【宇宙探秘】还想用“双生子佯谬”推翻相对论?都什么年代了!

人工智能产业链联盟 2019/09/05 13:25


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1905年 ,随着爱因斯坦《论动体的电动力学》的发表,标志着狭义相对论的横空出世。然而对于“身陷”牛顿经典时空观的众多物理学家而言,想要彻底放弃并 接受一个带有极大变革性的新观点是不容易的一件事。

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保罗·朗之万

即便是到了1911年,也就是狭义相对论问世后的第六年, 著名物理学家保罗·朗之万就在一次会议上提出了这样一个质疑:

狭义相对论认为运动的物体,其时间过得相比于静止物体要慢,如果考虑 一对双胞胎兄弟,哥哥乘坐火箭从地球出发,要进行一次太空旅行,并且火箭是以接近于光速的速度飞行,如此一圈下来,当哥哥再次抵达地球时,哥哥与弟弟二者的年龄会出现什么样的变化?

  1. 对于弟弟来说 ,因为哥哥是处于运动当中,所以弟弟认为:当哥哥返回地球时, 哥哥将会比自己年轻。

  2. 而对于哥哥而言 ,由于运动是相对的,他认为弟弟在高速运动,因此当他返回地球时, 弟弟应该比他年轻。

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这就是双生子佯谬的核心内容 ,暂且不论哥哥对还是弟弟对,关键在于哥哥的这趟太空旅行并非一去不复返, 总有一天他们两兄弟会再见面,因此实际情况只能出现一种,所以到底是哥哥年轻还是弟弟年轻呢?

实际上这个问题本不该是一个问题,但事实却摆在面前,即便是狭义相对论问世后的第六个年头,依旧有很多人对整个理论搞不明白,甚至于这个双生子佯谬的争论竟然断断续续的一直持续到了爱因斯坦去世后,依旧还有学者拿起来说事。学者如此,那对于普通大众来说,双生子佯谬则显 更加长寿, 时至今日,依旧有人在网上借其来“推翻”狭义相对论

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青年时期的爱因斯坦

那么上一段为何说这个“双生子佯谬”本不该是一个问题呢?

道理很简单,因为 狭义相对论要求的是惯性系之间平权 ,而问题当中的哥哥,因为 哥哥乘坐火箭 旅行,必定少不了加速、减速的过程,因此 他与弟弟二者之间就不是惯性系平权的关系了 ,因此题目中 存在一个非惯性系 那么结论自然就不可能是“双方看对方,都觉着对方比自己年轻”了。 (言外之意,如果这个过程中二者都保持惯性系不变,那么这个结论才成立)

但很多人对这个解释不满意

其实上段就是对于双生子佯谬的解释,但 他们认为由于运动是相对的 ,在 哥哥眼中,弟弟也是一个非惯性系 ,也有加速、减速。对于一些不太深入了解相对论的朋友来说,这条反驳显的很有分量,似乎这个问题又回到了原点,成了一个矛盾,似乎得不出答案了。

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但实际上,这仅仅是从牛顿力学的角度出发才会有的想法,这里所谓对等的,大家都有的加速速仅仅是三维加速度而已。 如果通俗来讲, 哥哥认为弟弟有加速度,其实是一个假的加速度,因为对于弟弟本人而言,他丝毫没有感觉到类似于“推背感”的这种感觉出现 (为了避免误解,你可以认为弟弟处于太空中,或者忽略地球质量的存在,免的因为对广义相对论中等效原理的过度理解而导致不信服); 而弟弟认为哥哥有加速度,却是真的加速度,因此哥哥很清晰的知道并感觉到自己是处于一个加速飞行器中

加速度的问题解决了,那么接下来是不是就没有疑问了?事实证明并不是这样。

虽然到目前为止, 我们似乎给这个问题得到了定性的答案:哥哥比弟弟年轻 。但很多人对这个答案的由来却出现了偏差,因为涉及加速度,于是就很自然的想到了广义相对论中的 等效原理

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而关于等效原理, 最通俗的解释就是:加速度与引力场等效 然而正是这种通俗的解释,又给双生子佯谬带来了新的问题

不少科普文章都这样说: 由于等效原理,火箭中的哥哥因为具备加速度,因此等效于处在一个引力场当中,而广义相对论告诉我们,引力场不同位置有不同的时间流速,也就是引力场会导致时间变慢(相比于无引力的弟弟而言)

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导航卫星中存在相对论时间修正项

乍一看,这样的解释简直“天衣无缝”,甚至还会发出:“你看,在这问题上,我们竟然对狭义相对论和广义相对论有了一个很好的认识”等类似的感叹。

然而事实情况并非如此,实际上哥哥并没有处在引力场中 ,之所以有那样的结论,仅仅 是因为对等效原理的误解 所致,或者那只是一个假的引力场,既然是假的,那么“哥哥的时间变慢”这个结论又是从哪得来的呢?

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很显然,就是单纯的从狭义相对论中得到的, 更加详细的解释( 附带一些必要的计算过程以及为什么说哥哥处的是一个假引力场)将会在下一篇文章中给出。

总的来说,双生子佯谬只是一个单纯的狭义相对论问题,而不是什么悖论佯谬,因为它可以得到很合理的解释。

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编辑:Zero

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