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“双生子佯谬”图解及简答

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“双生子佯谬”图解及简答

(一)图解
提示:请将(1)(2)的5个节点一一对照来看
(1)以地球为相对静止态
1.出发时,地球和飞船均位于O点,视野一致。
2.飞船行至OA线段中间点时,这时飞船上看到太空中站着一个帅哥,帅哥相对地球永远静止不动,接着飞船“远远地”看见位于遥远的A点的折返点的牌子,并向它飞去。
3.飞船到达折返点A时,假设距地球10光年,则OA=10光年,飞船上看到A点处放着一块写有“折返点”的标志牌,然后飞船掉头向地球返程。
4.飞船返回至OA线段中间点时,再次看见帅哥。
5.飞船返回地球(即O点),地球上年迈的弟弟看到飞船上年轻的哥哥。
(2)以飞船为相对静止态
1.出发时,地球和飞船均位于O点,视野一致。
2.地球出发后,飞船会发现,地球并非按上面(1)“以地球为相对静止时,飞船运动”的镜像(即OB虚线)飞行,也就是看似地球向B点(A点的对称折返点)飞行,其实不然。地球飞行一段时间后,“静止的”飞船突然发现视野里出现了一个帅哥,地球却自始至终都没有看到位于OB线段中间点的美女,以及OB线段上的任何事件。而飞船却“远远地”看见A处折返点的牌子似乎在向自己飞来。
3.地球继续飞行一段时间,“静止的”飞船竟然看到了由远处飞来的“折返点”的牌子,这时飞船与地球相距10光年。然后“折返点”的牌子开始掉头远离自己而去。
4.接着,一段时间后,飞船再次看到帅哥,也看到地球与自己在靠近,“折返点”的牌子在与自己远离。
5.地球返回飞船(即O点),飞船上年轻的哥哥看到地球上年老的弟弟。
通过上图演示,我们会发现,不论以谁为静态来看,在整个相对运动过程中,地球既没有穿行OA线段,更没有穿行OB线段,既没有看到帅哥,也没有看到美女。地球没有像飞船穿行OA线段那样镜像地去穿行OB线段,在飞船眼里地球似乎走的是虚线,实则地球相对AB线段内并没有位移,而飞船也只是在OA线段内位移。
相对运动时,地球与飞船并非以O点为中心,分别对相对静止的一方做镜像对称运动。进一步观察,我们会发现,与飞船做相对运动的并非是地球O点,而是包含地球、帅哥、折返点在内的OA线段,是整条OA线段在相对飞船运动。也就是相对运动的两个物体,一个是飞船,一个是OA线段代表的广域但有限的空间,其实这个空间可以理解为就是一个体积庞大的普通物体。而线段上无数点中的任意某个点都不能代表该线段,比如起点地球,地球只是这个相对飞船高速运动的庞大物体的微小组成部分。
(二)简答
1.根据尺缩效应公式,物体在静止状态下的长度越长、物体的运动速度越快,尺缩的程度就越大,因为相对运动的两个物体其速度一样,所以它们的尺缩差异就表现在长度上,OA线段是以光年为长度单位的庞然大物,而飞船是以米为单位的物体,两者长度差异巨大,所以它们的尺缩效应差距巨大,而尺缩效应与钟慢效应等效,所以飞船上时间变慢的程度远大于地球。
2.不严格来讲,在地球附近(这个附近是以光年为尺度的)大多数物体相对地球的运动速度都是相对较慢的,也就是说与接近光速的飞船相比,这一宇宙空间相对地球是静止或接近静止的,这样就相当于在地球附近广阔的空间中布满静态点,而飞船在任一点返程,这个点就会与地球形成一个巨大的“物体”(即OA线段的长度随返航点的确定而确定),成为计算飞船尺缩效应和钟慢效应的长度依据。如果飞船不返航(即以地球为端点的射线),虽然飞船照样发生尺缩效应和钟慢效应,但效应计算公式只有速度项,而没有确定的长度项,所以无法计算出结果,也就是飞船上的哥哥虽然更年轻,但若不返回地球,就无法知道比弟弟具体年轻多少岁。
3.举个例子:宇航员要带女朋友太空旅行,假如飞船可以瞬间达到亚光速,宇航员刚飞出地球大气层,发现女朋友没上船,便返回地球,这时飞船的相对运动对象是比地球略大的这么个物体(或空间),在飞船看来,尺缩效应微乎其微,同样宇航员比女朋友可能只年轻了几纳秒,看到等在发射场的女朋友,宇航员当然开心无比。飞行重新开始,结果一年后,宇航员才发现,女朋友又不在飞船上,只好再次返回地球接女朋友,这次飞船的相对运动对像已经是光年尺度的“物体”了,而迎接宇航员的是已经是抱着外孙的女朋友了。表面看飞船的这两次飞行的相对运动对象都是地球,其实这只是宇航员所希望的。
(三)结论
综上,“双生子佯谬”并不影响(甚至可以说不涉及)“相对论”理论本身,其本质就是寻找相对运动“对象”的脑筋急转弯游戏。


IP属地:河北1楼2024-05-08 17:28回复