有这样一个问题,它是爱因斯坦相对论的最大的敌人,困扰了无数科学家。
这个问题就是物理学界最著名的双生子佯谬,一对孪生兄弟的时间旅行。
时空旅行
这个问题充分说明了参考系的重要性,从而激发了更多物理理论的完善。
那么,双生子佯谬究竟在当年掀起了怎么样的风暴?
时空隧道
为什么坐火车看见窗外的景色在向后退?
我们站在地面上一动不动,其实一天运动了8万里,为什么手机上显示不出来?
这一切的现象都来自于参考系的选择,这个世界上不存在绝对的静止,任何物质都是在运动的。
那么,既然参考系选得不同,是不是说明宇宙中存在不同的时间系统呢?
早在古代的传说中就有天上一天,地上一年的说法。
很长一段时间,人们都当这个是假象,并不存在。
传说中的天庭“天上一天,地上一年”
然而在1905年,一个叫爱因斯坦的人表示,真的存在“天上一天,地上一年”的情况。
假如神仙们每天都在以光速在天上飞来飞去,那么他们的一天就相当于正常情况下的一年。
这就是根据他的狭义相对论而产生的钟慢效应,即一个物体的速度越快,所感受到的时间流逝就会越慢。
此外,狭义相对论还诞生了时间膨胀,即质量越大的物体它周围空间的时间流逝也会变慢。
我们可以理解为,天庭的质量非常大,超过了凡间,而且神仙们的运动速度都在光速以上。
神仙们以光速飞行
所以,他们的一天时间等于普通人的一年。
放眼宇宙,符合这样条件的地方只有一个,那就是黑洞。
敢情搞了半天,神仙们住的地方是黑洞?顿时对神仙的住所没有多大的向往了。
然而,站在神仙的角度来看人间,就有点像坐火车,人间与他们的飞行方向相反,且速度也是光速,只不过方向是反的。
宇宙中的黑洞
这样看下来,神仙不可能感受到人间的一年,以他们为参考系,人间才是那个“天庭”。
甚至于,神仙本身相对于天庭来说是静止的,人间相对于它们反而是光速运动的。
神仙看到的人间,时间也变慢了。
这听起来有点匪夷所思,因为按照我们一般人的想法,神仙会觉得人间过得很快,他们吃个饭的时间,人间的一对新人就已经走完了结婚生孩子的一条龙。
或许这就是物理的奇妙之处,总是让人颠覆世界。
包括爱因斯坦本人的相对论,也被人用相似的理论质疑过。
人类发射的飞行器
双生子佯谬
1911年,朗之万提出了著名的双生子佯谬,这位法国来的物理学家质疑爱因斯坦在6年前发表的狭义相对论。
他假设一对孪生兄弟熊大和熊二,熊大坐上飞船离开地球,先通过加速让飞船达到光速,之后进行匀速直线运动。
航程过半掉头,以光速返回地球,在距离地球有一定距离的时候减速,最后降落在地面与熊二汇合。
熊二则留在地球上等待哥哥,等熊大在飞行一年之后回来,发现熊二已经老了。
双生子详谬
乍一看这个假设是在对爱因斯坦的狭义相对论进行注解,然而郎之万说到,整件事情可以换一个角度去看待。
对于参加飞行的熊大来说,他对于飞船来说是静止的,在他看来,自己的兄弟熊二,是在朝相反的反向运动。
熊大除了刚开始的加速和最后的加速,其他时候都在以光速匀速直线运动。
发生的过程
在熊大的眼里,熊二才是光速飞行的那个,他自己是静止的那个。
那么,熊二就会在熊大的眼里会发生和之前描述一样的情况,在会面的时候,老的那个是熊大。
这就产生了一个说不清的问题,这两兄弟,到底谁老了?
熊大下飞船的时候会觉得熊二比他年轻,自己老了;熊二见到哥哥的时候,会觉得哥哥更年轻了。
由于无法证明究竟是谁年轻了,谁老了,所以才叫做双生子佯谬。
由此可见,当寻找的参照物不同,这个时间系统就会出现完全相反的情况。
详谬的解释
那么这个双生子详谬真的能证明爱因斯坦的狭义相对论有错吗?
其实爱因斯坦在创立相对论的时候就考虑过这个问题。
熊大经历了加速、减速的阶段,是变加速运动参考系,而地球则近似于惯性系。
不同参考系比较本身就没有意义,如果要辨别谁更年轻,那么需要将两兄弟放入同一个参考系。
不同空间的地球
熊大有加速、匀速和减速三个阶段,他的世界线是两点之间一条曲线。
熊二只有静止,那么他的世界线是两点之间一条直线。
看起来熊大的世界线更长,这样他的年龄会更大,可是此刻两者在一个参考系,会出现“非欧体系”,即一切欧几里得的空间世界将不复存在,出现两点之间线段最大的情况。
最终熊大还是要年轻于自己的弟弟熊二。
双生子的时间线
爱因斯坦的狭义相对论并不适用于宏观情况下,因为大部分物体在宏观中的质量、速度都没有达到时间膨胀的程度。
也就是说,只有在太空中存在时间膨胀、钟慢效应等。
1971年,人类试图复刻双生子详谬,于是科学家用四台铯原子钟参与了实验。
他们将其中一台放在天文馆,剩下的原子钟参与环球飞行,分别向东和向西。
铯原子钟
实验结果显示,向东的铯原子钟与停留在原地的铯原子钟之间相差了59纳秒。
而向西那个更离谱,出现了273纳秒的时差。
最后的结果没有证明双生子详谬,也无法证明狭义相对论,只能证明宏观的时间,不会发生这两种情况。
因此,双生子详谬最终只能被称为“详谬”,而不是“悖论”。
只能说,运动的系统有太多了,我们很多人被地球的惯性系束缚了思维,无法想象这之外的运动。
惯性系只是其中的一种,在宇宙中的运动多种多样。
宇宙的运动远比我们想象的多
如果双生子详谬照进现实
如果一定要追究双生子详谬,可能很多电视剧都没办法演下去。
达到光速就可以进入时空隧道,进行穿越时空或者时空旅行。
按照影视剧上的说法,主角穿越回来后,似乎一切都没有发生改变,他或者她在过去很长时间的经历,在现实中只是在医院里昏迷了一阵子。
那么回来的主角到底是老了,还是更年轻了?
影视剧里的时空隧道
大部分影视剧里都是维持原样,没有老也没有年轻。因为如果非要纠结年龄,电视剧恐怕就会变成科幻片,最后引发剧烈的讨论。
只不过讨论的焦点不是电视剧本身的内容,而是这个编剧的物理水平。
未来,如果人类突破光速旅行实现星际自由穿梭,那么宇宙很有可能不是我们现在看到的这个样子,更不是我们能够预测到的。
只能说,爱因斯坦的理论太过于超前,还没有任何实质性的实验来验证他的学说。
科学巨匠爱因斯坦
他的相对论也是唯一没有实验作为依据的结论。
以至于很多人认为爱因斯坦是外星人,他的思维不是地球人能理解的,这些相对论,或许是外星人借爱因斯坦之口帮助人类提高文明的level,早日与宇宙文明接轨。
物理学界一直认为,没有爱因斯坦人类会落后至少50年,可想而知他的巨大作用,称呼他为“文明巨匠”都可以。
人类的科技
人类可以用实验验证爱因斯坦的学说之时,就是人类文明实现突破之际。
来源:宇宙解码