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音频在哪里？音频在这里。 今天是王木头讲科学的第36期节目。 来自北京大学的木头哥哥是把科学带回家的明星主持人，他最擅长给孩子讲有趣的科学。 ▼ ▼ 用听的 ▼ ▼ ▼ ▼ 用看的 ▼ ▼ 大家好，欢迎继续来听王木头讲相对论。 我们上一次讲到了，你终于想出如何可以设计这个虚拟的宇宙了，并且还可以保证任何物体的速度都不会超过光速。就是下面这个图的方式。 你把这个想法拿个老师看，本来老师也是觉得这样设计很巧妙，可以符合他的要求。可是考虑了一会儿之后，他忽然说不对，好像还有一个问题没有解决。这个就是我们前面多次讲到过的双生子佯谬的问题了。如果是以小地的视角去看，的确是没有问题，小地看到飞船远去又回来，所以小天更年轻。可是问题的关键是，如果换成了是以小天的视角去看呢？不就是地球先远去然后又回来吗？这样不就应该是小地更年轻吗？出现了矛盾啊。 当老师提出心中疑惑的时候，你才知道，“噢，原来这个问题老师自己也没有答案啊”。这个问题其实你早就想到了，你也想明白了其中的关键，它其实并没有矛盾。于是你就用下面这两个图给老师讲为什么没有矛盾。第一个图是以小地为视角去看，所以小地走的是直线。第二个图是以小天是视角去看，所以一开始小天走的是直线，但是到了潘多拉星球之后，它的运动方向变了，所以最后还是小地走了直线。在这个时空里面直线的距离是最长的，所以不论以谁的视角看过去，都是小地花的时间长，小天花的时间短。 老师看完了你画的这个图之后，点了点头，很快又摇了摇头。他说，你讲的这个很有道理，画出来的图也很清楚。不过呢，还是有一个问题他搞不明白，那就是如果以小天为视角的话，不论怎么样，它不是都是静止的吗？应该是直线啊。也就是说画出来应该是下面这个图的样子。这样画出来的话，不就是小地走了折线吗？还是有矛盾啊。 你认真考虑了老师的疑惑，你回答说，没错，这的确是非常让人困惑的地方，不过并不存在矛盾。然后，你就把两张图并排放在一起，就像下面这个图上一样。紧接着你就跟老师说，要想解答这个疑惑，其中的关键就是要看如何理解这两个图。 首先这两个图画出来好像都没有问题，都可以代表小天为视角的太空旅行。其中的不同呢，就是在小天抵达潘多拉星球之后的情况了。左边这个图呢，貌似把视角给换了，不再是以小天为参考去画图了。而是以一个假想的、没有改变飞行方向的飞船为参考，也就是图上那个灰色的部分。如果以这部分作为参考的话，小天和小地都在运动。 这是左边这个图，而右边呢，就算是到达了潘多拉星球，小天的飞船已经改变了方向朝着返回地球的方向移动了，但仍然是以小天的视角去看，也就是说至始至终小天都是静止的，而改变运动方向的是小地。 这样一对比之后，左边这个图虽然看似中途换了参考物，但其实它才是最“专一”的，因为它的参考系对于地球始终是一个匀速直线运动。而右边的图呢，貌似始终都是以小天为视角，但是其实它所参照的标准，已经相对于地球发生了运动方向的变化。 这是什么意思呢？如果只看上面这个图的话可能不明显，如果把网格画出来就容易理解了。这个网格其实就可以用来代表时空本身。那左边这个图画出来是下面这样的。 在强调一下图上的网格其实就可以用来表示时空。为了让这个图变成之前右边的样子，也就是始终以小天为参考的样子，需要进行一些操作。首先把网格想象成是画在一个非常有弹性的橡胶垫上的。然后硬是把小天的后半段，也就是抵达潘多拉星球之后返回地球这一段给掰直了。本来是一个折线的样子掰成一条直线，会发生什么？ 这里一定要明白，时空是会随着你掰的这个动作发生扭曲的，也就是原来这个规规矩矩的网格会发生扭曲。最后出来的效果可能就是下面这个样子了。所以，这样就解释了，为什么不能以小天为视角从头到尾考虑这个问题，因为在这种情况下，时空并不是统一和连贯的，在小天飞船的运动方向发生改变的一瞬间，时空就已经发生了扭曲。在这样的情况下，之前连贯时空中总结出来的规律就会失效。 所以，这个时候再去生搬硬套，还是说在四维时空里面直线的距离最长，就不太合适了。讲到这里，老师终于明白了，双生子问题的确是没有问题的，其中看似有矛盾的地方，其实是因为我们根本没有想到时空会发生扭曲。 讲到这里你或许就要好奇了，时空都会在什么情况下发生扭曲呢？我现在可以先告诉你答案，有两种情况，一个是速度变化，一个是时空中存在有质量的物体。至于它们是如何影响时空的，那就是广义相对论所涉及的内容了。 这部分内容我们后面的节目会详细讲的，其实这也是王木头讲相对论这个系列后半部分的重点了。不过在开始讲广义相对论之前，下一期会先讨论一下超光速的问题。虽然相对论规定了速度是不能超光速的，不过在现实中还真的有超光速的情况，而且还它们还不违反相对论，这些到底是为什么呢？下次我们再来介绍吧。 |
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