論運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)(誰的時(shí)間變慢了？)
1905年，愛因斯坦連續(xù)發(fā)表了五篇論文，包括關(guān)于運(yùn)動(dòng)物體電動(dòng)力學(xué)的論文。在這篇論文中，愛因斯坦首先給出了兩個(gè)基本假設(shè)，光速不變?cè)砗拖鄬?duì)性原理。
根據(jù)這兩個(gè)原理，愛因斯坦引入了同時(shí)相對(duì)論、洛倫茲變換、時(shí)間膨脹效應(yīng)和尺度收縮效應(yīng)，給出了新的速度合成公式。讓人對(duì)時(shí)間和空有了新的認(rèn)識(shí)。
同年，愛因斯坦重新發(fā)表了最后一篇短文。在這篇論文中，愛因斯坦給出了質(zhì)量和速度的公式，解決了超光速問題，還寫出了著名的質(zhì)量和能量公式。
說明質(zhì)量只是能量的一種表現(xiàn)形式，讓人們對(duì)能量有了全新的認(rèn)識(shí)。至此，狹義相對(duì)論完成，調(diào)和了經(jīng)典力學(xué)與電磁學(xué)的矛盾。
然而，狹義相對(duì)論的發(fā)表并沒有讓愛因斯坦出名。頂多讓更多人認(rèn)識(shí)到了在專利局工作的三級(jí)技師。
原因是愛因斯坦也承認(rèn)狹義相對(duì)論的所有思想都是總結(jié)前人的成功，沒有太多原創(chuàng)。充其量，他豐富了這些數(shù)學(xué)公式的新的物理意義。
其次，狹義相對(duì)論中提到的所有效應(yīng)，當(dāng)時(shí)都無法驗(yàn)證，感覺和我們的生活沒有關(guān)系。
最后，狹義相對(duì)論中的一些觀點(diǎn)，當(dāng)時(shí)的人們并不理解。因?yàn)樘橄罅恕?/p>
比如時(shí)間膨脹效應(yīng)，人們認(rèn)為運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的。當(dāng)你相對(duì)于我移動(dòng)時(shí)，我看到你的時(shí)間變慢了，而你也可以認(rèn)為你是靜止的。當(dāng)我相對(duì)于你移動(dòng)時(shí)，你會(huì)看到我的時(shí)間變慢了。這種相互等價(jià)的效果實(shí)際上并沒有真正的效果。
在愛因斯坦的論文中，這是真實(shí)的效應(yīng)。兩個(gè)參考幀的時(shí)間流逝速度確實(shí)不同。
其實(shí)這不是普通人的問題，而是朗之萬在1911年4月的波隆哲學(xué)會(huì)議上提出的一個(gè)悖論，叫做孿生悖論。
這個(gè)問題當(dāng)年被愛因斯坦解決了。并不是實(shí)際情況與理論相反，而是朗·萬智不理解相對(duì)論。所以現(xiàn)在稱之為孿生悖論并不恰當(dāng)。應(yīng)該叫孿生效應(yīng)。
孿生效應(yīng)是這樣的。有兩個(gè)雙胞胎兄弟，A和b。現(xiàn)在，A留在地球上。b乘坐飛船以接近光速的速度旅行too 空，然后返回地球。當(dāng)他回到地球時(shí)，他會(huì)發(fā)現(xiàn)自己比a還年輕。
因?yàn)楣馑傧碌穆眯袝r(shí)間會(huì)變慢，如果你以0.9999C的速度旅行，那么相對(duì)性因子約為70，即在飛船上的一年等于在地球上的70年。
甲方和乙方分手的時(shí)候都是20歲，所以當(dāng)乙方回來的時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)自己才21歲，而甲方已經(jīng)變成90歲的老人了。
但是別忘了，運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的。a在地球上可以認(rèn)為自己比B年輕，因?yàn)樵谒磥?，完全有可能認(rèn)為B沒有動(dòng)，而是向相反的方向行進(jìn)，然后回來了。所以，他會(huì)認(rèn)為自己比b小。
這兩個(gè)結(jié)論明顯相互矛盾，那么誰對(duì)誰錯(cuò)呢？A年輕還是B年輕？
誰對(duì)誰錯(cuò)？這個(gè)問題其實(shí)很簡單。我們知道狹義相對(duì)論的中間時(shí)間膨脹效應(yīng)只在慣性系中等價(jià)，這是狹義相對(duì)論的前提，慣性系中的物理定律不變。如果我們兩個(gè)相對(duì)做慣性運(yùn)動(dòng)，那么你可以認(rèn)為我的時(shí)間慢，我也可以認(rèn)為你的時(shí)間慢。
但只要有一方偏離了慣性系，那么這個(gè)效應(yīng)就不再等價(jià)。做非慣性運(yùn)動(dòng)的人，也就是做變速運(yùn)動(dòng)的人，相對(duì)于慣性系中的人，有一個(gè)實(shí)時(shí)減速的效果。
那么問題來了，誰經(jīng)歷過非慣性運(yùn)動(dòng)，A還是B？
你可能會(huì)覺得是B，因?yàn)樗孙w船離開地球時(shí)，先加速到0.9999C，然后勻速飛行。當(dāng)他返回地球時(shí)，他不得不減速到0，然后加速到0.9999C向地球飛去。很明顯，B在做非慣性運(yùn)動(dòng)。
但是A并不認(rèn)為B不動(dòng)，他是在飛馳而去，然后又飛馳回來。這個(gè)問題解決不了？其實(shí)別忘了我們是怎么定義慣性系的。
相對(duì)于孤立粒子靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)的參照系稱為慣性系。考慮到這一點(diǎn)，讓我們重新思考雙胞胎實(shí)驗(yàn)。
在宇宙中，我們可以把一個(gè)流氓行星比作一個(gè)孤立的粒子。它漂浮在浩瀚的宇宙空中，不與任何物質(zhì)發(fā)生作用。它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以看作是一個(gè)完美的慣性系(靜止或直線運(yùn)動(dòng))。
既然我們的地球相對(duì)于這個(gè)流氓行星是靜止的，那么我們的地球也是一個(gè)完美的慣性系統(tǒng)?，F(xiàn)在我們讓B加速，減速，再加速坐飛船回地球，那么B就會(huì)認(rèn)為大自然經(jīng)歷了變速運(yùn)動(dòng)，他的時(shí)間更慢，更年輕。
此時(shí)，A不能認(rèn)為B沒有運(yùn)動(dòng)，而是自己做了變速運(yùn)動(dòng)，因?yàn)楝F(xiàn)在有了一個(gè)絕對(duì)完美的慣性系。作為參照系，流氓行星，很明顯A一直在做相對(duì)于流氓行星的慣性運(yùn)動(dòng)，它沒有經(jīng)歷過非慣性運(yùn)動(dòng)，而B的慣性運(yùn)動(dòng)是真實(shí)的，因?yàn)樗娴脑谧鱿鄬?duì)于流氓行星的非慣性運(yùn)動(dòng)。
所以B認(rèn)為他在地球上比A年輕是對(duì)的，因?yàn)樗_實(shí)偏離了慣性運(yùn)動(dòng)。所以孿生佯謬不是佯謬，而是真實(shí)的效應(yīng)，已經(jīng)在狹義相對(duì)論的基礎(chǔ)上解決了。
當(dāng)然，解釋孿生效應(yīng)的方法有很多種，我說的這個(gè)是最簡單的，也是比較科普的。雖然用閔的施空?qǐng)D更直觀，但我們外行人看起來還是略顯復(fù)雜。
相信你已經(jīng)仔細(xì)發(fā)現(xiàn)了這樣的問題。在相對(duì)論中，處于不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的人，都有自己獨(dú)立的時(shí)間和空，在空之間感受時(shí)間流逝的速度和測(cè)量，會(huì)得到不同的結(jié)果。
但是兩個(gè)人在慣性運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，相對(duì)論效應(yīng)是等價(jià)的，所以這些效應(yīng)會(huì)互相抵消，比如時(shí)間膨脹效應(yīng)。你覺得我慢，我也覺得你慢。結(jié)果，時(shí)間在我們之間以同樣的速度流逝。
經(jīng)過長時(shí)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，你不可能比我小，我也不可能比你小。
但是當(dāng)你處于非慣性運(yùn)動(dòng)時(shí)，你的時(shí)間膨脹效應(yīng)對(duì)于慣性運(yùn)動(dòng)的觀察者來說是真實(shí)的。
所以我們得出了一個(gè)結(jié)論，要想變得比別人年輕，也就是要讓自己的時(shí)間過得比別人慢，就要做非慣性運(yùn)動(dòng)。
下一次，我們將更多地談?wù)撐覀兛梢宰鲂┦裁磥硎棺约鹤兊酶贻p，以及雙胞胎效應(yīng)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。