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難住愛因斯坦的雙生子佯謬:坐宇宙飛船去旅行,回來怎麼年輕了?

Ashin 2023/01/17

有這樣一個問題,它是愛因斯坦相對論的最大的敵人,困擾了無數科學家。

這個問題就是物理學界最著名的雙生子佯謬,一對孿生兄弟的時間旅行。

時空旅行

這個問題充分說明了參考系的重要性,從而激發了更多物理理論的完善。

那麼,雙生子佯謬究竟在當年掀起了怎麼樣的風暴?

時空隧道

參考系

為什麼坐火車看見窗外的景色在向后退?

我們站在地面上一動不動,其實 一天運動了8萬里,為什麼手機上顯示不出來?

這一切的現象都來自于參考系的選擇, 這個世界上不存在絕對的靜止,任何物質都是在運動的。

那麼,既然參考系選得不同,是不是說明宇宙中存在不同的時間系統呢?

早在古代的傳說中就有 天上一天,地上一年的說法。

很長一段時間,人們都當這個是假象,并不存在。

傳說中的天庭「天上一天,地上一年」

然而在1905年,一個叫愛因斯坦的人表示,真的存在「天上一天,地上一年」的情況。

假如神仙們每天都在以光速在天上飛來飛去,那麼 他們的一天就相當于正常情況下的一年

這就是根據他的狹義相對論而產生的 鐘慢效應,即 一個物體的速度越快,所感受到的時間流逝就會越慢

此外,狹義相對論還誕生了 時間膨脹,即 質量越大的物體它周圍空間的時間流逝也會變慢

我們可以理解為,天庭的質量非常大,超過了凡間,而且神仙們的運動速度都在光速以上。

神仙們以光速飛行

所以,他們的一天時間等于普通人的一年。

放眼宇宙,符合這樣條件的地方只有一個,那就是黑洞。

敢情搞了半天,神仙們住的地方是黑洞?頓時對神仙的住所沒有多大的向往了。

然而,站在神仙的角度來看人間,就有點像坐火車, 人間與他們的飛行方向相反,且速度也是光速,只不過方向是反的。

宇宙中的黑洞

這樣看下來,神仙不可能感受到人間的一年, 以他們為參考系,人間才是那個「天庭」

甚至于, 神仙本身相對于天庭來說是靜止的,人間相對于它們反而是光速運動的。

神仙看到的人間, 時間也變慢了

這聽起來有點匪夷所思,因為按照我們一般人的想法,神仙會覺得人間過得很快,他們吃個飯的時間,人間的一對新人就已經走完了結婚生孩子的一條龍。

或許這就是物理的奇妙之處,總是讓人顛覆世界。

包括愛因斯坦本人的相對論,也被人用相似的理論質疑過。

人類發射的飛行器

雙生子佯謬

1911年, 朗之萬提出了著名的 雙生子佯謬,這位法國來的物理學家質疑愛因斯坦在6年前發表的狹義相對論。

假設一對孿生兄弟熊大和熊二,熊大坐上飛船離開地球, 先通過加速讓飛船達到光速,之后進行勻速直線運動。

航程過半掉頭,以光速返回地球, 在距離地球有一定距離的時候減速,最后降落在地面與熊二匯合。

熊二則留在地球上等待哥哥, 等熊大在飛行一年之后回來,發現熊二已經老了

雙生子詳謬

乍一看這個假設是在對愛因斯坦的狹義相對論進行注解,然而郎之萬說到,整件事情可以換一個角度去看待。

對于參加飛行的熊大來說,他 對于飛船來說是靜止的,在他看來,自己的兄弟熊二,是在朝相反的反向運動。

熊大除了剛開始的加速和最后的加速, 其他時候都在以光速勻速直線運動

發生的過程

在熊大的眼里,熊二才是光速飛行的那個,他自己是靜止的那個。

那麼,熊二就會在熊大的眼里會發生和之前描述一樣的情況, 在會面的時候,老的那個是熊大

這就產生了一個說不清的問題, 這兩兄弟,到底誰老了?

熊大下飛船的時候會覺得熊二比他年輕,自己老了;熊二見到哥哥的時候,會覺得哥哥更年輕了。

由于 無法證明究竟是誰年輕了,誰老了,所以才叫做 雙生子佯謬

由此可見,當尋找的參照物不同, 這個時間系統就會出現完全相反的情況

不同參考系

詳謬的解釋

那麼這個雙生子詳謬真的能證明愛因斯坦的狹義相對論有錯嗎?

其實愛因斯坦在創立相對論的時候就考慮過這個問題。

熊大經歷了加速、減速的階段,是 變加速運動參考系,而地球則近似于 慣性系

不同參考系比較本身就沒有意義,如果要辨別誰更年輕,那麼需要將兩兄弟放入同一個參考系。

不同空間的地球

熊大有加速、勻速和減速三個階段,他的 世界線是兩點之間一條曲線

熊二只有靜止,那麼他的世界線是 兩點之間一條直線

看起來熊大的世界線更長,這樣他的年齡會更大,可是此刻兩者在一個參考系,會出現「 非歐體系」,即一切歐幾里得的空間世界將不復存在, 出現兩點之間線段最大的情況

最終熊大還是要年輕于自己的弟弟熊二。

雙生子的時間線

愛因斯坦的狹義相對論并不適用于巨觀情況下,因為大部分物體在巨觀中的質量、速度都沒有達到時間膨脹的程度。

也就是說, 只有在太空中存在時間膨脹、鐘慢效應等

1971年,人類試圖復刻雙生子詳謬,于是科學家用 四台銫原子鐘參與了實驗。

他們將其中一台放在天文館,剩下的原子鐘 參與環球飛行分別向東和向西

銫原子鐘

實驗結果顯示,向東的銫原子鐘與停留在原地的銫原子鐘之間相差了 59納秒

而向西那個更離譜, 出現了273納秒的時差

最后的結果沒有證明雙生子詳謬,也無法證明狹義相對論,只能證明巨觀的時間,不會發生這兩種情況。

因此,雙生子詳謬最終只能被稱為「詳謬」,而不是「悖論」。

只能說, 運動的系統有太多了,我們很多人 被地球的慣性系束縛了思維,無法想象這之外的運動。

慣性系只是其中的一種,在 宇宙中的運動多種多樣

宇宙的運動遠比我們想象的多

如果雙生子詳謬照進現實

如果一定要追究雙生子詳謬,可能 很多電視劇都沒辦法演下去

達到光速就可以進入時空隧道,進行穿越時空或者時空旅行。

按照影視劇上的說法,主角穿越回來后,似乎一切都沒有發生改變,他或者她在過去很長時間的經歷,在現實中只是在醫院里昏迷了一陣子。

那麼回來的主角到底是老了,還是更年輕了?

影視劇里的時空隧道

大部分影視劇里都是維持原樣,沒有老也沒有年輕。因為如果非要糾結年齡,電視劇恐怕就會變成科幻片,最后引發劇烈的討論。

只不過討論的焦點不是電視劇本身的內容,而是這個編劇的物理水平。

未來,如果人類突破光速旅行實現星際自由穿梭,那麼宇宙很有可能不是我們現在看到的這個樣子,更不是我們能夠預測到的。

只能說,愛因斯坦的理論太過于超前,還沒有任何實質性的實驗來驗證他的學說。

科學巨匠愛因斯坦

他的相對論也是 唯一沒有實驗作為依據的結論

以至于 很多人認為愛因斯坦是外星人,他的思維不是地球人能理解的,這些相對論,或許是外星人借愛因斯坦之口幫助人類提高文明的level,早日與宇宙文明接軌。

物理學界一直認為, 沒有愛因斯坦人類會落后至少50年,可想而知他的巨大作用,稱呼他為 「文明巨匠」都可以。

人類的科技

人類可以用實驗驗證愛因斯坦的學說之時,就是人類文明實現突破之際。

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