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談?wù)勲p生子佯謬
摘要：1905年9月，德國《物理年鑒》雜志刊登了一篇《關(guān)于運(yùn)動物體的電動力學(xué)》的論文，它宣告了狹義相對論假說的問世。正是這篇看似很普通的論文，建立了全新的時(shí)空觀念，并向明顯簡單的同時(shí)性觀念提出了挑戰(zhàn)。我們知道由愛因斯坦狹義相對論可以得出運(yùn)動的物體存在時(shí)間膨脹效應(yīng)。在1911年4月波隆哲學(xué)大會上，法國物理學(xué)家P．朗之萬用雙生子實(shí)驗(yàn)對狹義相對論的時(shí)間膨脹效應(yīng)提出了質(zhì)疑，設(shè)想的實(shí)驗(yàn)是這樣的：一對雙胞胎，一個留在地球上，另一個乘坐火箭到太空旅行。飛行速度接近光速，在太空旅行的雙胞胎回到地球時(shí)只不過兩歲，而他的兄弟早已死去了，因?yàn)榈厍蛏弦呀?jīng)過了200年了。這就是著名的雙生子詳謬。雙生子佯謬說明狹義相對論在邏輯自恰性上還存在不完善的地方。本文正是以時(shí)間膨脹效應(yīng)為線索對狹義相對論做進(jìn)一步的探討，分析雙生子佯謬產(chǎn)生的原因。首先讓我們來看一個例子。假設(shè)我們一家來到了美國科學(xué)家伽莫夫筆下湯普金斯先生曾經(jīng)夢游過的城市，在這座城市里由于速度極限（光速）很低，所以相對論效應(yīng)非常顯著。來到這座城市后，我們進(jìn)了一家瑞士鐘表店，每人選了自己喜歡的一塊表并要求營業(yè)員把三塊表的時(shí)間調(diào)成一致。隨后，我們來到了一家游樂園，其中一個游樂項(xiàng)目是乘坐光速飛車，其實(shí)飛車的速度并沒有達(dá)到光速。我站在起點(diǎn)A處，幫兒子把安全帶系牢，兒子高興地坐在A點(diǎn)的光速飛車?yán)�。我妻子站在終點(diǎn)B處，A與B之間的距離為L。車馬上要出發(fā)了，我下意識地對了一下自己和兒子的表，時(shí)間一分一秒都不差。抬頭再看終點(diǎn)處妻子的表，我發(fā)現(xiàn)妻子的表比我的表慢了一些。來不及多想車已經(jīng)象離弦的箭一樣沖了出去。我突然發(fā)現(xiàn)兒子的表越走越慢，當(dāng)然是相對我的表而言，最后到達(dá)終點(diǎn)時(shí)與我妻子的表一致了�？磥砣鹗勘淼馁|(zhì)量也不怎么樣，我打算玩完回去后把表給退了。在回來的路上我看了一眼妻子和兒子的表，奇怪！怎么我們的表顯示的時(shí)間分秒不差，我明明看見他們倆的表比我的慢了呀！我把我的發(fā)現(xiàn)告訴了我的妻子，她說她也覺得挺奇怪的，但是與我所說的現(xiàn)象稍有些不同。在終點(diǎn)處，她發(fā)現(xiàn)我和兒子的手表都比她的表慢了，但當(dāng)兒子乘坐飛車向她駛來時(shí)，兒子的表卻變得越來越快，最后到達(dá)終點(diǎn)時(shí)竟與她的表一致了。這時(shí)候兒子也加入了我們的談話，他告訴了我他的發(fā)現(xiàn)，他是這樣描述的，在起點(diǎn)處他發(fā)現(xiàn)爸爸的表跟他的表時(shí)間是一致的，媽媽的表走得比他的慢，當(dāng)車運(yùn)動起來后，爸爸的表變慢了而媽媽的表比原來快了，最后當(dāng)他到達(dá)終點(diǎn)時(shí)媽媽的表與他的表又一致了。
從上面這個例子中，我們看到由于三個人所處的狀態(tài)不同，得出的結(jié)論也大相徑庭。但都有一個共同的特點(diǎn)，就是每個人都是以他本人的時(shí)間為基準(zhǔn)作出判斷的。我們知道光速是有限的，光在空間運(yùn)行是需要時(shí)間的。當(dāng)所研究的對象涉及到空間大尺度范圍或當(dāng)物體運(yùn)動的速度大到可以與光速相提并論時(shí)，光通過空間兩點(diǎn)所需的時(shí)間就不能不考慮進(jìn)來，這樣通常在小尺度低速度情況下被認(rèn)為是同時(shí)發(fā)生的兩個事件就不能再認(rèn)為是同時(shí)的了。愛因斯坦也正是從時(shí)間的同時(shí)性入手，提出了狹義相對論。在我們生活的宇宙中，時(shí)間是非物質(zhì)的量，它是為了描述物體運(yùn)動而人為引進(jìn)的一個物理概念。經(jīng)典物理對時(shí)間是這樣定義的“絕對的、真正的和數(shù)學(xué)的時(shí)間自身在流逝著，而且由于其本性而在均勻地，與任何其他外界事物無關(guān)地流逝著”。這一定義在研究空間小尺度范圍或低速運(yùn)動的物體時(shí)，無疑是正確的，因?yàn)樗岛@樣一個概念即時(shí)間的同時(shí)性是絕對。但在研究空間大尺度范圍或高速運(yùn)動的物體時(shí)，這一定義是否仍然有效，取決于對時(shí)間的同時(shí)性是如何定義的，同時(shí)還要看空間兩點(diǎn)兩個事件發(fā)生的時(shí)間是如何記錄的。
假設(shè)有兩個完全一樣的鐘被放置在AB兩地。我們可采用中點(diǎn)對鐘法將兩地的鐘校準(zhǔn)。我們說發(fā)生在AB兩地的兩個事件是同時(shí)的，如果AB兩地的鐘所指示的時(shí)間是一樣的話。這個結(jié)論暗含有這樣一個條件即在AB兩地分別有兩個觀察者記錄本地事件發(fā)生的時(shí)間，然后再將兩個時(shí)間進(jìn)行對比，判斷這兩個事件是否是同時(shí)發(fā)生的，判斷的結(jié)果與AB兩地的位置無關(guān)。從這個意義上說時(shí)間的同時(shí)性是絕對的。我們再看另一種情況，我們?nèi)圆捎猛瑯拥姆椒▽B兩地的鐘校準(zhǔn)。從A點(diǎn)觀察AB兩地同時(shí)發(fā)生的兩個事件，得到的結(jié)論是A地的事件先于B
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