简单聊聊狭义相对论的双生子佯谬
我记得还是在我上硕士的时候,查看文献。其中就看见一个物理学论文非常简洁,通篇只有A4纸一张,上面写着几个公式而已。
我一直认为真正深奥的科学或者理论不应该很复杂,应该是普通人都能明白的才是真正的科学。下面我来用大白话聊聊狭义相对论的双子佯谬。
背景知识:
1,从一个参照物观察相对于这个参照物快速运动的物体时,这个快速运动的物体的时间会变慢。(光子弹射时钟的例子很简明易懂)
2,真空中光速不变(光源移动与否,参照物观察者移动与否都不影响光速)。
3,引力对光的作用。从而理解在强引力的情况下时间会变慢。(日食的实验和台球桌凹陷时滚动台球的例子相对简明易懂)
4,有意义的信息传递不可能超过光速,有质量的物体想达到甚至超过光速目前科学来说不可能。
双生子佯谬背景(略,自己百度一下就有)。但是我们这里的设定稍微改一下,因为双生子佯谬里面提到的是一个在地球,一个宇宙旅行。这个设定让地球引力对在地球的孩子的时间产生了单方面影响,会复杂化问题。所以我们假设两个孩子A和B,都是在太空中(真空中,光的速度相同)。只是B以接近光速远离A,之后再以接近光速回到A的身边,对比两个人的衰老状态。(在B的来回过程中,所通过的宇宙都是平坦的,在途中并没有多于A的外界引力。)
我偏向的结论:B在回到A身边时一定比A要年轻。
分析:
这个佯谬的重要强调因素是伽利略相对性原理,也就是所谓的运动是相对的,当B以接近光速远离A的时候,虽然A看B的时间在变慢,但是反过来可以想成B没有动而A在以接近光速远离B,这样B看A的时间也应该变慢。反之B靠近A的时候也是一样的。
就这一点而言是没什么问题的,如果B在以接近光速的速度匀速远离或靠近A的话,两个人确实会各自看彼此的时间都变慢了,都会觉得对方比自己年轻。(挺神奇是吧)
但是这里忽略了一点就是到达接近光速之前的加速度和为了掉头回来时候的一次减速和加速。而在有变速的情况下就不再是惯性系,其运动是相互的伽利略相对性原理也便不再适用。可能是因为这个佯谬的提出是在1911年,那个时候还没有广义相对论,而狭义相对论中并没有涉及到引力和加速度的等效性,只是在惯性系中的理论。直到1915年广义相对论中才明确了引力和加速度的等效性。而引力对时间的影响作用是非常大的。
试想把一个有质量物质加速到近似光速需要的能量是巨大的(E=mc^2),到达光速的间隔越短所需要的瞬间爆发能量就越大。而加速度届时所产生的引力可能不亚于一个黑洞所带来的引力场,在这个引力场的作用下B相对于A的时间就会慢非常多。甚至如果是黑洞的引力的话B对于A的时间是相对静止的。所以A的衰老速度会相对快于B。
所以看来影响了两人衰老的是变速运动了。如果当B加速到接近光速后开始匀速在宇宙中前进,通过宇宙中某点,这里有和现在的B同样衰老程度的C,那么只要B还保持对C进行着匀速运动,那么两个人的衰老程度就是一样的。只是双方都看对方的时间变慢,都以为对方比自己年轻。但是当其中一方想要去追上对方进行核实时,那对方一定比自己衰老。
不过我所担心的确实,我们的相对论很大程度上都在依赖光这个家伙,如果在将来,当我们的科学技术更加飞跃的时候,会不会这个家伙会背叛我们呢?如果真是这样,借用普朗克在相对论发表时所说的:“牛顿物理学,崩溃了!”,相信那天的新闻头条会是“爱因斯坦相对论,崩溃了!”
我一直认为真正深奥的科学或者理论不应该很复杂,应该是普通人都能明白的才是真正的科学。下面我来用大白话聊聊狭义相对论的双子佯谬。
背景知识:
1,从一个参照物观察相对于这个参照物快速运动的物体时,这个快速运动的物体的时间会变慢。(光子弹射时钟的例子很简明易懂)
2,真空中光速不变(光源移动与否,参照物观察者移动与否都不影响光速)。
3,引力对光的作用。从而理解在强引力的情况下时间会变慢。(日食的实验和台球桌凹陷时滚动台球的例子相对简明易懂)
4,有意义的信息传递不可能超过光速,有质量的物体想达到甚至超过光速目前科学来说不可能。
双生子佯谬背景(略,自己百度一下就有)。但是我们这里的设定稍微改一下,因为双生子佯谬里面提到的是一个在地球,一个宇宙旅行。这个设定让地球引力对在地球的孩子的时间产生了单方面影响,会复杂化问题。所以我们假设两个孩子A和B,都是在太空中(真空中,光的速度相同)。只是B以接近光速远离A,之后再以接近光速回到A的身边,对比两个人的衰老状态。(在B的来回过程中,所通过的宇宙都是平坦的,在途中并没有多于A的外界引力。)
我偏向的结论:B在回到A身边时一定比A要年轻。
分析:
这个佯谬的重要强调因素是伽利略相对性原理,也就是所谓的运动是相对的,当B以接近光速远离A的时候,虽然A看B的时间在变慢,但是反过来可以想成B没有动而A在以接近光速远离B,这样B看A的时间也应该变慢。反之B靠近A的时候也是一样的。
就这一点而言是没什么问题的,如果B在以接近光速的速度匀速远离或靠近A的话,两个人确实会各自看彼此的时间都变慢了,都会觉得对方比自己年轻。(挺神奇是吧)
但是这里忽略了一点就是到达接近光速之前的加速度和为了掉头回来时候的一次减速和加速。而在有变速的情况下就不再是惯性系,其运动是相互的伽利略相对性原理也便不再适用。可能是因为这个佯谬的提出是在1911年,那个时候还没有广义相对论,而狭义相对论中并没有涉及到引力和加速度的等效性,只是在惯性系中的理论。直到1915年广义相对论中才明确了引力和加速度的等效性。而引力对时间的影响作用是非常大的。
试想把一个有质量物质加速到近似光速需要的能量是巨大的(E=mc^2),到达光速的间隔越短所需要的瞬间爆发能量就越大。而加速度届时所产生的引力可能不亚于一个黑洞所带来的引力场,在这个引力场的作用下B相对于A的时间就会慢非常多。甚至如果是黑洞的引力的话B对于A的时间是相对静止的。所以A的衰老速度会相对快于B。
所以看来影响了两人衰老的是变速运动了。如果当B加速到接近光速后开始匀速在宇宙中前进,通过宇宙中某点,这里有和现在的B同样衰老程度的C,那么只要B还保持对C进行着匀速运动,那么两个人的衰老程度就是一样的。只是双方都看对方的时间变慢,都以为对方比自己年轻。但是当其中一方想要去追上对方进行核实时,那对方一定比自己衰老。
不过我所担心的确实,我们的相对论很大程度上都在依赖光这个家伙,如果在将来,当我们的科学技术更加飞跃的时候,会不会这个家伙会背叛我们呢?如果真是这样,借用普朗克在相对论发表时所说的:“牛顿物理学,崩溃了!”,相信那天的新闻头条会是“爱因斯坦相对论,崩溃了!”
如果当B加速到接近光速后开始匀速在宇宙中前进……那么只要B还保持对C进行着匀速运动,那么两个人的衰老程度就是一样的。
这段,感觉很像比如地球和火星,也是太阳系诞生的时候他们必然做过加速运动,现在相对做匀速运动(都是公转速度接近光速),但是怎么看这两个星球的时间谁膨胀?地球目前不可能亲自去看,我们只能从地球派出飞船,地球派出的飞船,达不到地球速度,可以当作“地球的一部分在做减速运动”,所以飞船到达火星的时候,宇航员可能感觉不出来火星和地球谁老,但是能感觉到火星上的时间比地球上的时间慢、膨胀了?
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