趣 味 問 題 解 答 :
一天,鳥蛋兄弟為了力學作業發生爭吵,決定以暴力解決問題。為了公平起見,兩人拿一樣長的長茅(Lo)決鬥,由遠處以接近光速的相對速度(v)衝向對方。
由於相對論效應,在哥哥(白色)看來,弟弟的矛比較短Lo'=(1-v2/c2) 1/2Lo,
於是在弟弟還沒有刺到哥哥以前,哥哥就把弟弟刺死了。 (圖1)鳥蛋弟被解決以後,弟弟的長矛仍然依慣性向哥哥衝來,哥哥閃躲開來。
獲得勝利後的鳥蛋這時想到一個問題,依據相對性原理,弟弟也應該看到哥哥的長矛是縮短的(否則就不是"相對"的了),那在弟弟看來,到底發生了什麼事呢?(弟弟看來,自己是怎麼被刺死的呢?)
答案:(真抱歉, 似乎有點難懂, 請大家耐心看看囉)
x-t 圖的觀念相信大家都很熟悉,(fig .1)如果鳥蛋哥哥看到一個子彈以c/2的速度遠離他飛走(c是光速),而且每隔一小段時間就把子彈的位置記錄下來,那麼在x-t圖中所有數據點就會連成圖中的線(我把時間的尺度定為c*1 sec/格)
根據Lorentz tansformation(這個部分大家可以參考別的網站)
在考慮相對論的效應下
鳥蛋弟弟看到在位置x',時間t'發生的事件,若是由鳥蛋哥哥來看,發生於位置=x的地方,時間=t的時候,那麼﹕
x' =( x - vt)/(1-v2/c2) 1/2
t' = ( t - v/c * x)/(1-v2/c2) 1/2
(v是他們之間相對的速度)
上面這兩個方程式是什麼意思呢?假想鳥蛋哥哥(和弟弟相對速度4c/5)看到x=1m,t=7/5sec的時候有一個氣球爆炸,那麼他可以用上面的方程式算出弟弟應該在什麼時候、什麼地方看到同一個氣球爆炸(只要代進去就好)
t'=(7/5-4/5*1)/ (1-42/52) 1/2 =(3/5)*(5/3)=1(sec)
在鳥蛋問題裡,鳥蛋弟弟的速度是-v0,所以上面式子裡的v要用-v0代
(注意!這兩個方程式是用在t=0時兩個人的原點重合,在鳥蛋問題裡,你可以設在t=0的時候,兩個人頭碰頭撞在一起,往回推算弟弟和哥哥看來,什麼時後他們戳到對方,你會發現,在弟弟看來,是哥哥先逃過矛,然後以歪斜的姿勢刺到弟弟)
如果大家還是覺得一頭霧水,那麼這個問題還有別的解釋方法
如果大家仔細觀察這兩個方程式
x' =( x - vt)/(1-v2/c2) 1/2
t' = ( t - v/c * x)/(1-v2/c2) 1/2
令t' =0,
t'= ( t - v/c * x)/(1-v2/c2) 1/2=0,
t=v/c *x ,在哥哥的座標系裡這是一條直線(fig.2),在這一條線上弟弟看來t'都等於0,同樣的,我們可以令t'=1,2,3,4...還有x'=0,1,2,3...,(如圖) 我們發現弟弟座標的格線在哥哥看來竟然是歪的,我們舉個例子大家可能會比較清楚﹕
假設哥哥買了4個定時翻面的廣告招牌(大家應該都看過這種招牌吧,有一陣子很流行的,像百葉窗一樣,定時會轉動),每隔一秒就翻面,t= -1~0sec四個招牌上面同時顯示0(fig.3),t=0翻面,t=0~1sec上面顯示1,以此類推2,3,4...,那麼由相對於哥哥在跑的弟弟看來是什麼樣子呢?
在哥哥的時空x-t圖裡,我們把招牌放上去(fig.4)
然後再把弟弟看來t'=0,1,2,3...sec,x'=0,1,2,3...m的等時,等位置線放進去(在弟弟看來這些線上的事件都是等時,或是等位置的)
(我們之前已經用lorentz transformation導過,所以我就直接放上去了)
對弟弟來說,從左到右招牌為0,1,2,3對應到t'=t'1的時候,所以弟弟這時候看到的應該像下圖最下面的樣子
同理,t'=t'2,0的時後,看到的就像上面兩個嘍!
至於鳥蛋問題也同樣可以用space-time diagram圖解(我畫的是x,y,t都考慮進去,實際上只考慮x,t就可以了)
仔細算算看,就會知道在弟弟看來是哥哥先逃跑(要刺到的那一瞬間),但是矛的尖端還留在指著自己的地方,下一秒自己就撞上去了。
這就是鳥蛋paradox的解答
注﹕我原先出的題目是考慮大家對相對論都有大略初步的了解,解釋不夠詳細的地方敬請見諒,已經有初步認識的人應該看起來不會那麼難懂才對