潜水艇悖论

出自 MBA智库百科(https://wiki.mbalib.com/)

　　潜水艇悖论是指：首先假设一艘完全浸没在海中的潜水艇，在相对海水静止时能不升不降地正好保持平衡，然后再假设它在与海面平行的方向上以接近光速行进。基于物体长度会在运动方向上收缩的相对论效应，在海面上固定船只上相对海水静止的观察者看来，潜水艇本身会收缩，并最终下沉。但潜水艇上的船员们看到的却是飞速向后的海水在收缩，密度在变大，潜艇将漂浮而上。按照相对论，两种看法似乎都没有错，潜艇到底是沉或浮的悖论由此而生。

　　首先假设一艘完全浸没在海中的潜水艇，在相对海水静止时能不升不降地正好保持平衡，然后再假设它在与海面平行的方向上以接近光速行进。基于物体长度会在运动方向上收缩的相对论效应，在海面上固定船只上相对海水静止的观察者看来，潜水艇本身会收缩，并最终下沉。但潜水艇上的船员们看到的却是飞速向后的海水在收缩，密度在变大，潜艇将漂浮而上。按照相对论，两种看法似乎都没有错，潜艇到底是沉或浮的悖论由此而生。

　　所谓相对论效应是一个惯性系观察另外一个惯性系得出的结论，对于另外一个惯性系也同样得出完全一样的结论，这个结论是完全正确的。但是任何一个惯性系都不可能成为另外一个惯性系，也就是说这种结论不可能出现在同一个惯性系内，如果出现在同一惯性系，就不存在不同惯性系的概念了。就是说一个潜水艇以接近光速运动，这是静止观察者才能看到的，所以静止观察者得到“潜水艇密度变大”而下沉的结论，而对于潜水艇同样认为以光速运动的是海水，因此得出结论：海水密度变大。但是这些结论都是说的对方。这就如同两个人之间发生矛盾（就是观点不一致——相对运动也是如此）都说对方是错误的，因为我们都正确理解这个过程，所以我们称这种现象叫“矛盾”，但是如果，我们对方的观点也引入自己的思维，悖论（相对论叫佯谬）就诞生了：自己到底是对的还是错的？

　　包括“双生子,车库问题”也都是这个原因诞生的。事实上你就是你，我就是我，我不可能是你，你也永远不可能是我。你我就是两个不同的参考系。

　　巴西圣保罗州立大学的科学家马察斯最近宣布彻底破解了这个悖论。他在新一期美国《物理评论D》杂志上发表的研究结论认为，那艘潜水艇最终将沉入水底。

　　根据爱因斯坦的相对论，物体的长度在运动方向上会产生收缩。举例来说，一列以近光速飞跑的火车，在站台上静止的观察者眼中会变短；而在火车上的乘客看来，以接近光速后退着的站台却收缩了。

　　早在1989年，美国物理学家萨普利曾利用爱因斯坦狭义相对论，为“潜水艇悖论”提供了一个解答。虽然萨普利的结论也是潜艇将下沉，但他在研究中人为地假设海底在特定参照系中会加速上升，并由于相对论时空效应而扭曲变形，最终与潜艇接触，结果潜艇客观上看是沉没了。这一解释不是特别有说服力。

　　马察斯指出，“潜水艇悖论”之所以让人迷惑，是因为提出这个悖论时没有考虑海水重力场对潜艇的作用。在不同参照系下，相对海水静止的观察者和潜艇船员所处的重力场并不相同。他通过严密的数学推理发现，从潜艇船员的角度来看，潜艇以接近光速运动过程中受到的有效重力，实际上也比潜艇相对海水静止时要大。这一重力将超过由于海水密度变大而产生的浮力，最终导致潜艇下沉。“潜水艇悖论”从一个侧面展示了相对论的神奇。正如马察斯在论文中指出的，虽然爱因斯坦相对论提出已近100年，但到目前为止，它“居然仍有本事给我们制造惊奇”。