尽管高能宇宙射线产生的 μ 子寿命极短（仅 2.2 微秒），但它们依然能穿过 100 多公里的大气层到达地面，每秒都有数十个穿过我们的身体。这个看似矛盾的现象，其实是爱因斯坦狭义相对论的直接证据。因为 μ 子以接近光速运动，根据相对论，它的时间会膨胀（在我们看来它活得更长），同时它要穿过的距离会收缩（在它看来路程变短了）。我们可以通过花费不到 100 美元自制一个“云室”，亲眼观察到这些 μ 子的轨迹，从而直观地验证相对论。
来自宇宙的隐形访客
宇宙中充满了来自恒星、黑洞等天体的高能粒子，它们被称为宇宙射线。当这些粒子撞击地球高层大气时，会产生一连串的新粒子，形成“粒子簇射”。
- 大部分粒子在到达地面之前就消失了，但仍有一些能抵达地表，主要是光子、电子、中微子和 μ 子。
- μ 子（muon）可以看作是电子的“重亲戚”，质量是电子的 206 倍，但它并不稳定。
- 事实上，此时此刻，每秒就有 10 到 100 个 μ 子穿过你的身体。
用自制“云室”亲眼见证
我们通常无法看到亚原子粒子，但有一个巧妙的方法可以让它们的踪迹显现出来。通过制作一个充满纯酒精蒸气的“云室”，当带电粒子穿过时，会电离沿途的酒精分子，使其凝结成微小的液滴，形成一条肉眼可见的轨迹。
你可以在一天内用不到 100 美元的常见材料制作一个属于自己的云室：
- 准备一个密封良好的长方形鱼缸。
- 用厚泡沫板制作一个隔热底座和边框。
- 将一块涂黑的金属板放置在泡沫板和干冰上，以创造极低的温度。
- 在鱼缸顶部（倒置后的底部）固定一块吸满酒精（如异丙醇）的海绵或毛毡。
- 将鱼缸倒扣在金属板上，用黏土或水槽密封边缘，形成一个充满酒精蒸气的密闭空间。
- 在黑暗的房间里，用手电筒从侧面照射，大约 10 分钟后，你就能开始看到粒子轨迹。
你会看到两种主要的轨迹：一种是从你放入的放射源（比如旧式烟雾探测器里的镅-241）发出的缓慢、弯曲的 α 粒子轨迹；另一种则是笔直、近乎垂直的线条，这些就是来自宇宙射线的高速 μ 子。
一个看似无解的物理难题
μ 子的存在提出了一个尖锐的问题。我们知道：
- μ 子是在 100 公里或更高的大气层中产生的。
- μ 子的平均寿命只有 2.2 微秒（即 0.0000022 秒）。
- 即使以光速飞行，它在衰变前也只能行进约 660 米。
那么，一个只能飞行不到 1 公里的粒子，是如何穿越 100 公里的距离来到我们面前的？
有人可能会想，也许是极少数“长寿”的 μ 子碰巧到达了地面。但计算表明，能存活下来的概率几乎为零，而现实是，绝大多数 μ 子都成功到达了。
相对论给出的完美解释
这个谜题的答案就在爱因斯坦的狭义相对论中。相对论的核心观点是，一个物体运动的速度越快，它的时间和空间就会发生奇特的变化。
时间膨胀 (Time Dilation): 从我们地球观察者的角度来看，高速飞行的 μ 子，它的内部“时钟”走得比我们的慢。它的 2.2 微秒寿命在我们看来被拉长了。正因为我们看到它的寿命延长了，它才有足够的时间跑完 100 公里的旅程。
长度收缩 (Length Contraction): 从 μ 子自身的角度来看，它的时间流逝是正常的，寿命依然是 2.2 微秒。然而，由于它在高速运动，整个世界在它的运动方向上被压缩了。在我们看来 100 公里的大气层，在它看来可能只有几百米长。这段缩短后的距离，它在 2.2 微秒内完全可以轻松穿越。
例如，一个以 99.999% 光速飞行的 μ 子，在我们看来 100 公里的距离，在它看来仅有 450 米。走完这段路程，在它自己的参考系里只花费了 1.5 微秒，远低于它的平均寿命。
两种解释（时间膨胀和长度收缩）是从不同参考系对同一事件的描述，它们都完美地解释了 μ 子为何能到达地面。
如果没有相对论，我们就不可能在地面上探测到任何一个 μ 子。 你亲手搭建的简易云室中所看到的那些笔直轨迹，就是爱因斯坦理论在现实世界中最直观、最无可辩驳的证明之一。