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在浩瀚的宇宙中，无数神秘的射线时刻穿透着地球大气层的每一个角落。你可知，每一秒钟，都有成千上万的宇宙射线——主要是氢和氦核——撞击地球上层大气的每平方米？这些射线来自何处，我们并不清楚。然而，当它们与大气中的空气分子相撞时，会产生一场其他基本粒子的“雨”：π介子、K介子、正电子、电子、中子、中微子、伽马射线和X射线，以及μ子。
那么，μ子究竟有何特别之处，使得它们能够在地球表面被我们的探测器捕捉到呢？这就要从μ子的生命周期说起。在实验室中，μ子的半衰期仅为1.5微秒。这意味着，在1.5微秒后，我们只剩下约50%的μ子；3微秒后，只剩下25%；而在10微秒后，μ子只剩下0.1%。μ子的生命周期如此短暂，平均仅为2微秒。
让我们将这个时间尺度与光速相比较。光速足够快，每秒可以绕地球7次，而在2.2微秒内，光只能传播660米。即使μ子以接近光速的速度传播，它们也最多只能传播1到2公里，然后就会大部分衰变。然而，令人惊讶的是，μ子从上层大气到地面的距离通常是10到30公里。那么，μ子是如何在不过多衰变的情况下，穿越数十公里的大气层呢？
答案就是时间膨胀。由于μ子以接近光速的速度运动，它们的时间实际上会变得更慢。对于以99.5%光速运动的μ子来说，2微秒相当于我们的22微秒，这足以让它们在衰变前至少传播6公里。而对于更高能量的μ子，它们甚至更容易在衰变前到达地球表面的探测器。
那么，从μ子的角度来看，这个看似矛盾的问题又是如何解释的呢？答案是相对论中的长度收缩。从μ子的角度来看，地球和大气层是以99.995%光速向它们移动的。而移动的物体的长度会因速度而收缩，在这个例子中，50公里的大气层在μ子眼中只有500米厚。这对于平均寿命为2.2微秒的μ子来说，足以穿越。
这一现象，在我看来，是对狭义相对论中时间膨胀（或长度收缩，取决于你的视角）最令人惊叹的实验验证。具体的膨胀和收缩因子可以通过时间膨胀和长度收缩公式计算得出。一旦你掌握了这些公式，你就可以代入任何速度，看看距离和时间间隔会如何被扭曲。
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