02.27 一個轉動的圓盤能引起空間彎曲?愛因斯坦是這樣解釋的(二)

上文 最後講到:

轉盤生物覺著轉盤沒有旋轉,因此擺放在轉盤上的量尺沒有縮短,反倒是覺著地面觀測者和他的量尺在運動,因此他們的量尺縮短了,所以應該是地面觀測者測出的轉盤周長要大於自己測出的周長。

一個轉動的圓盤能引起空間彎曲?愛因斯坦是這樣解釋的(二)

乍一看,說的似乎挺有道理,但實際上轉盤生物的這個反駁是有問題的,上篇文章已經提到過,之所以轉盤生物覺著是地面觀測者的量尺變短,那是建立在局域測量的結果,而一旦脫離局域狀態,情況就變了。

比如說地面觀測者所在的慣性系,是沒有加速度存在的(這裡的加速度指的是固有加速度, 該篇文章提到過);而轉盤是一個非慣性系,存在固有加速度。

正是因為如此,二者將原先對立的局域測量結果分別進行累計時,得出的最終結論並非如局域測量結果一樣對立,反而是這兩個最終結論是一致的,也就是都一致認為轉盤系測量的周長要大於地面系測量的周長。

如何理解這一過程呢?思來想去,還是要上點數學公式的,否則光憑嘴說給人的感覺還是有些似懂非懂(但公式具體是怎麼來到,就不推導了,不適合科普文章)。我們可以直接基於轉盤系建立一個共動座標系,給出轉盤上的空間線元,如下圖:

一個轉動的圓盤能引起空間彎曲?愛因斯坦是這樣解釋的(二)

這樣一來就能直接得到轉盤系與地面系之間關於長度的“尺縮”關係。並且結果表明,即便是從轉盤系這個非慣性系出發,得到的關於“尺縮”效應的公式,竟然與地面系得到的結果是一模一樣的。

如此說來,轉盤系測量到的轉盤周長將會比地面系測得的周長要長,這是一個任意參考系都認同的結論,記住它。

上篇文章說過保羅·埃倫費斯特在論文中提出了轉盤上的圓周率將會發生變化,而我們現在才有了周長的數據,還差什麼呢?沒錯,就是轉盤的直徑(或者半徑),此時讓我們再來看看轉盤的直徑有什麼變化。

我們發現轉盤在旋轉時,其直徑所在方向的速度為零,也就是說直徑不會受尺縮效應影響,因此轉盤的直徑還是原來的數值。

這時我們發現,如果當週長變大,而直徑不變,那會出現什麼樣的後果呢?沒錯,圓周率發生變化了,變的比我們所熟知的3.1415962.....大了,著意味著什麼呢?

一個轉動的圓盤能引起空間彎曲?愛因斯坦是這樣解釋的(二)

我們知道平常的圓周率數值,是歐氏幾何中,圓的周長與直徑的比值,而現在轉盤上的圓周率發生了變化,那麼只能說明一點,也是我們在本文中得到最重要的一個結論:當轉盤轉動時,轉盤的空間幾何發生了變化,由原先的歐氏幾何變成了非歐幾何

這個結論在我們看來,似乎沒什麼值得驚訝的(那是因為我們已經知道了相對論中相類似的存在),但保羅·埃倫費斯特當時是1909年,距離愛因斯坦的廣義相對論問世還差五六年呢,所以當他發現轉盤上的圓周率變的和往常不一樣時,就感到十分疑惑,他認為要麼是圓周率另有含義,要麼就是狹義相對論出了漏洞。

一個轉動的圓盤能引起空間彎曲?愛因斯坦是這樣解釋的(二)

值得注意的一點,保羅·埃倫費斯特當時寫的這篇論文非常短小(兩面紙而已,見下圖),估計他自己也沒什麼大的想法,畢竟那時候他還在為了生計而奔波。或許是“說者無意,聽者有心”吧,愛因斯坦在看過這篇論文後,也向保羅·埃倫費斯特回了信,也產生了某些靈感。

一個轉動的圓盤能引起空間彎曲?愛因斯坦是這樣解釋的(二)

為了簡單起見,咱們就從現在的角度去分析一下這個轉盤實驗到底蘊含了哪些含義。

我們知道轉盤是一個非慣性系,如果直接在這個非慣性系上做狹義相對論分析是不可行的(這句話僅針對早期的狹義相對論,因為按照現代觀點來看,是否為慣性系並不是區分狹義和廣義相對論的標準)。

不過就如同雙生子佯謬一樣,愛因斯坦從始至終都有著清晰的認識:雖然這些現象貌似從相對運動的角度出發會產生矛盾,但本質上是沒有矛盾的,也就是說在轉盤系測量的周長一定比地面觀測者測的要大,就如同雙生子佯謬中,具備固有加速度一方的兄弟在返回地球后,一定會比另一個兄弟年輕一樣。

一個轉動的圓盤能引起空間彎曲?愛因斯坦是這樣解釋的(二)

先前也說了,因為轉盤直徑方向並無速度,因此發生的尺縮效應只侷限於切向速度方向,所以我們可以知道此時轉盤上的空間幾何發生了變化,由原來的歐氏幾何變成了非歐幾何,圓周率不再是我們所熟知的那個數值了。這一點是大家所共認的,也就是轉盤上的空間幾何是非歐的。

此時再讓我們注意到那個處於轉盤繫上的生物,它會有什麼身體感受呢?

就像當年愛因斯坦做的那個電梯思想實驗,當電梯自由落體時,裡面人不會感受到重力存在,也就是說,如果這個人忘記他在進入電梯前的一切,那麼此刻他是無法分辨出他是在空曠無垠的宇宙中,還是正在墜落向某個星球的表面。

一個轉動的圓盤能引起空間彎曲?愛因斯坦是這樣解釋的(二)

用同樣的思考方式去考慮處於轉盤上的生物,對於它而言,轉盤上的一切相對於它都是靜止的,只有一股莫名的力在時刻拉著它。如果這個生物一輩子都生活在轉盤上,並不知道轉盤外還存在著更大的世界,那麼按照我們的理解,這個生物就可以將這股莫名的力稱為引力。

那麼這個引力和咱們現實世界中的引力是一回事嗎?

後續內容請看下篇文章


本篇文章的內容到此結束。

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