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双生子效应,到底是谁的时间变慢了?

1905年,这一年爱因斯坦连发5篇论文,其中就有《论动体的电动力学》,在这篇论文中爱因斯坦首先给出了两条基本假设,光速不变原理以及相对性原理。

根据这两条原理,爱因斯坦推出了同时的相对性,洛伦兹变换,时间膨胀效应,尺缩效应,给出了新的速度合成公式。让人们对时间和空间有了新的认识。

在同年的爱因斯坦又补发了最后一篇简短的论文,在这篇论文中,爱因斯坦给出了质速公式,解决了超光速的问题,同时也写出了那个著名的质能公式。

表明了,质量只是能量的一种表现形式,让人们对能量有了一个全新的认识。至此狭义相对论完成,它调和了经典力学和电磁学之间的矛盾。

但是狭义相对论的发表,并没有让爱因斯坦名声大噪,充其量是让更多的人认识到了这个在专利局上班的三级技术员。

原因是,爱因斯坦也承认狭义相对论的所有思想都是总结前人的成功,没有多少原创思想,充其量是他富有了这些数学公式新的物理意义而已。

其次是,狭义相对论所说的所有效应,在当时都无法验证,感觉跟我们的生活没有任何关系。

最后就是狭义相对论中的某些思想,在当时并不被人们理解。因为太过抽象。

比如时间膨胀效应,人们认为运动都是相对的,你相对于我运动,我看到你的时间变慢,而你也可以认为你是静止的,我在相对于你运动,你看到我的时间变慢,这种相互之间等价的效应,实际上没有任何真实的效果。

而在爱因斯坦的论文中,这确是真实的效果。确实会发生两个参照系时间流逝速度不同的情况。

其实这并不是普通人的疑问,而是1911年4月的波隆哲学大会上,由朗之万提出的一个佯谬,叫双生子佯谬。

这个问题在当年就被爱因斯坦解决了,并不是实际情况与理论相违背,而是朗之万并没有理解相对论,所以现在叫双生子佯谬并不合适,应该叫双生子效应。

双生子效应是这样的,有甲乙两个双胞胎兄弟,现在让甲待在地球上,乙乘坐宇宙飞船以接近光速的速度太空旅行,然后返回地球,当他回到地球的时候就会发现,自己比甲年轻。

因为光速旅行的时间会变慢,如果是以0.9999C旅行的话,那么相对论因子大约为70,也就是说,飞船上的1年等于地球上的70年。

当甲乙两人分开的时候是20岁,那么等乙返回的时候,就会发现自己才21岁,而甲都变成了一个90岁的老头了。

但是别忘了,运动是相对的,地球上的甲可以认为自己比乙年轻,因为在他看来,完全可以认为乙没有动,而是自己朝着相反的方向旅行了一圈,然后回来,因此他会认为自己比乙年轻。

这两个结论明显互相矛盾,那么谁对谁错?到底是甲年轻,还是乙年轻?

谁对谁错,这个问题其实很简单,我们知道狭义相对论的中时间膨胀效应只在惯性系中等效,这是狭义相对论的前提,惯性系中物理定律保持不变。如果我们两个相对做惯性运动,那你可以认为我的时间变慢,我也可以认为你的时间变慢。

但是只要有一方偏离了惯性系,那么这个效应就不再是等价的,做非惯性运动的人,也就是做变速运动的人相对于惯性系中的人,他的时间变慢效应是真实的。

那么问题是,甲和乙谁经历了非惯性运动?

你可能会认为是乙,因为他坐飞船离开地球的时候,先加速到了0.9999C,然后以这个速度匀速飞行,当他返回地球的时候,势必要减速到0,然后又朝着地球在加速到0.9999C,很明显乙在做非惯性运动。

但是甲何尝不认为是乙不动,自己在加速远离,然后加速返回的。这个问题没法解决了?其实不然,别忘了我们是如何定义惯性系的。

相对于孤立质点静止,或做匀速直线运动的参照系,就称为惯性系。掌握了这一点之后,我们重新思考下双生子实验。

在宇宙中,我们可以把一颗流浪行星比作一个孤立质点,它漂浮在浩渺的宇宙空间中,不与任何物质发生相互作用,它的运动状态就可以看作是一个完美的惯性系(静止或直线运动)。

现在我们的地球相对于这个流浪行星是静止的,那么我们的地球也是一个完美的惯性系,现在我们让乙乘坐飞船经历加速,减速,再加速返回地球,那么乙会认为自然经历了变速运动,自己时间变慢更年轻。

此时甲就不能认为是乙没有动,是自己做了变速运动,因为现在有了一个绝对完美的惯性系,流浪行星作为参考系,很明显甲一直相对于流浪行星在做惯性运动,它并没有经历非惯性运动,而乙的惯性运动是真实的,因为它真的相对于流浪行星在做非惯性运动。

所以乙认为自己比地球上的甲年轻是正确的,因为他真实的偏离了惯性运动。因此双生子佯谬并不是一个佯谬,而是一个真实的效应,很早都在狭义相对论的基础上得到了解决。

当然解决解释双生子效应的办法还有很多,我说的这个最为简单,也更偏向科普。虽然利用闵氏时空图更加直观一些,但是我们这些门外汉看起来还是略显复杂。

相信细心的你,已经发现了这样一个问题,在相对论中,处在不同的运动状态的人,都有自己独立的时间和空间,并且对时间流逝速度的感受以及空间的测量会获得不同的结果。

但是两个处在惯性运动状态的人,相对论效应是等价的,因此这些效应会相互抵消,比如时间膨胀效应,你认为我慢,我又认为你慢,结果是我们俩之间的时间流逝速度一样。

经过很长时间的相对运动,你不可能比我年轻,我也不可能比你年轻。

但是当你处在非惯性运动的时候,你相对于惯性运动的观察者来说,你的时间膨胀效应就是真实的。

因此,我们得到的结论就是,要想让自己变得比其他人年轻,也就是要想让自己时间的流逝速度比其他人慢,那就是做非惯性运动。

下节课,我们再详细说,如何做才能让自己变得更年轻,以及双生子效应的验证实验。