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潛水艇悖論

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什麼是潛水艇悖論

  潛水艇悖論是指:首先假設一艘完全浸沒在海中的潛水艇,在相對海水靜止時能不升不降地正好保持平衡,然後再假設它在與海面平行的方向上以接近光速行進。基於物體長度會在運動方向上收縮的相對論效應,在海面上固定船隻上相對海水靜止的觀察者看來,潛水艇本身會收縮,並最終下沉。但潛水艇上的船員們看到的卻是飛速向後的海水在收縮,密度在變大,潛艇將漂浮而上。按照相對論,兩種看法似乎都沒有錯,潛艇到底是沉或浮的悖論由此而生。

潛水艇悖論的內容

  首先假設一艘完全浸沒在海中的潛水艇,在相對海水靜止時能不升不降地正好保持平衡,然後再假設它在與海面平行的方向上以接近光速行進。基於物體長度會在運動方向上收縮的相對論效應,在海面上固定船隻上相對海水靜止的觀察者看來,潛水艇本身會收縮,並最終下沉。但潛水艇上的船員們看到的卻是飛速向後的海水在收縮,密度在變大,潛艇將漂浮而上。按照相對論,兩種看法似乎都沒有錯,潛艇到底是沉或浮的悖論由此而生。

  所謂相對論效應是一個慣性系觀察另外一個慣性系得出的結論,對於另外一個慣性系也同樣得出完全一樣的結論,這個結論是完全正確的。但是任何一個慣性系都不可能成為另外一個慣性系,也就是說這種結論不可能出現在同一個慣性系內,如果出現在同一慣性系,就不存在不同慣性系的概念了。就是說一個潛水艇以接近光速運動,這是靜止觀察者才能看到的,所以靜止觀察者得到“潛水艇密度變大”而下沉的結論,而對於潛水艇同樣認為以光速運動的是海水,因此得出結論:海水密度變大。但是這些結論都是說的對方。這就如同兩個人之間發生矛盾(就是觀點不一致——相對運動也是如此)都說對方是錯誤的,因為我們都正確理解這個過程,所以我們稱這種現象叫“矛盾”,但是如果,我們對方的觀點也引入自己的思維,悖論(相對論叫佯謬)就誕生了:自己到底是對的還是錯的?

  包括“雙生子,車庫問題”也都是這個原因誕生的。事實上你就是你,我就是我,我不可能是你,你也永遠不可能是我。你我就是兩個不同的參考系。

潛水艇悖論的破解

  巴西聖保羅州立大學的科學家馬察斯最近宣佈徹底破解了這個悖論。他在新一期美國《物理評論D》雜誌上發表的研究結論認為,那艘潛水艇最終將沉入水底。

  根據愛因斯坦的相對論,物體的長度在運動方向上會產生收縮。舉例來說,一列以近光速飛跑的火車,在站臺上靜止的觀察者眼中會變短;而在火車上的乘客看來,以接近光速後退著的站臺卻收縮了。

  早在1989年,美國物理學家薩普利曾利用愛因斯坦狹義相對論,為“潛水艇悖論”提供了一個解答。雖然薩普利的結論也是潛艇將下沉,但他在研究中人為地假設海底在特定參照系中會加速上升,並由於相對論時空效應而扭曲變形,最終與潛艇接觸,結果潛艇客觀上看是沉沒了。這一解釋不是特別有說服力。

  馬察斯指出,“潛水艇悖論”之所以讓人迷惑,是因為提出這個悖論時沒有考慮海水重力場對潛艇的作用。在不同參照系下,相對海水靜止的觀察者和潛艇船員所處的重力場並不相同。他通過嚴密的數學推理發現,從潛艇船員的角度來看,潛艇以接近光速運動過程中受到的有效重力,實際上也比潛艇相對海水靜止時要大。這一重力將超過由於海水密度變大而產生的浮力,最終導致潛艇下沉。“潛水艇悖論”從一個側面展示了相對論的神奇。正如馬察斯在論文中指出的,雖然愛因斯坦相對論提出已近100年,但到目前為止,它“居然仍有本事給我們製造驚奇”。

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LuyinT.

評論(共1條)

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120.245.16.* 在 2021年3月5日 22:09 發表

CD

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