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如何比你弟弟老的慢

(英)杰哈(Jha, A. )著  2015-12-17

温迪旅途归来后(此前她乘坐一艘以接近光速飞行的太空飞船探索邻近的恒星系统),脸上的皱纹看起来似乎比她那呆在地球上的孪生兄弟丹尼尔要少些,头发也不像他的那样斑驳。25年前,温迪启程的时候,丹尼尔送了一只手表给她,上面显示的时间和他自己的一样。现在,温迪表上的时间已和他的不同了。对她来说,时间只过了10年,而丹尼尔却比他的孪生姐姐老了15岁。


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以日常的眼光来看,丹尼尔和温迪的故事的确离奇。不论两只手表在 温迪离开地球之前误差多大,温迪回来时两只表竟然相差了 15年,真是不可思议。但以宇宙的眼光来看,两人的差异根本不足为奇。实际上,这正体现了时间和空间究竟是怎样工作的,其中的怪异之处在人类日常的尺中并不明显,唯有当速度和能量达到极大时才会出现。我们曾认为时间和 空间是宇宙间所有活动不变的背景。可惜不是。对那些曾这么想的人来说 (你并非唯一一个这么想的人,牛顿也曾这么认为),不利消息于1905这一“奇迹之年”传出,这一年在瑞士,一名25岁的专利审查员颠覆了人们对自然的惯常看法。


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1905年,爱因斯坦发表了5篇论文,主题各异,从电磁力到布朗运动 (在空气分子的碰撞下,尘埃微粒在空气中做随机运动)。其中一篇提出了狭义相对论,它将不同物体在宇宙中的运动联系起来。


狭义相对论建立在两个前提上。第一,不论你在哪里,物理的法则都 是一样的。不论你是在世界上最先进的科学实验室还是最普通的起居室,实验(比如把苹果丢到空中)的结果都是一模一样的。第二,不论观察者处于什么位置、相对速度如何,光速均为常量。


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狭义相对论清楚地解释了发生在丹尼尔和温迪身上的故事。在地球上时,他们处于同一个参照系。温迪升空后,他们就各自处于相对运动的参 照系中。随着温迪加速至接近光速(她的相对论性质量增加),地球上的观 察者将看到飞船变短了,温迪手表上的时间变慢了。


当然,温迪本人并未觉察到这些变化。对她来说,飞船上的生活就像 往常一样。在她的飞行旅途中,时间就像往常一样流逝,她眼中所有空间 尺度也都像往常一样。在她看来,她只花了5年时间到达那颗星球,然后 又花了5年时间返程。她答应丹尼尔,每天都写日记,回到地球时,上面 记载的也是10年的光阴。仅当温迪回到与丹尼尔一样的参照系后,孪生姐弟间的差异才体现出来。对温迪而言,时间膨胀的累积效应是在与丹尼尔 分别的那段时间中,她经历的时间少了。因此,她回到地球时才会比她的 孪生兄弟更“年轻”。


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(对于处于静止状态的观察者而言,随着火箭越来越接近光速,它看起来就越来越短)


在结束温迪和丹尼尔的故事之前,还有一点要说明。狭义相对论认为不存在绝对运动这样东西,参照系只能彼此做相对运动。因此,如果温迪飞离了丹尼尔,丹尼尔不是也飞离温迪吗?那么,为什么只有温迪才经历 时间膨胀呢?在温迪看来,时间对她的兄弟来说不也应该膨胀吗?狭义相 对论是如此回答这个“双子佯论”的:界定运动行为的是旅行者(温迪), 因为她离开地球后又返回,也即她离开丹尼尔的参照系后又返回到这个参照系,而丹尼尔自始至终呆在原来的参照系中。仅有温迪才在不同的参照 系之间变换,因此,只有她才享受到了“更加年轻”的好处。不过,这听起来仍然不可思议。而所有都是因为:无论何时何地,光速必须不变。


如何寻找外星人?——35问揭示科学之美
作者[英]杰哈(Jha, A. )
定价39元
ISBN9787115270047
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责任编辑:管志慧

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