Twin Paradox 的答案
之前的一篇文章里,我提出了一个 Twin Paradox 的改进方案,使它完全成为了爱因斯坦论文里的那个匀速运动的思维实验。这样不再能用加速度和惯性系作为理由来区分 A 和 B,以至于根据伽利略的“相对性原理”,我可以自由地转换视角,把他们任何一个看作是“静止”的那一个,那运动的那一个就会年轻一些,导致难以解释的矛盾。
这个看似不可解决的悖论是否可以用来否定相对论呢?其实是不可以的。虽然看起来不可解决,然而它其实是有答案的。虽然两个 twin 都在惯性系里,按照相对性原理,他们都可以被看作是静止的那一个,然而相对性原理在这里其实是不适用的。因为一旦问题和光速有直接关系,就不能使用相对性原理。
为什么呢?因为所有的光(或其它电磁波)都在一个特殊的空间里运动。这个光存在和运动的空间(以下称“光的空间”),其实是独立于任何参考系的。即使 B 在匀速运动,我们也不可以把 B 看作是静止的那一个,因为“光的空间”并没有随着 B 一起运动,而是和 A 在一起的。这里我们需要考虑光的运动,所以 A 一定要被看作是静止的,B 一定要被看作运动的,否则对光的分析就会出现错误。
爱因斯坦论文的整个推导,其实都假定了 A 相对于“光的空间”是静止的。如果你要把 B 看作是静止的那一个,就得把“光的空间”和 A 一起看作是运动的,后面的数学才会正确。
这是不是说存在一个“绝对参考系”呢?是的。上面说的那个“光的空间”其实就是所谓“绝对参考系”,所有的光都在这个参考系里运动,它独立于任何其它参考系。
然而爱因斯坦的论文整个第一页都在否定绝对参考系的存在,现在我说“绝对参考系存在”,这不是违反了相对论的宗旨吗?是的。但是你仔细看看爱因斯坦的论文,就会发现他前后是自相矛盾的。他在第一页否定了绝对参考系,可是他后面的数学推导其实全都依靠一个绝对参考系。
爱因斯坦论文里那个静止的参考系 K 就是“绝对参考系”,所有的光都在那个参考系里运动,所以他才可以使用 c-v 和 c-v 这样的表达式来表示光在运动参考系 k 里的速度。如果我们认为 K 是“运动”的那一个,那么所有的光也会随着 K 一起叠加运动,后面的数学推导会完全不变,结果 k 虽然被认为是“静止”的,它的时间却仍会变慢,不会导致矛盾。
所以 twin paradox 的解决方案非常简单,那就是接受绝对参考系的存在。我知道这有点难以接受,因为相对论支持者都排斥绝对参考系存在的可能性,坚信一切都是相对的。然而绝对参考系的存在和相对论其实并不矛盾,它们是可以共存的。爱因斯坦的论文推导一直都在用绝对参考系,就是一个直接的证据。绝对参考系甚至可以帮助相对论完美地解决 twin paradox,它们怎么会是矛盾的呢?
如果你不能相信世界上存在这么一个绝对参考系,可以思考下面这个场景:
有一个高速飞行中的飞船,在 0 秒的时候瞬间朝斜方向发出一束激光。注意,这光是瞬间的脉冲,而不是持续发光的。5 秒钟后,光和飞船的位置都变了。现在假想你沿着光经过的轨迹找回去,是否会找到飞船在 0 秒时的位置呢?
如果你的答案是“是的”,这就证明了绝对参考系的存在。为什么呢?如果你在飞船外面画一个框,把它作为飞船的参考系,就会发现光的运动并没有随着飞船的参考系的运动而改变,它不像一颗子弹。如果是子弹的话,沿着子弹的路径找回去,你会找到飞船“现在”的位置,而不是 0 秒时的位置,所以子弹是在飞船的参考系里。而光的运动是完全独立于飞船的,它是在光自己的参考系里。
光的运动是独立于任何参考系的,一旦光子发出来,它的“出发点”在空间中就固定了,永远不会改变,就算光源移动了位置也一样。因为光源再发光的时候,出来的是新的光子,这些新的光子有新的出发点,它们不会影响已经发出来的光子。所有的光都在同一个参考系中运动,它独立于任何其它参考系,它就是绝对参考系。
这个绝对参考系是否就是“以太”(ether)呢?它并不是以太。以太被认为是一种物质的介质,但光的传播是不需要介质的。所以这个绝对参考系其实就是真空,里面没有任何物质,它可以被看作是一个“绝对静止”的空间。当然你也可以认为它在匀速运动,所有的光都随着它在动。它是一个最大的惯性系,宇宙中的一切物质和电磁波都在它里面,它是所有惯性系之母。
这样我就完美的解决了 twin paradox,不依赖于加速度和惯性系的说法。就算是惯性系里的匀速运动,只要 A 和 B 相对于绝对参考系的速度(绝对速度)是不一样的,那么根据相对论,绝对速度较大的那一个 twin 的时间会走得慢一些。所以如果 A 相对于绝对参考系是不动的,那么 B 仍然会是更年轻的那一个。这个结果不以加速度或者引力而改变,它只和绝对速度有关系。
这是否证明了相对论是正确的呢?不。注意以上的结论的前提都是“如果相对论是正确的”或者“根据相对论”。如果相对论是错误的,那么结论也就不成立了。那么相对论是不是正确的呢?那可能要取决于相对光速是否总是 c,然而到目前为止,我们对此没有任何实验证据。