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[lbk]私货科普[rbk]关于双生子佯谬“正确”的理解姿势

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从初三接触相对论开始就被各种讨论弄的头昏脑胀,看到贴吧也有人关心这个问题,开个帖子进行私货科普。如吧务以为合适求加精。因为是一时兴起会分很多楼慢慢打字,关心的人可以马着别抢太多前面的楼。
那么我开始了


IP属地:陕西来自Android客户端1楼2024-03-22 14:40回复
    先解释清楚两个容易被纠缠不清的概念:观察者和参考系。
    我习惯上用观察者指一个点粒子(譬如一个开飞船的人,忽略飞船的尺寸),也指这个点粒子运动起来时,在四维时空中划过的一条一维的线(世界线)。如果观察者静止,那么这条线会平行于时间轴。


    IP属地:陕西来自Android客户端2楼2024-03-22 14:47
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      参考系则是指一群点粒子,他们每个划出一条世界线,所有点粒子的世界线密密麻麻铺满整个时空。
      图为一个一般的参考系。


      IP属地:陕西来自Android客户端3楼2024-03-22 14:50
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        你加油,我刚好有个作业要解释这玩意


        IP属地:浙江来自Android客户端4楼2024-03-22 14:53
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          物理是一门测量的科学,那么参考系是怎么测量事件发生的时间和空间呢?以惯性参考系为例,迅速运动的你处在的惯性参考系其实是:
          你学习一下隐分身,在空间的每个点安插好自己的一个分身,每个分身复制一个一模一样的钟表。你需要和每一个分身对齐自己的钟(对齐方法:利用光速不变,具体留作家庭作业,等一个课代表),然后大家就可以以相同的速度一起在时空中匀速运动辣!
          这样任何一个事件必定发生在你的一个分身的脸上该分身记录事件发生的钟表读数,将读数和自己的空间位置打包发送给你
          这样参考系就可以进行测量辣!


          IP属地:陕西来自Android客户端5楼2024-03-22 14:55
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            你会发现两个问题:
            1.对每个观察者的生活而言,只有发生在自己脸上的事件是可测量的(你能看到远方物体是在测量远方物体biu到你脸上的光信号),也只有发生在自己脸上的事件是有物理意义的(我开枪biu你对你产生的物理影响来源于biu到你脸上的金属而不是我在远方扣动扳机这个事件),因此参考系比起单个观察者是一个非常浮夸的概念,我们需要做太多额外努力来建立一个参考系!(从数学上讲,需要制定一个3+1分解,从操作上讲,需要尼玛对离谱多的钟
            2.参考系的测量结果和单个观察者“看到”的结果未必相符
            你的惯性参考系测量的结果是你的贴脸事件A的影分身告诉你的,而你“看到”的结果是光biu到你脸上的这个事件(称为biu脸事件B) 事件A和事件B就尼玛不是一个事件


            IP属地:陕西来自Android客户端7楼2024-03-22 15:02
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              只就狭义相对论学习而言,区分参考系和观察者的意义不大,两种思维都可以解决问题。但是前者会给你的广义相对论学习造成不必要的困惑(不要问我怎么知道的)。
              而双生子佯谬就是一个站在狭义相对论和广义相对论灰色边界上的问题
              我将不使用参考系只使用单个观察者的测量结果给双生子佯谬完全在在狭义相对论框架下解释清楚


              IP属地:陕西来自Android客户端8楼2024-03-22 15:05
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                你加油,我刚好有个作业要解释这玩意


                IP属地:浙江来自Android客户端9楼2024-03-22 15:09
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                  先看所谓的钟慢效应。大家都知道钟慢效应的公式,这个公式依赖于惯性参考系测量的坐标时间,实际上反应的是影分身的测量结果


                  IP属地:陕西来自Android客户端10楼2024-03-22 15:11
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                    清楚地叙述一遍:你的分身汇报粒子运动了时间t,在这段时间粒子携带的钟表运动了时间(固有时)tau,这两个时间适用钟满公式。
                    但是你可以不依赖分身,就自己坐地盯着运动粒子看,让钟表发出的光biu到你的眼睛里带来图像。你在同样时间t内亲眼看到的钟表指针走动可不等于tau。
                    事实上,当运动粒子携带钟远离你时,你亲眼目睹的钟表走速变慢,而当他靠近你时,你目睹的动钟反而变快了!原因是钟的画面传到你眼里需要时间,当粒子携带钟向着你运动时,相当于粒子帮着较后时刻的画面以粒子的速度预先传播了一段时间也就是说画面在你眼里帧率就变快了,你可以在单位时间看到更多画面,钟表走速变快了


                    IP属地:陕西来自Android客户端11楼2024-03-22 15:19
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                      会一点物理的同学已经知道我在说什么了,没错,多普勒效应我将直接展示多普勒效应给出的钟速公式推导给学过相对论的同学留作作业


                      IP属地:陕西来自Android客户端12楼2024-03-22 15:24
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                        接下来我们终于可以解释双生子佯谬了,核心是解释一个问题: 为什么地球和飞船相对运动,地球上的人老了,飞船上的人年轻?
                        旧教条解释:因为地球参考系是惯性系,可以使用飞船相对地球运动钟慢公式。而飞船因为折返改变了速度不是匀速运动,不能建立惯性参考系,因此不能利用钟慢公式得出地球上的人比飞船上的人年轻的相反结论。
                        这个解释当然是对的,但是会让人忍不住问如果我用超出狭义相对论的知识为飞船建立非惯性参考系可不可以计算?然后诱使人们思考加速参考系坐标变换之类的毫无意义的问题来浪费时间。
                        如前所述,在设计加速的一般情况下,建立参考系本身就是吃力不讨好的事情:你需要指定分身是如何指派、如何标记、如何对钟的,这个指定相当的任意(数学上指定3+1分解的任意性),很多时候也并不物理。牢记只有贴脸发生的物理事件才是有意义的可(直接)观测的!
                        于是我们忘记参考系,只考虑地球和飞船两个观察者,用多普勒效应来解释两个观察者在飞船去而复返的整个经过中看到了什么,导致地球有更多衰老


                        IP属地:陕西来自Android客户端13楼2024-03-22 15:32
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                          双生子佯谬:


                          IP属地:陕西来自Android客户端14楼2024-03-22 15:35
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                            支持正义科普


                            IP属地:浙江来自Android客户端15楼2024-03-22 15:36
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                              飞船看地球:


                              IP属地:陕西来自Android客户端16楼2024-03-22 15:41
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