双生子佯谬   

作者:郭宇轩   时间:2021-11-23 10:11:44  来源:  阅读次数:18次 ]

  南京外国语学校 江苏省南京市 210000

  摘 要:相对论时空观于经典时空观而言是一种全新的理论,但是一直存在争议。本文对“双生子佯谬”问题进行了探讨,通过直观形象的物理图象阐述了“时间延缓效应”的本质。

  关键词:狭义相对论;双生子佯谬;经典物理

  1905 年,26 岁的爱因斯坦在普朗克主编的《物理学年鉴》上发表了包括《论动体的电动力学》(狭义相对论),《关于光的产生和转化的一个启发性观点》(光量子说)等在内的 4 篇论文。从此,爱因斯坦的狭义相对论对人们的的思想产生了巨大的冲击,物理学迎来了一个新的时代。一百年后,科学界把 2005 年定为世界物理学年,用以纪念伟大的爱因斯坦和他对物理学界的伟大贡献。

  但是,在另一方面,相对论问世以后一直是有争议的,非难和质疑始终伴随着它。有的科学家不接受它,有的科学家对它持保留态度;拥护相对论的科学家,也有各种不同的理解,说法不一。

  例如,“双生子佯谬”问题是相对论时空观问世以来就一直争论至今的,似乎狭义相对论遇到了无法克服的难题。1961 年,美国斯坦福大学的海尔弗利克在分析大量实验数据的基础上提出,寿命可以用细胞分裂的次数乘以分裂的周期来推算。对于人来说细胞分裂的次数大约为 50 次,而分裂的周期大约是 2.4 年,照此计算,人的寿命应为 120 岁。因此,用细胞分裂的周期可以代表生命过程的节奏。

  设想有一对孪生兄弟,哥哥告别弟弟乘宇宙飞船去太空旅行。

  在各自的参考系中,哥哥和弟弟的细胞分裂周期都是 2.4 年。但由于时间延缓效应,在地球上的弟弟看来,飞船上的哥哥的细胞分裂周期要比 2.4 年长,他认为哥哥比自己年轻。而飞船上的哥哥认为弟弟的细胞分裂周期也变长,弟弟也比自己年轻。假如飞船返回地球兄弟相见,到底谁年轻就成了难以回答的问题。

  相对论时空观中“时间延缓”或者叫“时间膨胀”的实质是:

  在静止参照系中观测,运动参照系中发生的物理事件进程变慢了。

  那么,应该怎么来正确的认识这个问题呢?笔者认为我们应该注意以下几点:

  第一,爱因斯坦的狭义相对论的两条基本原理当初是以假说提出的,即(1)狭义相对性原理:物理定律在一切惯性系中都取相同形式。即在一个惯性系内部所作的任何物理实验都不能确定惯性系本身的运动状态。运动是相对的,一切惯性系平等,绝对静止参考系是不存在的。(2)光速不变原理:光在真空中的传播速度在各个方向上都是常数 C,与光源、惯性系及其相对运动无关。但是,假说是否真正成立,或成为一种定律定理,应以实践的反复验证来证明。洛仑兹变换满足了从高速运动的相对论时空观过渡到低速运动的伽利略变换的经典时空观。

  第二,“时间延缓效应”是否真实存在,可作这样的理解或分析:按照狭义相对论,运动的时钟走得较慢是时间的性质,一切与时间有关的过程都因运动而变慢,变慢的效应是相对的。时间的快慢应放在同一时空条件下才能比较,离开了相同的时空条件,这样的比较没有任何意义。孪生兄弟是在不同时空观中得出的年龄,弟弟的是地球时钟年龄,哥哥的是飞船时钟年龄,是没有可比性的。

  时间延缓效应对于相互间匀速运动的参考系来说是对称的,而对于留在地球上和做太空旅行并返回的一对双生子来说并不对称。原因是旅行者有加速过程,而产生相对论效应的系是加速系。

  加速系等效于引力场,引力场中时间变慢。旅行者在绕过太空中某点的减速、加速最后又匀速的过程,相当于旅行者陷入了一个引力场中,又从该引力场中离开。物体要离开引力场,就要摆脱引力场的束缚,消耗自身的能量。由于粒子的频率与能量的关系为 E=?ω,所以能量减少频率也随之降低。而时钟是靠自身的振动来计时的,频率降低,振动减慢,则时钟的走时率降低,时钟变慢了。可以想象,物体的加速度越大,加速期越长,即引力场越强,从引力场中逃逸出来所花的时间越长,则时钟走时率降的越低。综合来看,共有两方面的原因引起旅行者的时钟变慢。首先是匀速过程,该过程运动时钟的走时率降低,但降低的走时率并不发生变化,时间延缓的多少取决于时间的积累。其次是加速过程,加速度越大,加速期越长,走时率降的越低,走时率是随着加速度的大小和加速期的长短而变化的。所以整个过程时间延缓的多少不仅取决于时间的积累还取决于引力场的强弱。

  相对论时空观的的重要贡献绝不仅仅在于从理论或实践上解决了某些绝对时空观所不能克服或解释的困难,更重要在于从此使科学研究思想突破了长达 2000 多年来的绝对时空观的统治和束缚,从而进入到了一个全新的有着太多未知的时空世界里进行探索奥秘,因而我们没有理由苛求它现在就十分完善。

  参考文献

  [1]吕嫣,段家兴,图雅,崔崧.对双生子佯谬问题的几种解释[J].沈阳师范大学学报(自然科学版),2011,29(03):384-386.

  [2]濮震宇.狭义相对论中“双生子佯谬”问题初探[J].网络财富,2009(17):166.


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