雙生子效應,到底是誰的時間變慢了?


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雙生子效應,到底是誰的時間變慢了?

1905年,這一年愛因斯坦連發5篇論文,其中就有《論動體的電動力學》,在這篇論文中愛因斯坦首先給出了兩條基本假設,光速不變原理以及相對性原理。

根據這兩條原理,愛因斯坦推出了同時的相對性,洛倫茲變換,時間膨脹效應,尺縮效應,給出了新的速度合成公式。讓人們對時間和空間有了新的認識。

在同年的愛因斯坦又補發了最後一篇簡短的論文,在這篇論文中,愛因斯坦給出了質速公式,解決了超光速的問題,同時也寫出了那個著名的質能公式。

表明了,質量只是能量的一種表現形式,讓人們對能量有了一個全新的認識。至此狹義相對論完成,它調和了經典力學和電磁學之間的矛盾。

但是狹義相對論的發表,並沒有讓愛因斯坦名聲大噪,充其量是讓更多的人認識到了這個在專利局上班的三級技術員。

原因是,愛因斯坦也承認狹義相對論的所有思想都是總結前人的成功,沒有多少原創思想,充其量是他富有了這些數學公式新的物理意義而已。

其次是,狹義相對論所說的所有效應,在當時都無法驗證,感覺跟我們的生活沒有任何關係。

最後就是狹義相對論中的某些思想,在當時並不被人們理解。因為太過抽象。

比如時間膨脹效應,人們認為運動都是相對的,你相對於我運動,我看到你的時間變慢,而你也可以認為你是靜止的,我在相對於你運動,你看到我的時間變慢,這種相互之間等價的效應,實際上沒有任何真實的效果。

而在愛因斯坦的論文中,這確是真實的效果。確實會發生兩個參照係時間流逝速度不同的情況。

其實這並不是普通人的疑問,而是1911年4月的波隆哲學大會上,由朗之萬提出的一個佯謬,叫雙生子佯謬。

這個問題在當年就被愛因斯坦解決了,並不是實際情況與理論相違背,而是朗之萬並沒有理解相對論,所以現在叫雙生子佯謬並不合適,應該叫雙生子效應。

雙生子效應是這樣的,有甲乙兩個雙胞胎兄弟,現在讓甲待在地球上,乙乘坐宇宙飛船以接近光速的速度太空旅行,然後返回地球,當他回到地球的時候就會發現,自己比甲年輕。

因為光速旅行的時間會變慢,如果是以0.9999C旅行的話,那麼相對論因子大約為70,也就是說,飛船上的1年等於地球上的70年。

當甲乙兩人分開的時候是20歲,那麼等乙返回的時候,就會發現自己才21歲,而甲都變成了一個90歲的老頭了。

但是別忘了,運動是相對的,地球上的甲可以認為自己比乙年輕,因為在他看來,完全可以認為乙沒有動,而是自己朝著相反的方向旅行了一圈,然後回來,因此他會認為自己比乙年輕。

這兩個結論明顯互相矛盾,那麼誰對誰錯?到底是甲年輕,還是乙年輕?

誰對誰錯,這個問題其實很簡單,我們知道狹義相對論的中時間膨脹效應只在慣性系中等效,這是狹義相對論的前提,慣性系中物理定律保持不變。如果我們兩個相對做慣性運動,那你可以認為我的時間變慢,我也可以認為你的時間變慢。

但是只要有一方偏離了慣性系,那麼這個效應就不再是等價的,做非慣性運動的人,也就是做變速運動的人相對於慣性系中的人,他的時間變慢效應是真實的。

那麼問題是,甲和乙誰經歷了非慣性運動?

你可能會認為是乙,因為他坐飛船離開地球的時候,先加速到了0.9999C,然後以這個速度勻速飛行,當他返回地球的時候,勢必要減速到0,然後又朝著地球在加速到0.9999C,很明顯乙在做非慣性運動。

但是甲何嘗不認為是乙不動,自己在加速遠離,然後加速返回的。這個問題沒法解決了?其實不然,別忘了我們是如何定義慣性系的。

相對於孤立質點靜止,或做勻速直線運動的參照系,就稱為慣性系。掌握了這一點之後,我們重新思考下雙生子實驗。

在宇宙中,我們可以把一顆流浪行星比作一個孤立質點,它漂浮在浩渺的宇宙空間中,不與任何物質發生相互作用,它的運動狀態就可以看作是一個完美的慣性系(靜止或直線運動)。

現在我們的地球相對於這個流浪行星是靜止的,那麼我們的地球也是一個完美的慣性系,現在我們讓乙乘坐飛船經歷加速,減速,再加速返回地球,那麼乙會認為自然經歷了變速運動,自己時間變慢更年輕。

此時甲就不能認為是乙沒有動,是自己做了變速運動,因為現在有了一個絕對完美的慣性系,流浪行星作為參考系,很明顯甲一直相對於流浪行星在做慣性運動,它並沒有經歷非慣性運動,而乙的慣性運動是真實的,因為它真的相對於流浪行星在做非慣性運動。

所以乙認為自己比地球上的甲年輕是正確的,因為他真實的偏離了慣性運動。因此雙生子佯謬並不是一個佯謬,而是一個真實的效應,很早都在狹義相對論的基礎上得到了解決。

當然解決解釋雙生子效應的辦法還有很多,我說的這個最為簡單,也更偏向科普。雖然利用閔氏時空圖更加直觀一些,但是我們這些門外漢看起來還是略顯複雜。

相信細心的你,已經發現了這樣一個問題,在相對論中,處在不同的運動狀態的人,都有自己獨立的時間和空間,並且對時間流逝速度的感受以及空間的測量會獲得不同的結果。

但是兩個處在慣性運動狀態的人,相對論效應是等價的,因此這些效應會相互抵消,比如時間膨脹效應,你認為我慢,我又認為你慢,結果是我們倆之間的時間流逝速度一樣。

經過很長時間的相對運動,你不可能比我年輕,我也不可能比你年輕。

但是當你處在非慣性運動的時候,你相對於慣性運動的觀察者來說,你的時間膨脹效應就是真實的。

因此,我們得到的結論就是,要想讓自己變得比其他人年輕,也就是要想讓自己時間的流逝速度比其他人慢,那就是做非慣性運動。

下節課,我們再詳細說,如何做才能讓自己變得更年輕,以及雙生子效應的驗證實驗。