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发表于 2022-6-17 22:56 | 查看: 146| 回复: 0
            


物理学界四大神兽:芝诺的乌龟、拉普拉斯妖、麦克斯韦的精灵与薛定谔的猫齐登场。

这是【十大悖论】第 07 篇文章
今天这个悖论与相对论有关,因此若是你对相对论中的尺缩效应有所了解,那么理解起来会更容易一点,如果不了解尺缩效应是不是就不能看这篇文章了呢?
哈哈,先上车再说!秋名山上,我们不见不散!(音乐响起来:得飘得飘得里个飘)
一篇文章带你进入相对论的世界

我们假设有一个人,叫什么不重要,不过为了方便,我们就叫他大柱子吧。大柱子现在手上拿了一根竿子,长度会因为不同情况而有所改变,在他前方有一个谷仓,这个谷仓有一个前门和一个后门,而且这个谷仓的长宽高都是10米。
现在,大柱子水平拿着竿子,走进了这个谷仓,如果竿子长9米,那么我们可以顺利得将前门和后门关起来,竿子的两头都会容纳进谷仓里面,没问题吧。如果竿子长10米,理论上我们也可以将前门和后门关起来,将竿子装进谷仓里。如果这竿子长12米呢?不弯曲竿子,一直使得竿子处于水平方向,那么我们就会发现,竿子的长度超出了谷仓的长宽高中任一维度,我们只能关了前门,或关了后门,而不能将前门和后门同时关闭。

以下不多说明了,竿子始终处于水平方向。
以上都没什么问题,那么现在假设,大柱子以接近光速的速度朝着谷仓奔跑,会发生什么?
根据相对论的尺缩效应,如果谷仓里有一个观测者,我们叫她翠花吧,翠花会发现,大柱子的个子变矮了,变得扁平化了,而且他手中的竿子也变短了,比如大柱子拿着12米长的竿子奔跑,可能竿子就会缩小到10米以下,从而在他跑进谷仓的一瞬间,翠花可以顺利将前门和后门都同时关上,将大柱子与竿子一同锁在谷仓里一瞬间,而竿子的头和尾不会碰到谷仓的前门和后门。

以上,也没什么问题吧。如果你感觉有问题,那我来补充一下相对论中的尺缩效应。
相对论告诉我们,当你愈接近光速,长度就缩短愈多。比如,在一位相对于起点以0.99倍光速航行的星际旅人眼里,100光年的距离会缩短成14光年。由0.9999倍光速航行的旅人看来,同样的距离却缩短到只剩1光年(旅程时间只要一年,因为宇宙飞船几乎是以光速前进)。如果宇宙飞船能够更进一步逼近光速,比如0.999999999倍光速,那么100光年的距离只要在两天之内就可以完成了。

但是,若你是一个善于思考的人,那么你可能会发现问题也来了。
我们知道,运动是相对的,在翠花眼里,是大柱子拿着竿子以光速奔向谷仓,可是在大柱子眼里,谷仓和翠花不也是以接近光速的速度奔向自己吗?
变化一下视角,在翠花眼里,大柱子变扁了,竿子变短了,在大柱子眼里,自己和竿子都没变,而是谷仓变小了,翠花变矮变胖了。
在翠花眼里,谷仓长宽都是10米,大柱子手中的竿子长12米,在正常情况下,竿子不可能被完全容纳进谷仓里,如果大柱子拿着竿子高速奔跑,那么竿子会发生尺缩效应,变得小于10米,从而在短时间内完全容纳进谷仓当中。可是,在大柱子眼里,自己的竿子长12米,谷仓长宽10米,自己不动,谷仓以高速奔向他,谷仓发生了尺缩效应,长宽都变小了,原本自己手中的竿子都不可能容纳进谷仓里,现在谷仓变小了,就更不行了。
这个悖论,该怎么解释呢?如果大柱子对了,那么翠花就错了,如果翠花对了,那么大柱子就错了。他们两个不可能同时都对,但根据“相对论的尺缩效应”和“运动是相对的”这两个基本物理概念,我们自然就会得出这一个鬼魅般的悖论。
要么就是,相对论错了?
不不不!已经有很多实验证明了相对论的正确,至少尺缩效应和时钟变慢效应已经被观测到是确实存在的。
那么,问题出在哪了呢?
翠花的视角,大柱子的视角,他们观测到的出现了偏差,若他们两个是嫌疑人,福尔摩斯可能会很疑惑,因为他们的口供对不上,但是,他们的口供都没错啊。
其实,问题的关键,在于“同时发生”这个概念上,别忘了,相对论不仅有尺缩效应,就连时间也是相对的。这也就是说,事件的发生顺序在翠花眼里和大柱子眼里,是不一样的。

在大柱子急速奔跑进谷仓内的时候,翠花可以在一瞬间关闭前门和后门,但是她必须马上打开后门,因为若是关得时间长一点,大柱子手中的竿头会碰到后门,从而撞一个满天星。而在大柱子眼里,当他在急速跑向谷仓的过程中,他会发现,当他进入谷仓之后,在竿头到达后门之前,他看到后门先短暂关上。一会之后,门再度开启以便让竿毫无阻碍地通过。又过了一会,等到竿尾进入谷仓之后,前门才关上。所以没错,当他停下来跟翠花核对各自的记录时,他的确说两道门都曾经关上,但不是同时——设想他看到的谷仓变短了,前后门要同时关上自然是不可能的。(这个悖论的关键,在于下面斜体字部分)
我们来将这些事件简化一下:
大柱子竿头进入谷仓前门——事件A
大柱子竿尾进入谷仓前门——事件B
大柱子竿头离开谷仓后门——事件C
谷仓前门关闭——事件D
谷仓后门关闭——事件E
谷仓前门打开——事件F
谷仓后门打开——事件G
在翠花眼里,事件发生的顺序是这样的:
A→B→D、E→F、G→C(事件D与E,事件F与G是同时发生的)
而在大柱子眼里,事件发生的顺序是这样的:
A→E→G→C→B→D→F
(大柱子竿头进入谷仓前门,谷仓后门关闭,谷仓后门打开,大柱子竿头离开谷仓后门,大柱子竿尾进入谷仓前门,谷仓前门关闭,谷仓前门打开)
彼此进行相对运动的不同观察者,看到事件发生的顺序也有所不同,这是爱因斯坦相对论带来的另一个结果。但是,请注意,事件顺序再怎么发生变化,也不会违背因果律这一基本的逻辑前提。
啊,相对论!你是多么美妙的一个理论啊!不由得又想起了万维钢的那一首诗:
假如未来发生什么大灾变
让世界重归黑暗
人们不再钻研科学
拜倒在虚幻的神和压迫的权力之下
被偏见和狂热蒙蔽
只看到眼前的计较和平庸的善恶
我希望至少你、我
我们这几个人还记得
这个世界曾经拥有过爱因斯坦
拥有过相对论
这个美丽的理论
         

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