狭义相对论的佯谬思考与分析文献综述

文献综述

研究的现状及发展趋势

一个理论体系内部的不一致产生的问题通常称作“佯谬”(paradox)，不仅数学和日常语言中存在佯谬，各门建立在实验基础上的自然科学(尤其是物理学)中也存在着佯谬。相对论和量子力学就是两个充满着佯谬之谜的理论，它们往往出现在科学革命前夜的“危机”时期，既是革命即将发生的信号，又是新思想、新理论诞生的催化剂[15]。物理学就是在佯谬的不断解决中超越自己的。它表明，在旧的理论体系内部已经解决不了新发现的原来隐藏着的问题了，当我们固守旧的理论框架企图解决它们时，就将得出一些表观上荒谬的结论，它们是一些表面上看起来正确而其实是错误的或者表面上看起来错误而其实是正确的立论,而这些看似荒谬的结论却又并不违背已有的理论，这便构成了佯谬。

狭义相对论的建立，对物理学起了巨大的推动作用，并且深入到量子力学的范围，成为研究高速粒子不可缺少的理论。但是它有两个原则性的根本问题未能解决。第一个是定义惯性系引起的困难，由于否定了“绝对时空”，惯性参考系（惯性系）成了无法定义的概念。如果惯性系是指牛顿第二定律在其中成立的参考系，那么只有在惯性系中牛顿第二定律才能成立，从而陷入“逻辑循环”。第二个是万有引力引起的困难，万有引力定律与“绝对时空”紧密相连，必须加以修正，但其在洛伦兹变换下不具有协变性，因此无法纳入狭义相对论的框架。直至广义相对论建立之后，问题才得以彻底解决。在此过程中就产生了许多佯谬，主要分为时间佯谬和长度佯谬[7]。

时间佯谬主要有“双生子佯谬”和“潜水艇佯谬”。“双生子佯谬”是指有一对孪生兄弟，一个登上宇宙飞船作长程太空旅行，而另一个则留在地球，依据狭义相对论时间膨胀效应，孪生兄弟中的每一个人都认为对方相对于自己运动，所以每一个人都认为对方应该比自己年轻，佯谬在于当两人碰面时，谁更年轻这个问题只会有一个结论，而不会出现上述的两者各执一词的情况。目前双生子佯谬主要有两个分歧，一部分研究者认为可以通过狭义相对论的时间膨胀公式和时空图来验证，著名的有用闵氏几何法[4,6]来解决这一佯谬。另一部分研究学者则认为只用狭义相对论无法解释二者（孪生子）等效的问题[11]，在加速过程中引力场对双生子年龄的影响也无法定量讨论，而且在用狭义相对论对此进行计算的过程中，还会得出一个非常离奇的推论——“返老还童”[18]，因此必须用到广义相对论，有待进一步研究。

“潜水艇佯谬”指的是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佯谬由此而生。

1989年，美国物理学家萨普利曾利用爱因斯坦狭义相对论，为“潜水艇佯谬”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。直到后来巴西科学家马查斯认为该谬论的产生是因为人们只考虑到了潜水艇接近光速运动的时候海水密度的变化，而忽视了重力场的变化，他最终得出的结论是当潜水艇以接近光速运动时将沉入海底，而这一解释也得到很多学者的认可。

另一种佯谬——长度收缩佯谬，指在某一个运动的参考系中，对一根沿运动方向放置且相对于此参考系静止的棒的长度要比在一个静止的参考系中测得的此棒的长度短一些，这种情况被叫做长度收缩效应。这个效应显示了空间的相对性，对于同一个物体，在相对于该物体运动的参考系中，沿运动方向测量它的长度，所得的结果要比在相对于该物体静止的参考系中测得的同方向长度短一些，主要的佯谬有“火车-隧道佯谬”和“横杆佯谬”。

研究的意义与价值