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解读“双生子佯谬”,以光速飞行就能永生?
这里强调一下,以光速飞行不现实,所以暂且假设以非常接近光速的速度飞行。
狭义相对论里有一个时间膨胀效应(钟慢效应),速度越快时间流逝速度就越慢,当速度达到光速,时间就会静止(纯理论分析)。
那么如此一来,当我们无限接近光速飞行时,时间就趋于停止,我们就能长生不老吗?
其实这是对狭义相对论的一种误解或者片面认知。该如何正确理解“速度越快时间就越慢”这句话呢?需要从双生子佯谬说起。
双生子佯谬,是一个思想实验,实验很简单。一对双胞胎兄弟,弟弟A和哥哥B。B乘坐亚光速飞船离开地球飞行一年后重返地球,发现A老了很多,而自己仍然年轻,为什么会这样?
简单说,因为时空是相对的,时间和空间都是可变的,而不是我们传统思维里的“时间和空间是绝对不变的”。
狭义相对论表明,任何一个惯性系的运动,都会导致其他惯性系里的观测者看到运动惯性系的时间发生变化(膨胀),也就是运动惯性系的时间变慢了。
举个例子,看下图,在一艘高速飞行的飞船里,平行放置两面反光镜,然后在镜子之间发生光子来回运动。
如果飞船是静止的,飞船里的你和地球上的我看到的光子运动情况都是一样的,左边的情况,垂直上下运动。
不过如果飞船以亚光速飞行,情况就不同了。你看到的光子仍旧在做垂直上下运动,但是在我眼里,光子的运动轨迹会发生明显变化,光子从底部到顶部然后在回到底部会经历更长时间(一个重要的前提:光速不变原理)。
也就是说,在我眼里,你的时间变慢了,你的一切动作都会是慢动作,就像慢动作播放的电影那样。不过飞船里的你显然不会感觉到任何异样,你的感觉与在地球上的感觉并没有什么不同。
不过,对于你来讲,地球上的我的时间也变慢了,我的一切也都是慢动作,因为速度是相对的,相对论效应也是相对的。
既然这样,相对论里所谓的时间膨胀效应意义何在呢?你和我都感觉对方的时间变慢了,那么到底谁对谁错呢?到底谁的时间变慢了呢?
这就是著名的“双生子佯谬”。
答案是:你和我的观点都是正确的。因为你和我的观测是建立在不同的两个参照系,不同参照系里的观测结果进行对比本身就是没有意义的。
也就是说,只要你不重返地球,我们永不相遇,我们两个的观点都是对的。而一旦你重返地球,就会分出对错。
重返地球后,我们两人就处于同一参照系里了,这时候你会发现你的观点是错的:我的时间并没有变慢,而是你的时间变慢了。
狭义相对论里还有很重要的一点,并不是所有观测者都拥有同等效应,只有身在惯性系的观测者才拥有同等的效应。
而在你离开地球和重返地球的过程中,势必会有加速和减速的过程,有了加速和减速就不再是惯性系,就不能享有相对论同等的效应。
如果你永远不返回地球,事情就简单多了,因为我们两者都认为的相对论效应对彼此没有任何影响,所以我们怎么认为对方就变得不再重要,也没有意义。
所以,当你重返地球后,会发现我变得更老了,而你仍旧年轻,对比之下就好像你穿越到了未来一样。那么,你到底年轻了多少呢?有一个简单的公式可以计算:
最后强调一下,狭义相对论的时间膨胀效应只适用于惯性系,如果有非惯性系就需要用广义相对论来诠释。所以,严格来讲,双生子佯谬不能用狭义相对论的时间膨胀效应诠释,因为飞船在掉头的过程并不是惯性系。
不过利用参照系的不断转换,仍旧可以用狭义相对论诠释,只不过整个过程会很复杂,而此时用广义相对论诠释就简单明了多了!加速减速的过程必然经历很强的引力场,因为惯性力和引力是等效的,这种等效也是广义相对论的重要前提之一。
既然你在加速减速的过程会经历强引力场,而强引力会让时间变慢,所以你的时间当然就比我更慢了!
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