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有一對孿生兄弟,弟弟留在地球上,哥哥乘坐宇宙飛船以接近光速的速度遨游太空一圈后返回地球,當回到地球后,按照愛因斯坦狹義相對論,會驚奇地發現,此時弟弟已經老了很多,但自己竟然比弟弟更為年輕!這個有悖常理的思想實驗,是著名物理學家朗之萬提出的,用以質疑狹義相對論論的著名悖論,稱之為雙生子佯謬,又稱雙生子悖論。
凡是對雙生子佯謬和相對論有一定了解的人,對于雙生子時空旅行回來后結果的認知,無非就三種類型:兄弟倆一樣年輕,哥哥比弟弟年輕,弟弟比哥哥年輕。那么哪一種結果才是正確的呢?按照目前主流的觀點:旅行的哥哥比留在地球上的弟弟年輕。這個結果是按照愛因斯坦相對論中的時間膨脹效應推論出來的,當然,對于我們普羅大眾而言,相對論是我們的理解力所無法參透的天書,我們要通過完全理解相對論,無異于天方夜譚。為了讓大家能夠簡單地對雙生子佯謬的結果進行理解,我們可以嘗試再進行如下有趣的思想實驗。
我們假定兄弟倆事先約定,以各自的時鐘為依據,哥哥以光速的99%從地球出發后,每隔一秒鐘,每人向對方發送一張當前的照片,報送各自在對方視角下的認知情況,發送照片的信息以光速在空間穿行。發送十張以后,停止發送。如果在地球上存在第三個觀測者,那么,神奇的現象出現了。
第一,誰先收到第一張照片?如果在哥哥離開地球的過程中發送照片,那么由于哥哥是以光速的99%離開,而弟弟是靜止不動的,以第三個觀測者看,到達哥哥的時間必然比到達弟弟的時間更長,也就是說,當弟弟收到第一張照片,從而認為時間已經過去一秒時,照片還沒有到哥哥那里,從而在哥哥的視角看,時間還沒有到一秒,因此,在離去階段,當相同事件完成時,弟弟所感知到經歷的時間更長。
第二,兩人所感知的,接收第一張照片和第二張照片的時間間隔一樣長嗎?首先,弟弟是靜止在地球上,那么無論哥哥飛船有多快,從哥哥發向弟弟的照片,相對于弟弟都是光速(以第三觀測者看),但由于哥哥在發送第二張照片的時候,已經往外行進了大概一光秒的距離,也就是兩次照片之間的間距不再是一光秒,而是約等于2光秒,所以在地球上的弟弟看來,收到第一張照片和第二張照片的距離間隔約等于2秒,也就是說弟弟感知到的時間變長了,那么哥哥呢?對第三觀測者而言,由于哥哥接受到的照片是從靜止的地球上發出的,所以兩次照片的距離間隔還是一光秒,也就是哥哥感知到的時間間隔是正常的,還是一光秒,綜上對此,在離去階段,弟弟感知到的同一事件經過的時間更多。
綜上所述,在哥哥離去階段,經歷相同時間,弟弟感知到的時間更長,所以弟弟已經老去的時候,哥哥還要年輕的多,這是符合科學論述的,那么問題來了,如果哥哥到達某一位置后突然掉頭回來,也就是在返回階段,哥哥和弟弟感知到的時間又是誰長誰短呢?這個問題我們先就給熱愛科學的朋友們思考和討論,我們下期揭曉答案。
下期預告:燒腦推理(下):雙生子佯謬中,離去和返回階段的時間感知一樣嗎?春節長假歸來,面對繁雜的工作覺得頭昏腦漲、雙眼無神、效率低下,這是典型的“假期綜合癥”的癥狀。
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