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相对论有一个著名的后果,叫做“钟慢效应”
 图1),说的是从一个匀速直线运动的参照系看来,时间会变慢。例如一艘飞船相对于地球以速度u运动,那么在地球上的人看来,飞船中的一切都变慢了。变慢的系数是1/sqrt(1 - u^2/c^2),其中c是光速。从外面看来,飞船驾驶员的动作变慢了,心跳变慢了,思维变慢了,新陈代谢也变慢了,飞船中的所有物理过程也都变慢了。例如两个小球相撞然后弹开,在飞船外面看来就是慢动作。但在飞船内部,一切都很正常,飞船驾驶员不会感受到任何异样。在他看来,自己的一切都是同样的速度,自己周围的一切也都是同样的速度。也就是说,他不可能通过观察周围的情况发现自己是在高速运动,而不是静止。
钟慢效应是个真实的效应,然而许多人始终不能理解这一点。有一个著名的问题叫做“孪生子佯谬”(图3),就经常被他们拿来反对相对论。假定有孪生兄弟两人,甲坐飞船飞出去,乙留在地球上,那么根据刚才说的,在乙看来甲变慢了。假如过了一段时间以后甲回到地球上,乙就会发现他这位兄弟比他年轻。然而许多人会说,根据同样的理由,在甲看来乙也变慢了,所以甲也会发现乙比自己年轻。请问,究竟是谁比谁年轻?
他们认为这是一个逻辑矛盾,是对相对论的绝杀。在所谓推翻相对论的理由中,这是相当常见的一个。但大家可以想想,相对论如果这么容易就会被这种脑筋急转弯式的逻辑推翻,怎么会成为科学界的标准理论?这种问题不应该是早就有解答的吗?
实际上,对这个问题早已有明确而简单的回答,见《费曼物理学讲义》第16章第2节,这一节的标题就是“孪生子佯谬”(图4)。
费曼指出,甲乙要重新相遇并进行比较,甲就必须返回到地球上。请注意,一直保持匀速直线运动是不可能返回的。要返回,甲的飞船就必须在某个时间点掉头,而掉头会产生加速度。
相对论中有个要点,速度是相对的,加速度是绝对的。也就是说,你不向外看不可能知道自己有没有速度,但你完全可以不向外看就知道自己有加速度。为什么?因为加速度会产生一些可观测的效果,例如东西会撞到墙上,好像它们受到一个力的猛推似的。坐过汽车的人,肯定都知道“推背感”,这就是加速度的明确效应。还有一个常见的例子,旋转的水杯或水桶中水会往上爬,任何人看到这个景象都会明白这里有旋转的加速度。
因此,费曼给出明确的答案:感觉到加速度的那个人,将是两兄弟中年轻的那一个。如果反相对论的民科们愿意多看看这些经典教材,他们的问题自然就消失了。用现在的流行语说,这些人就是读书太少,而瞎想太多。
实际上,钟慢效应有一个明确的实验证据:缪子的寿命。这个例子可以在《费曼物理学讲义》第15章第4节看到(图5)。缪子是一种基本粒子,它在静止状态的平均寿命只有2.2微秒。这么短的寿命,即使以光速运动,也只能跑区区660米。然而,我们在地面上的实验室却可以接收到宇宙线中的缪子。也就是说,它们穿越了10公里厚的大气层,创造了生命的奇迹。
这是怎么做到的?答案是:在缪子自己看来,它只生存了2.2微秒,但在我们看来,它的寿命却比这个长。回忆一下,时间延长的因子是1/sqrt(1 - u^2/c^2)。假如有些缪子的速度十分接近光速,即u接近c,那么它的生存时间会比2.2微秒长得多,足够它穿越10公里的大气层。所以开玩笑地说,只要你跑得足够快,你就可以在寿命内跑出任意远。
这个解释能不能进一步验证呢?可以。对于各种速度的缪子,人们非常精确地测量了它们的平均寿命,结果与上述公式十分吻合。
所以大家可以明白,相对论是一个严密的理论。它完全不是常识,但在跟常识矛盾的地方它是正确的,常识才是错误的。学过相对论的人都相信它,是因为它逻辑严整,而且得到了实验的验证,完全不是用脑筋急转弯就能推翻的。
现在,大家是不是不仅明白了钟慢效应,明白了如何解决孪生子佯谬,而且明白了民科错在哪里,明白了科学是如何运行的呢?
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