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双生子佯谬飞船系的计算

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例:计算双生子佯谬问题。设孪生哥哥乘速度为0.8C的飞船离开弟弟,一年之后(弟弟时间),飞船突然折返(假设瞬间完成折返),然后以0.6C的速度返回。计算他们重逢时兄弟俩各增加了几岁。
下面我们将从哥哥的观点来计算整个过程。
首先,哥哥观察到弟弟以0.8C的速度离自己远去,这样过了0.6年然后折返(根据题设,弟弟的时间是1年,但哥哥的时间是0.6年)。
其次,在弟弟折返前,哥哥观察到弟弟已离自己的距离是0.8*0.6=0.48光年。与此同时,哥哥也观察到弟弟的动钟变慢效应,因此这时哥哥认为弟弟增加的年龄为0.6*0.6=0.36岁(这时哥哥当然增加了0.6岁)。
因此,在弟弟折返前,哥哥认为自己年长了0.6岁,弟弟只增加了0.36岁。弟弟比自己年轻0.6-0.36=0.24岁。
到目前为止,一切如常。从弟弟的角度看,哥哥动钟变慢;而从哥哥的角度看,弟弟动钟变慢。
然而,就在折返的那一瞬间,弟弟与哥哥所观察到的事实完全不同。弟弟观察哥哥正如路人观察街上的车流来来往往一样,没有任何特别之处。但哥哥却是在飞船上,瞬间的折返将使他承受巨大的冲量(理论上无穷大冲量)。姑且认为哥哥的超人体格能够承受这种巨大冲量,而不至于口吐鲜血而死。那么他会观察到什么呢?
他会观察到时空的突变!
更具体来说,哥哥会发现原位于x=0.48光年处的弟弟,一瞬间就位于0.64光年处了。不仅如此,哥哥还会发现弟弟在这一瞬间突然长大了,其岁数在这一瞬间增加了1.12岁。(当然,哥哥认为自己在这一瞬间没有长大)。
因此,原来比自己年轻0.24岁的弟弟,居然一下子就比自己年长了0.52岁。
接下来,又会是一个通常的狭义相对论过程。哥哥发现离自己0.64光年弟弟以0.6C的速度朝自己驶来,因此弟弟返回与哥哥重逢所需时间为16/15年。因此这一去一来,哥哥总耗时为0.6+16/15=5/3年。而哥哥观察到弟弟在这两段时间内的时钟都是变慢的,并且在这两段时间交界点,弟弟的年龄有一个突变。因此,弟弟的总耗时为0.36+1.12+(16/15)*0.8=7/3年。
因此,相逢时哥哥比弟弟年轻2/3岁。


1楼2019-07-30 10:18回复
    “哥哥会发现原位于x=0.48光年处的弟弟,一瞬间就位于0.64光年处了”,这里还可以补充一些说明。“位于x=0.48光年处的弟弟”是在远离状态的弟弟,0.48光年是对哥哥而言现在的实际位置,而哥哥用眼睛看到的是更早时间的弟弟(这个时间可以计算,当然,看到的弟弟也就比现在更年轻,距离也是在比0.48光年更近处的)。哥哥折返后,用眼睛看到的弟弟没变,只不过此时对哥哥而言,弟弟是在由远处靠近,现在位于0.64光年处,由此反推,看到的弟弟是更远处的弟弟,再根据反推的结果来计算,可计算出现在弟弟的年龄,此时即可发现弟弟长大了不止1岁。也就是说,同一个影像,由远而近的弟弟比远离而去的弟弟要大0.52岁。


    IP属地:广东2楼2019-07-30 22:13
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      楼主以及弧吧主说都是从掉头运动阶段,在飞船参考系看来,同时线不断调整(同时相对性,或者说洛变)的结果
      我来简单补充下,从飞船参考系的分析
      (就是许多人说的如何立足飞船系用广相计算该过程,其实不叫用广相,只是用了飞船这个非惯性坐标系,只是坐标变换,因为曲率张量依然是0,双子问题设定的时空背景是平直的)
      把掉头过程考虑成最简单的模型:即从v匀减速运动到0,再反向匀加速到-v,加速度为-a(这里的a、v即从弟弟所处的惯性坐标系考察的)
      有一种坐标系,是非常好地描述匀变速运动的共动坐标系——rindler坐标系,是对闵氏惯性坐标系的一种双曲变换,具体变换式自己查资料,很简单的变换
      变换后,度规从[-1 1 1 1]变成[-ax 1 1 1]
      发现什么特别的没,为何惯性系中时空都均匀,因为度规场是常量场
      而匀变速运动的非惯性系,空间项的度规还是一样,由ruv=guv-g0ug0v/g00可知,空间度规ruv=guv,这里u、v取1、2、3,表明空间还是均匀的
      关键是时间度规项,成了-ax,里面含有x看到没,就是说时间流逝速度与对象所处的位置有关
      具体在双子问题中,由于加速度是-a,在rindler系里,地球相比飞船位于x值更大的地方,所以时间流逝得快
      当然上述是定性说法,楼主可以验证下,假设掉头时间为t,用rindler系度规算远方地球和飞船自身的世界线长度,其比例就是固有时流逝量之比。楼主可以验证下,t趋于0时,是不是退化成就是用洛变算的结果(即瞬间完成掉头)。肯定是的。


      IP属地:四川3楼2019-07-31 19:13
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