论寿命的相对性

2022-09-11

在我们多彩的自然界中,任何物质都离不开运动。春去秋来、花开花落、斗转星移,万物在运动中产生、成长、凋亡,对物质寿命的研究也已成为一个重要的课题。随着科技的进步,人们对寿命的了解已经越来越深入。影响寿命的因素,以及如何延长或缩短某种物质的寿命已经成为当今社会研究的热点。但对寿命本身定义的描述和理解问题,却常常被人们所忽略。事实上,当今人们对寿命的描述是有局限的。

1 寿命的传统解释

广义的寿命指一切物质由产生到凋亡这一过程所经历的时间。狭义的寿命是一个生物学概念,又称正常寿命或真正寿命。医学上认为,所谓寿命,就是维持生存的时间范围。本文所说的寿命是广义上的寿命。

我们总是用时间的多少来衡量物质寿命的长短。例如,人的寿命指人从出生到死亡的时间,通常以出生年龄作为计算寿命的标准。又如,放射性原子的半衰期,是指放射性核素的数目衰变剩一半所需要的时间。

寿命的影响因素是多方面的,如物质对所处环境的适应程度或承受能力、物质自身的代谢速度等。但归根到底,寿命的长短是由物质本生的性质所决定的。这里我们把环境的影响归结到了物质本身的性质,可理解为正是物质有了这种性质,环境的变化才对它有所影响。例如正因为某溶液有挥发性,所以环境中温度的变化会影响到它的使用寿命。

按照以上观点看来,寿命是一个一维的时间概念,是物质本身的性质。这种说法,在日常生活中似乎已经成为公理,不需要做太多的证明。但在接下来的论述中,我们发现这样的解释遇到了麻烦。

2 寿命的相对性

我们已经知道,在爱因斯坦的《相对论》中认为,物质在接近光速的高速运动时,会表现出时间延缓,长度收缩等一系列现象。按照这种思路,在高速运动时,物质的寿命又如何变化呢?我们以一个例子来说明。

一位宇航员进行太空旅行,我们设地球为惯性系s,宇航员为惯性系s′,他们相应的笛卡尔坐标轴彼此平行,s′系相对于s系沿x轴方向运动,其速度为v,且当t=t′=0时,s′系与s系的坐标原点重合。如果不计地球自身的运动,则该事件在两个惯性系的时空坐标之间的洛伦兹变换为对于(4)易知,当飞船高速运行(可认为速度v接近于光速c,后文的“高速”均可这样认为)时,宇航员所经历的时间将延缓。如果在这里排除个人因素的差异,认为每个人代谢速率等自身因素完全相同。那么,宇航员与地球上的人相比而言,经历了较短的时间,却进行了与地球上的人相同多次数的代谢活动。由此观之,如果按照传统对寿命的描述看来,在高速运动的情况下,宇航员的寿命将相对缩短。也就是说,物质的运动速度将影响到其寿命的长短。特别是在高速运动时,这种影响更加明显。

然而,这种结论与寿命的影响因素相矛盾。寿命应该是由物质的本质属性所决定的,而不应该与速度有关。这时,原始的对寿命的定义就出现了问题,仅用时间来衡量寿命的长短难以给人一个满意的结果。

到这里,我们不妨换个角度思考,从空间角度上来思考。再回到刚才的例子中,既然宇航员所经历的代谢次数与地球上的人相同,而经历的时间较短,也就是说,他单位时间内拥有的空间经历要长于地球上的人。因此我们可以认为,物质在高速运动时,其空间经历将相对增多。假如抛开对寿命的传统认识,用经历的空间的多少来衡量寿命的长短,那么我们不难得出高速运动时,物质寿命将延长的结论。显然,这与前者的结论截然相反,同时也违背了前者对影响寿命的因素的描述。

3 寿命是时间性与空间性的统一

我们不能因为物质在高速运动时经过的时间相对缩短,从而断定物质在高速运动时的寿命缩短;也不能因为物质在高速运动时经过的空间相对增多,从而断定物质在高速运动时的寿命增长。我们应该综合地看待物质在高速运动的情况下,其寿命在时间上和空间上发生的相对变化。于是便有了新的观点,物质的寿命长短应该是二维的,是其时间性与空间性的统一,最终是一个与速度快慢没有直接关系的量。

对于低速运行的物质,物质寿命的时间性与空间性是相等分布的,即经历的时间等于经历的空间。我们常说某物质的寿命是多少秒、多少天或多少年,实际上也同时默认了这个物质所经历的空间的多少。因为此时,时间与空间均等分布。因此我们平时用时间来衡量寿命看不出有什么不合适。而当物质处于高速运动时,寿命的时间性与空间性的分布将变得不均等。物质寿命的时间性将收缩,而其空间性将膨胀。且速度越大,时间性收缩越明显,空间性膨胀也越明显。

物质寿命可在二维空间上描述如图1所示。

横坐标x为物质经历的空间,纵坐标t为物质经历的时间,其面积S表示物质的寿命。对于低速运动的物质,x轴与t轴等长,当速度增大时,x轴膨胀,t轴收缩,但其面积S不变,即寿命仅与物质本身的性质有关,与运行速度无关。

由此观之,仅用时间来描述寿命是不严谨的,我们应该对寿命有更为准确的描述,即寿命是物质由产生到凋亡这一过程所经历的时空的长短。