然而，实际值的计算就受一些因素的影响，也就是不能忽略能量转换的过程。热量也是过程量。Q=ΔU，U是内能，内能对应状态，而Q是内能变化中显现出来一种能量形式，也是用来描述内能改变这个过程中体现出来的量，是过程量！热量还有吸收或放出热的区别。 同理，W=ΔU，W是外界对体系所作的功，它被包括在体系的内能变化中，并不一定以热量（Q）的形式表现出来。以“量热法”为例，一个是时间因素：需要多少时间(做功)才能使所有的电子能量全部转换为热量？另一个因素是：如何保持铅台不散热？即如何能做到铅台所吸收或产生的全部热量能最终能被测温仪测量到？很显然，“量热法”做不到这二点。

表一：根据能量转换率的计算式，对“量热法”实际值与理论值可得出下列结果

四. “量热法”能量转换率结果分析

  除了电能的因素没有考虑（注：“量热法”的“表二”假设所有的电子束的带电荷或电能一致），从上面的能量转换率计算结果来看，似乎电子能量越高，转换率越低。是否如此呢？进一步看，可以发现实际测量值是近似的一致（以“量热法”实验中用CENTER305热电偶测温仪的分辨率为0.1℃，误差为0.1℃为标准）；而转换率越来越低的的计算结果只是理论值的增加所致。

   这说明了下列可能性因素：

（一）温度是不合适于“量热法”的实验指标。温度表示物体的冷热程度，从分子动理论的观点来看，温度是分子热运动激烈程度的标志，温度的高低，标志着物体内部分子运动速度的快慢。以电子碰撞铅台的方式进行能量的转换，温度指标是不合适的，它不能有效反映能量的真实转换或变化情况。

（二）热量是在热传递过程中，物体吸收或放出热的多少，其实质是内能的变化量。 “量热法”由于存在着是对外界有散热因素。也不能有效地反映能量的真实转换或变化情况。

（三）从“量热法”的实验结果来看，很可能就是不管电子的能量有多大，只有比较恒定的一部分能量能转换为热能，表现为温度变化恒定，也即“量热法”的实际测量值；其它部分能量表现为对铅台作了功，而所作的功在实际过程中是不能有效地用温度来恒量的，这也是造成能量转换率计算不符合实验的原因；从理解的角度来看，各种能量的电子，主要表现在动能的上，而动能主要是以作功的形式进行能量转换的，转换为热量只能在理论上或理想情况下可行。

（四）反过来看，如果“量热法”可靠，能反映系统的真实能量状况。也就是如果电子能量的值是可靠的，对热能的转换是明显的，实测值精度也是可靠的，则无论以何种角度去看，实测值应该有增加的趋势；由于“量热法”实测值近似的一致，这本身就与理论值就有一种趋势上的不符合，有违热力学第一定律。

（五）电子能量的理论值不可靠。这种可能性比较低，因为加速器打出的电子束流会有高的可信度。

五. 调整值的计算

如果按能量转换率为38.81%（以表一的最高转换率为标准），用下列公式可计算出温度的调整值，即：电子束总能量 x 38.81% x 0.11；从表二的结论可以看出，调整值与理论值的趋势相关程度是一致的。（注：0.11是每焦耳能使铅台升高的温度，见“量热法”一文）

表二：根据能量转换率的计算式，对“量热法”实际值与理论值可得出下列结果

六. 结论

      用热力学第一定律和能量转换率对“量热法”实验结果进行分析表明：

（一）“量热法”实测值不能反映电子能量的真实转换情况；

（二）如果“量热法”可靠，它违反热力学第一定律。

（三）考虑能量转换率的因素后，计算的调整值与理论值的趋势是相关一致的。

参考文献：

[1] 《量热学法验证质速关系实验》　季  灏，《中国科技成果》2009年1期。

[2] 伯托齐(W.Bertozzi)实验(1964年)简介 incinc,http://hi.baidu.com/incinc/blog/index/1

[3] 《高等工程热力学》 陈宏芳，清华大学出版社

《光速不变假设的理论和实验支持》(修改稿)

　　光速不变假设是狭义相对论和广义相对论的最基本前提之一，也是反对相对论者和支持相对论者的热点话题之一。本文围绕着这个假设，讨论光速不变假设在理论和实验上得到的支持。

　　爱因斯坦1905年9月发表在德国《物理学年鉴》上的那篇著名的相对论论文《论动体的电动力学》，提到光速问题的话[1]：

　　“光在空虚空间里总是以一确定的速度V传播着，这速度同发射体的运动状态无关。”

　　“下面的考虑是以相对性原理和光速不变原理为依据的，这两条原理我们定义如下：

　　1. 物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是两个在互相匀速平行移动着的坐标系中的哪一个并无关系。

　　2. 任何光线在‘静止的’坐标系中都是以确定的速度V运动着，不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。”

　“对于大于光速的速度，我们的讨论就变得毫无疑义了；在以后的讨论中，我们会发现，光速在我们的物理理论中扮演着无限大速度的角色。”

　“由此，当υ=V时，W就变成无限大。正像我们以前的结果一样，超光速的速度没有存在的可能。”

　　根据这篇论文和现代物理学进展，可以了解到：

　　光速不变假设是指：光在真空中的速度c是恒定的，它不依赖于发光物体的运动速度。而光速不变原理是指：真空中的光速对任何观察者来说都是相同的。光速不变原理和光速不变假设有所区别，它是结合相对性原理和光速不变假设的一种表述。

一、光速不变假设产生的背景

　　爱因斯坦在他１６岁时的中学时代，就产生了一个“追光”思想实验，即如果他以光速去追赶一束光，会是什么情形呢？后来，爱因斯坦认为这种情形是一个悖论，他描述为：如果他以速度Ｃ（真空中的光速）追随一条光线，那么他就应该看到，这样一条光线虽然在空间里振荡，却象一条停滞不前的电磁场。可是，无论是依据经验，还是按照麦克斯韦方程，这样的事情都不可能发生。只要时间或同时性的绝对性这条公理不知不觉地留在人们的潜意识里，那么任何想要令人满意地澄清这个悖论的尝试，都注定要失败[2]。

　　这是一个逻辑思考，并不牵涉许多其它高深概念。这个悖论并不是想了解真实的光是如何运动的，而是思考：假设光速运动时，既要符合牛顿力学（被认为是与我们的经验事实或感知相近的力学理论），又要符合电磁力学的观点。

　　牛顿力学理论认为空间和时间（或同时性）是绝对的，“观察”是瞬间的，观察者和被观察者对同一事件的发生都有着一个绝对的同时；任何相同相向速度的运动物体，它们之间的关系就是相对静止的。那么，在牛顿力学理论的概念下，与光速一样速度运动的人就会同时“看到”停滞不前的光；但根据麦克斯韦的电磁场理论，光是一种电磁波，光速是以连续不间断的电磁波形式在电磁场中传递；也就是在任何情况下，电磁场（波）是连续的，而不能是静止的，电磁波一旦产生，就以有限速度的恒定值光速传播。这就是说，要么光静止，要么以光速运动，不能同时存在，牛顿力学和电磁力学在这个悖论上产生矛盾。

　　从这个逻辑思考中，比较牛顿力学和电磁力学的观点，基于电动力学的精度超过牛顿力学几个数量级，有理由认为电磁力学对光速的解释会更加合理些，更能够真实的反映客观世界。爱因斯坦基于他描述的悖论的思考，放弃了牛顿力学中时间或同时性的绝对性，选取电磁力学光速传播观点，即“光在空虚空间里总是以一确定的速度V传播着，这速度同发射体的运动状态无关。”

　　再回头来看看那个悖论，由于有了光速与光源运动无关的认可以及没有绝对同时性的要求，光一旦发出，他都可以看到光了，是“动”光，而不是“静”光了，这样就可以合理解释那个悖论了。

二、光速不变假设在理论上得到的支持

　　光是一种人类眼睛可以见的电磁波波长（可见光）。在科学上的定义，光有时候是指所有的电磁波谱。光是由一种称为光子的基本粒子组成。具有粒子性与波动性，或称为波粒二象性。

１、电磁力学理论的支持

　　法拉第证明了变化的磁场可以产生感生电动势，麦克斯韦证明了变化的电场可以产生磁场，而感生电动势是可以产生变化的电场的。麦克斯韦在《论物理学的力线》中，预见了电磁波的存在，即空间某处产生了变化电场，在周围空间就要产生变化磁场，这个变化磁场又要在较远的空间产生新的变化电场，接着又要在更远的空间产生新的变化磁场，这样变化继续下去。这种变化的电场和磁场交替产生、由近及远、以有限的速度在空间内传播的过程，称为电磁波。至于电磁波（或电磁辐射）是如何“形成和运动”的，涉及到在量子层次，简单地说就是带电粒子会从某个本征量子态跃迁至另外一个本征量子态，因而产生电磁辐射[7]。电磁波已经得到广泛实验证实，而只有处于可见光频域以内的电磁波，才是可以被人们看到的光。由于电磁波（或电磁场）总是随着时间变化的，可以认为它是一种绝对的传播运动。从麦克斯韦方程组，能解出“电磁波速在真空中不变，而且数值恒等于光速c”，这为光速不变假设提供了一个最可靠的理论基础。

　　值得一提的是，基于时间的考量，在电动力学里，由于电磁波传播于真空的速度是有限的，观测者探测到电磁波的时间，是不同于这电磁波发射的时间，称为推迟时间（retarded time)。推迟时间的概念意味着电磁波的传播不是瞬时的。电磁波从发射位置传播到终点位置，需要一段传播期间，称为时间延迟。与日常生活的速度来比，电磁波传播的速度相当快。因此，对于小尺寸系统，这时间延迟，通常很难被注意到。例如，从开启电灯泡到这电灯泡的光波抵达到观测者的双眼，所经过的时间延迟，只有几兆分之一秒。但是，对于大尺寸系统，像太阳照射阳光到地球，时间延迟大约为 8 分钟，比较能够被观测到。

２、量子力学的理论支持

（１）光子的特点

　　光子的静止质量认为是零，不带电荷。光子的许多特性莫不归因于此，例如光子最轻，所以速度最快，而带质量的物体其速度均没有超过光速；又例如光束的波动性较电子束显著，乃是由于电子束带有质量，动量较大，而波长较小的缘故。从另一个角度来看，光子轻，能量少。当一光源中的原子加速运动时，只要花费少许能量，即可产生一大群光子。在这群光子束中增加或减少一个光子并不影响其性质，因此光束的粒子性不显著。从量子力学上看，如果光子的静止质量为零，那么光速不变是正确的。

（２）光子和光子之间不发生作用

　　如果粒子相碰撞，那么粒子的速度也就会变化，光子之间会有这种情况吗？量子理论提供了对这种问题的基本认识。在亚原子粒子中，光子是玻色子，不带电荷，没有静止质量，自旋为1。它们是场粒子或电磁扬的携带者。泡利不相容原理的表明，两个费米子不可以在同一时间占据同一个空间，而两个玻色子却可以在同一时间占据同一个空间。我们会想象光的粒子性，光子具有一定的动量，光子与光子碰撞时光子的动量减小了，从而引起光的衰减。而光子是玻色子，而玻色子最显著的特点便是不遵守“泡利不相容原理”，而正是因为这一点使得光子和光子之间不发生作用。因为在同一时间空间中可以存在多个玻色子，而只能存在一个费米子。我们思想中所描述的碰撞是一个粒子抢夺另一个粒子的空间位置，而玻色子不存在抢夺的问题。激光、超导、超流便是玻色子在“BEC -- 波色-爱因斯坦凝聚态”这一物理状态的产物，这也就事实上说明了光子和光子之间不发生作用，因而光子之间不会有速度变化的问题，或者说明光速没有加（减）速度，光速也不能叠加。

三、光速不变假设在实验上得到的支持

１、高能中性π介子衰变测光速实验

　　这个实验是最明确的检验相对论光速不变假设的实验。1964年，瑞士日内瓦的欧洲联合核子研究中心，高能中性π介子衰变中产生的6KMeV光子，测量80M路线上的飞行时间来确定这里光子的速率，π介子是用19.2KMeV的质子轰击铍靶产生的，他们的速率是0.99975C，这个速率是由同一事件的带电π介子速率推算而来的，利用射束的r-f结构来计时。得出源速相当快、甚至接近光速时发出的光子速率依然是C，实验误差在1.3*10^-4左右。我们现在来考虑一下6KMeV光子的消光距离，根据上述公式可以简单的计算出来，该距离约为5*10^3米。 这个实验以非常漂亮的结果无可争辩地证实了，高速运动光源发出光的速率依然是C。

２、各种粒子的加速实验

　　把单一电子加速到光速，就需要无限的能量，粒子物理学家们对这一限制深有感触。质子进入美国伊利诺伊州Batawia费米实验室的Tevatron加速器时，它们的速度已经达到光速的99%。加速器的最后阶段使质子的能量提高了100倍，但速度仅增加到光速的99.99995%，与它们进入加速器的速度相比，提高不足1%。

３、迈克耳孙－莫雷实验

　　在19 世纪，为了对经典速度合成公式不能用于光速的问题作出解释，历史上曾经流行过所谓“以太”的假设。认为光是在“以太”介质中传播的波，光的速度只取决于“以太”的性质而同光源的速度无关。为此，既要求“以太”有很“硬”的刚性，使光波速度能高达3×10^8m/s；又要求以太“软”得像真空，从而对运动物体不施加任何阻力。此外，以太还必须充满整个宇宙空间，以供无数天体光波传播之用。这样的“以太”是否真的存在呢？ 为了寻找“以太”，许多科学家进行了大量的工作，最为有名的是迈克耳孙和莫雷所进行的一系列实验。根据理论推导和实验的精度，他们认为如果“以太”存在的话，会有预期的实验现象出现－－两束光的干涉条纹移动，实验却得到了否定的结果。

　　1905年，爱因斯坦抛弃“以太”观念、以光速不变假设和所有惯性系物理规律相同假设的基础上建立了狭义相对论。光在真空的传播不依赖“以太”观念可以更好地解释光速不变的假设。

　　有些学者认为，根据厄瓦耳(Ewald1912)和俄辛(Oseen1915)的消光定理（Extinction theoremof），从电动力学的角度看来，包括迈克尔逊－莫雷实验(1887)在内的一些早期光学实验都存在着理论上的缺失。这类实验除了迈克尔逊－莫雷实验(1887)外，还有双星观测、太阳两个边缘光速和一些其它借用地球以外的光源来做的各类实验。

　　尽管如此，近代一些更加精确的测试“以太”实验结果还是强有力地否定了“以太”；如１９５８年的微波激射器实验和１９６３年的γ射线的“无反冲”发射和吸收实验，这两个多普勒频移实验数据表明，可观测到的以太漂移速率与地球轨道速率相比是微不足道的。

４、各类测定光速的实验

　　随着科技的进步，一方面测定光速的精度在不断提高，另一方面各类测定光速的实验也表明光速近似恒值。当代计算出的最精确的光速都是通过波长和频率求得的。根据1975年第十五届国际计量大会的决议，现代真空中光速的最可靠值是：c=299792.458±0.001km/s。

５、宇宙学宏观实验或观察

（１）恒星光行差：任意恒星光行差都长期保持不变，证明：光行差不随时间变化，所以光速也不随时间变化。所有恒星的光行差都为20.5〃角距，证明：所有恒星的光速都相同。

（２）恒星都是一个一个的小圆点证明：任意一个恒星的所有的光线的光速都相同，即没有不同光速的光线。采用反证法，假设有不同光速的光线，则恒星具有多个位置和任何拉长的现象，因为从未观察到过，所以假设不成立。

（３）恒星都静止证明：所有恒星的光速都不随时间变化，都始终恒为常数c不变。这是因为如果光速不断变化，则看起来恒星必然是运动的。

（４）光的传播速度并不遵从经典速度合成规律。这种令人惊奇的结果首先是通过天文观测研究发现的。例如，现代观测到的距离地球约5000光年的蟹状星云，通过分析知道它是1054年出现的一颗超新星的遗迹。根据我国北宋时期的天文记载，这颗超新星在爆发开始出现的头23天中很亮，随后逐渐变暗，直到22个月以后肉眼才看不到。这实际上是四散飞出的爆发物质温度日益降低的表现。从地球上看到的超新星亮光正是这种爆发物质发出的，并且亮光的传播速度仍为光速c，而与爆发物质的运动速度u无关。但如按经典速度合成公式（v=u+v'）计算， 取四散飞出的爆发物质运动速度u≈1500km/s，则在地球的视线方向上，亮光的传播速度应为（c+u）；而在与该视线垂直的方向上，爆发物质运动速度在视线方向的投影为零，故亮光的传播速度仍为c。这里的爆发物质至地球的距离仍近似地取作5000光年，则不难算出以上具有不同速度的亮光到达地球的时间差约为25年，这同实际测量的22个月的亮光持续时间显然不符。

四、光速不变的其它物理学意义

　　在科学中涉及定量问题时，必须依赖一套常数。但其中一些常数之所以比别的更“基本”，是因为不能借助现有理论去计算它们。因此基本常数的精确测定便成了物理学中最重要的工作之一。常用的基本常数包括万有引力常数、真空光速、基本电荷、普朗克常数等，其中如光速和基本电荷等常数，其有效数字已达12位（一般而言，有效数字越多表明测定越精确）。

　　用于测量光速的实验不断地变得更精确。到20世纪50年代，电子计时装置已经取代了古老的机械设备。20世纪80年代，通过测量激光和频率（f）和波长（λ），运用c=fλ公式计算出了光速（c）。这些计算以米和秒的标准定义为基础，就像现在一样，1米定义为氪-86源产生的光的波长的1,650,763.73倍，1秒则定义为铯-133原子超精细跃迁放出的辐射频率的9,192,631,770倍。这使得c达到非常高的精度，误差只有十亿分之几。

　　1983年，光速取代了米被选作定义标准，约定为299,792,458米/秒，数值与当时的米定义一致。秒和光速的定义值，表示1米从此定义为光在真空中1/299,792,458秒内走过的距离。因此自1983年以来，不管我们对光速的测量作了多少精确的修正，都不会影响到光速值，却会影响到米的长度。你有多高事实上是由光速定义的。

　　但光速还定义着比长度更加基本的东西。阿尔伯特•爱因斯坦的工作表明了光速的真正重要性。由于他的功劳，我们知道，光速不仅仅是光子在真空中运动的速度，还是连接时间与空间的基本常数。

　　光速不变原理的重要性要从“标准模型”理论说起。“标准模型”理论建立在规范场论基础上，而规范场论则是建立在狭义相对论基础之上。“标准模型”理论（standard model）已经成功地成为了物理学界的主流理论。通俗地说，“标准模型”是解释世界是由什么物质组成，以及它们是如何凝聚在一起的。“标准模型”理论是科学界目前最完美的理论之一，实验已经证实了它难以置信的精确：该理论预测的所有粒子都已经被发现，四种基本作用力（自然界有四种基本作用力，分别是强力、弱力、引力以及电磁作用力）中的强、弱、电磁三种力已经被统一到该理论下。“标准模型”理论建立在规范场论基础上，而规范场论则是建立在狭义相对论基础之上。

五、相关讨论

１、经典力学中的速度合成法则实际依赖于如下两个假设：

　　（1）．两个事件发生的时间间隔与测量时间所用的钟的运动状态没有关系；

　　（2）．两点的空间距离与测量距离所用的尺的运动状态无关。

　　爱因斯坦发现，如果承认光速不变原理与相对性原理是相容的，那么这两条假设都必须摒弃。这时，对一个钟是同时发生的事件，对另一个钟不一定是同时的，同时性有了相对性。在两个有相对运动的坐标系中，测量两个特定点之间的距离得到的数值不再相等。距离也有了相对性。　

２、如果麦克斯韦方程正确，而且满足相对性原理，那么可以证明光速不变是正确的，但在爱因斯坦提出狭义相对论的时候还不知道麦克斯韦方程是否正确，于是才把光速不变作为基本假设。在量子力学中可以看到，如果光子的静止质量为零，那么光速不变是正确的，而光子作为电磁力的媒介子，其静止质量为零直接导致了库仑定律的平方反比率，只要验证库仑定律是否严格遵循平方反比率，就可以间接验证光速不变是否正确，只有库仑定律严格遵循平方反比率，才会有静电学上的高斯定理，该定理有一推论是一带电空心导体球壳内部各点场强处处为零。因此验证光速不变的关键就是验证这一推论，这是可以拿电压表去测的（若场强处处为零则电压处处相等）。根据最近公布的实验结果，光子的静止质量最大上限为0.000000……04kg，一共62个0，这个结果足以保证光速不变的正确性。

３、光速可变的可能后果

　　无论宇宙的标准模型或粒子的标准模型，都无法容忍一个非恒定的光速或精细结构常数。从现实意义上来说，如果光速可变，对于探索宇宙的膨胀，宇宙的年龄和边界等问题所造成的打击是毁灭性的，在人们找到光速变化的规律之前，现行的宇宙模型都将失效。对相对论来说，它在物理学中的地位有被推翻的可能。人类对宇宙规律的认识将被再次刷新。

４、其它相关理论

　　弦理论：该理论认为，所有的最基本粒子，包含正反夸克，正反电子，正反中微子等等，以及四种基本作用力“粒子”（强、弱作用力粒子，电磁力粒子，以及重力粒子），都是由一小段的不停抖动的能量弦线所构成，而各种粒子彼此之间的差异只是这弦线抖动的方式和形状的不同而已。

　　M理论：是为“物理的终极理论”而提议的理论，其中M字母所代表的意义众说纷纭，最通行的解释是Multi（多重）。M理论希望能借由单一个理论来解释所有物质与能源的关系，结合了所有超弦理论和十一维的超引力理论。为了充分了解它，学者认为需要发明新的数学工具。

参考文献：

1.《爱因斯坦奇迹年──改变物理学面貌的五篇论文》[美] 约翰•施塔赫尔主编，范岱年、许良英译，上海科技教育出版社2001年版 第97─98页，第100─101页，第109页，第127页。

2.《Relativity　相对论》 [美] 约翰•施塔赫尔主编

3.T.Alvager，J.M.Baileyetal，F.J.M.Farly，J.Kjellman，and I.Waillin，Phys.Letters 12，260（1964） Arkiv f.Fye. 81，145（1965）

4.光速的测量奇迹文库：http://www.qiji.cn/drupal/node/13360

5.涂良成，罗俊， 实验检验光子静止质量的研究进展，<<物理>>2006年 第35卷 第09期

6.C.J.Cedarhoim,áG.F.Bland,áB.L.Havens,áandáC.H.Townes,áPhys.Rev.Lettersá1,á342(1958)

7.D.C.Champeney,G.R.Isaak.andáA.M.Khan,áphys.lettersá7,241(1963)

8.《普通物理学》大学教材

9.《论动体的电动力学》爱因斯坦

10. 黄志洵，耿天明, 超光速研究中的几个理论问题, 中国工程科学. 2007年4月, 9 (4): 第6-17页.

11.Griffiths, David J. Introduction to Quantum Mechanics (2nd ed.)．Prentice Hall，pp. 348-359．ISBN 0-13-111892-7．

    核炸弹的产生起源于30年代的一个科学实验。美国和欧洲大陆的物理学家们试图以中子流高速撞击不同的自然元素，以期发现物质的原子结构是如何产生突变。铀，自然界最重的元素，是最有潜力的目标。1938年10月8日，在柏林的威廉大学的化学研究所，两名科学家通过高速撞击铀元素成功地取得了突破：他们分裂了原子的核。

    德国物理学家奥托·哈恩和弗里茨·施特莱斯曼向他们的前任同事李瑟·梅纳尔（当时为了躲避纳粹逃亡到瑞典）报告了他们的发现。梅纳尔和他到访的侄子奥托·弗里舍一起分析了柏林的试验，而且重复了试验，得出了相同的结论。圣诞节后不久，弗里舍返回自己在丹麦的实验室完善了这次试验，他不仅分裂了原子，而且测量到了分裂过程中产生的微弱能量。

    弗里舍将这一发现告诉了诺贝尔奖获得者，丹麦物理学家尼尔斯·波尔。尼尔斯·波尔此时即将动身前往美国普林斯顿大学作演讲。在波尔抵达美国不久，他就以戏剧化的方式与美国科学界分享了这一信息。1939年1月26日，在华盛顿一次大概有50名科学家参加的聚会上，他递交了一份关于核裂变试验的详细报告。波尔的报告在这群坚定沉着的科学家中引起了一阵骚动。大多数科学家意识到他们正处于核试验取得突破的关键时刻。

    因为波尔的报告写得非常详尽，所以这些约翰斯·霍普金斯大学（位于巴尔的摩附近）的物理学家们都在太阳落山之前匆忙赶回了实验室，进行铀原子核的分裂试验。那天晚上，华盛顿的卡耐基研究所也进行了原子核的分裂试验，并取得了成功。随后，芝加哥大学和加里福尼亚大学伯克利分校也进行了相同的试验。在实验室内，微粒加速器正在用中子高速撞击铀，同时，那些与振动幅相连的探测脉冲的绿线正在测量这些微小爆破产生的能量。新泽西大学的匈牙利流亡物理学家利奥·希拉德形容说：“普林斯顿大学的物理部门兴奋得简直像一个骚动的蚂蚁窝。”

    最近，一大批欧洲科学家从纳粹法西斯主义的魔掌下逃亡到美国，希拉德就是其中之一。还有他的朋友匈牙利人爱德华·特勒、尤金·维格纳，意大利人恩里科·费尔米，以及德国人汉斯·贝特等等。就像他们的美国同事一样，他们也被核裂变的发现深深吸引住了。

    没有人比希拉德更兴奋的了，因为早在五年前，他就提出通过中子撞击可以分裂原子核，结果是它将依序释放出更多的中子。如此一来，在某种特定条件下，其他的原子核也能够被分裂。如果这个结论成立，那么它将是一个独立的链式反应，并能产生不可预知的能量。

    希拉德继续努力去证明他的理论，终于在1939年3月，他和一位任职于哥伦比亚大学的同事成功地制造出实验室水平的铀链式反应。他欣喜若狂，急忙打电话告诉他在华盛顿的朋友爱德华·特勒，“我已经发现了中子！”他兴奋地用匈牙利语大声喊着。爱德华·特勒很明白，可控的链式反应的发现意味着获得核能量---核武器，从理论上而言已经是指日可待的事情。同时希拉德也可能是第一个意识到，他的成功背后也蕴藏着危险。他说，“那天晚上，我知道世界正走向悲哀。”

    1939年春天，任职于普林斯顿大学的尼尔斯·波尔和一位年轻的美国物理学家约翰·惠勒又向前迈出了重要一步，他们证明了只有一小部分自然铀或铀238才能进行分裂，分裂后将会产生一种同位素，他们将其命名为铀235，如果能够从铀238中分裂大量的铀235，那么就能用这种同位素制造出威力强大的爆炸物。波尔相信，人类没有能力来制造这种爆炸物。他告诉特勒：“这绝不能实现，除非将美国变成一个巨型工厂。”

    1940年，在伯克利实验室的一次实验中，这种神奇的元素——铀显露出另一个奇特性质。在中子高速撞击的特定条件下，一部分铀238将在瞬间完全突变为一种崭新的元素，实验者将之命名为镎。实验继续下去，这种同位素又变成另一种新的元素——钚，它更容易产生裂变。

    现在，核科学家们拥有了原材料和实验原过程，去创造人类曾经构想的威力无比的能量——铀235或钚在瞬间的链式反应中释放出来的能量。在这个史无前例的科学发现面前，科学家们不得不面对一个令人担忧的道德问题：他们将如何利用这种颇具潜力的新知识？但是，这个担忧很快就被敌军可能制造出核弹的忧虑所代替。

    从一开始，美国科学家协会已经敏锐地觉察到德国实验室已经取得了核研究的新突破。这些流亡科学家们，对德国科学界怀有深厚的感情，同时对希特勒又怀有深深的恐惧。1939年3月，纳粹占领捷克斯洛伐克，并且禁止出口该国的铀矿石，科学家们的恐惧得到了证实。

    1939年夏天，这些预兆提醒科学家们应该去警告美国政府，希特勒正在进行核裂变实验。费尔米和希拉德一同前往海军游说，他们几乎不抱任何希望，仅仅希望海军能因为核能可作为潜水艇的能源而产生一点兴趣。

    仲夏，希拉德和尤金·维格纳前往爱因斯坦在长岛的夏季别墅，拜访了这位著名的流亡科学家。他们知道，这位白发苍苍的、举世闻名的现代物理学之父是比利时女王伊丽莎白的朋友。因此他们希望能够游说爱因斯坦，通过他转告女王：德国有可能控制比属刚果丰富的铀矿。

    爱因斯坦答应了他们的请求，但那时精力充沛又有点心高气傲的希拉德突然有了一个更好的主意。他因为没能引起政府的兴趣充满了受挫感，他认为只有找著名人物游说政府，才能取得成效。如果科学界能有什么人引人注意的话，他认为，那一定是爱因斯坦。结果促成了一封寄给美国总统罗斯福的信件，该信落款为“忠诚于你的朋友，阿尔伯特.爱因斯坦”。

    这封信在邮寄过程中被延误了。1939年9月1日，希特勒的大军攻占了波兰，两天后法国和英国宣战。在随之而来的危机中，罗斯福仍然没有收到这封信。直到10月11日，一位纽约银行家，亚历山大·萨克斯亲手将信件交给了罗斯福总统。这位银行家既是罗斯福的私人朋友，也是爱因斯坦的亲密知己。总统仔细阅读了这封信。

    信中描述了核链式反应的发展以及它可能产生的巨大能量和严重后果：这种新的物理现象的发现也能被用于炸弹的制造。纵然没有十足把握，但可以想像，一种新的极有威力的炸弹是可以这样制造出来的。这种炸弹仅需一枚，用船运载到港口爆炸，就可以完全摧毁整个港口连同它周围的部分地区。但这类炸弹也许过于笨重，不便于空运……

    罗斯福读完信后转头询问萨克斯：“亚历山大，你正在寻求的是希望纳粹不会轰炸我们吗？”总统把信递给他的军事秘书埃德温·沃特森准将，并且说：“需要行动了。”最终，这个行动使善良的爱因斯坦追悔莫及。多年后，他回忆道：“写信给罗斯福总统是我一生当中犯下的最严重的错误。”

    http://book.sina.com.cn/longbook/1092296404_bengkui/2.shtml