难住爱因斯坦的双生子佯谬:坐宇宙飞船去旅行,回来为啥年轻了?

文摘   2024-11-20 16:55   重庆  


1900年4月27日,开尔文勋爵在英国皇家学会发表演讲,题目为“在热和光动力理论上空的十九世纪的乌云”。



他在演讲中宣称物理学大厦已经基本建成,所剩只是一些修饰工作,只有动力学天空上还飘着两朵乌云。


开尔文勋爵发表演讲4个月后,年轻的爱因斯坦从苏黎世联邦理工学院毕业,正式踏上历史舞台。


彼时,爱因斯坦正面临困惑,困惑于普通人习以为常的事物,时间和空间。



风和日丽的某一天,爱因斯坦乘坐公交车到伯尔尼专利局上班,回头看到伯尔尼钟楼。


他开始想象,如果公交车以光速前进,时钟会怎么样?


一副奇异景象随之出现在他脑海中,时钟指针停了下来。


这一次偶然的异想天开,令爱因斯坦茅塞顿开,他明白了物体在空间中速度越快,在时间中速度就越慢。


这便是狭义相对论雏形。


1905年,爱因斯坦发表论文《论运动物体的电动力学》,狭义相对论由此问世。



在这篇论文中,爱因斯坦重新定义了“同时”的概念,彻底颠覆了人类时空观念。


狭义相对论两个基本推论是:“动钟变慢”、“动尺缩短”。



所谓“动钟变慢”,即运动物体时间流逝减缓,速度越快,时间流逝越慢,也被称为“时间膨胀效应”。


为了质疑这一推论,法国物理学家郎之万提出了一个思想实验:双生子佯谬。


假设有一对双胞胎,哥哥留在地球上,弟弟乘坐太空船到宇宙中航行。


太空船飞行速度无限接近光速,在太空中旅行两年后回到地球。


根据狭义相对论原理,太空船相对于地球以接近光速运动,地球相对于太空船也是以接近光速运动。


根据狭义相对论原理,这对双胞胎相对于彼此时间都变慢了。


如此,当弟弟回到地球时,便会产生一个悖论:弟弟认为哥哥更年轻,哥哥认为弟弟更年轻。


这怎么可能呢?



据说,这个问题曾让爱因斯坦感到为难,一度对狭义相对论产生怀疑。


其实,这个问题爱因斯坦在创立狭义相对论之初便考虑过相对性可能带来的问题。


故而,他给狭义相对论设定了一个大前提,即各惯性系相等。


而弟弟进行太空旅行,太空船去而复返,不可避免地要经过加速、减速和匀速的过程,这就使得双方惯性系不再处于平等关系。



因而,用狭义相对论理论对二者时间进行比较没有意义。


如今,天文观测技术日新月异,双生子佯谬也得到了科学验证。


学者能够探测到产生于大气层上层的μ子,如果不是因为狭义相对论的时间膨胀现象,那么这些μ子将在到达地面之前就彻底衰变,根本不可能被探测到。


1915年,爱因斯坦发表了广义相对论。


通过广义相对论引力场和时空弯曲概念,可以从物理理论和数学推导方面对双生子佯谬进行解释,在此不做赘述。


物理学界流传着一句名言:“自然界和自然规律隐藏在黑暗中,上帝说,让牛顿出生吧!于是一切都是光明。


后来魔鬼说,让爱因斯坦降生吧,于是世界重归黑暗。”



总而言之,20世纪初,物理学天空上的两朵乌云,第一朵中诞生了相对论,另一朵中诞生了量子力学。


这二者的开创都与爱因斯坦有关。


毫无疑问,爱因斯坦是天才代名词。


可是,从其传记中可以看到,爱因斯坦少年时法语成绩只能徘徊在及格线上。


可见,即便是天才,也不可能精通所有学科,但这并不妨碍他们在优势领域中大放异彩。


故而,教育不应当只强调艰苦奋斗,募直前进。


发现天赋比努力更重要。



END




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