嚴冰

摘 要：愛因斯坦的相對論深刻揭示了時間、空間與物質的運動和分布的密切關系。時間延緩是愛因斯坦相對論中的重要內(nèi)容，本文就新課改教材中有關做慣性相對運動的兩個物體系中的時間延緩與在引力作用下引起的時空彎曲、時間延緩進行比較，對一道習題提出質疑，并對“雙生子佯繆”給以解釋。

關鍵詞：時間延緩；參照系；引力場

高中物理教材魯科版物理（必修）第六章“相對論與量子論初步”是新課改增加的內(nèi)容。相對論與量子論是現(xiàn)代物理學和科學技術的重要理論基礎，相對論深刻揭示了時間、空間與物質的運動和分布的密切關系。在高中物理教學中，把這些知識點傳授給學生，十分必要。一方面可以使學生對近代物理學有一個初步認識，另一方面還可樹立學生科學的時空觀和世界觀。

在教學過程中，物理2（必修）教輔材料《學習手冊》中的一道習題引起了我的質疑。

題目：一對孿生兄弟，哥哥于25歲駕駛飛船以0.998c的速度（實際上辦不到）航行，在他出發(fā)后，弟弟在家盼望了30年，哥哥才回來。請你算一算，哥哥認為自己只不過離開地球多少時間？題目給出的答案是1.9年[1]。

顯然，題目給出的答案“1.9年”是通過課本中的時間延緩公式計算得出的。魯科版高中物理教材物理2（必修）的課文在給出時間延緩公式之后有這樣一段解釋：“需要說明的是，相對論所說的‘鐘（即計時器）都是標準鐘，走的一樣快。每個慣性系的觀測者都是使用靜止于該參照系中的時鐘進行有關時間觀測的。對同一個物理過程經(jīng)歷的時間在不同慣性系中觀測，測得的結果不同，這是相對論時空觀的體現(xiàn)，是一種觀測效應。不是時鐘走得快或慢了，也不是被觀測過程的節(jié)奏變化了[2]。”根據(jù)這一段解釋分析：弟弟在地球上，以地球為參照系，看見哥哥以 0.998c的速度飛行，測得哥哥的時間（或生命）延緩?？墒?，運動是相對的，哥哥以飛船為參照系，發(fā)現(xiàn)是弟弟和整個地球以0.998c的速度離飛船而去，哥哥測得弟弟的時間（或生命）延緩，即在哥哥飛行的30年時間里，弟弟和地球上的時間只過了1.9年。那末，當哥哥返回地球時，哥哥與弟弟誰更年輕？在這里，我們實際上遇到了狹義相對論中由時間延緩效應所引發(fā)的一個佯繆——雙生子佯繆。根據(jù)狹義相對論，做慣性相對運動的兩個物體系中的時間延緩是對等的，等價的，時間延緩僅僅是觀測效應，兩個物體系中的時鐘是沒有快慢之分的，正如做慣性相對運動的物體長度收縮也是一種純粹的相對論效應，觀測效應，與物體的內(nèi)部結構無關，物體的真實長度根本沒有發(fā)生變化。

那么，哥哥返回地球時與弟弟一樣年輕？答案又是否定的。哥哥會更年輕，為什么？

要解決雙生子佯繆，應該進入廣義相對論。廣義相對論有兩個基本原理：廣義相對性原理和等效原理。狹義相對論中的狹義相對性原理認為，物理規(guī)律（力學、電磁學、光學等）對于所有慣性參照系都具有相同的形式，一切物理規(guī)律都是在慣性參照系中表達的。

然而，自然界還存在非慣性參照系，而且，嚴格的慣性參照系自然界是不存在的，如果客觀的物理規(guī)律只能在慣性參照系中才有效，這顯然是不科學、不全面的。愛因斯坦于1907年把狹義相對論中的狹義相對性原理發(fā)展到非慣性參照系，提出了廣義相對性原理：在任何參照系（包括非慣性參照系）中物理規(guī)律都是等效的。廣義相對論另一個基本原則是等效原理：“一個有引力場的慣性系與一個沒有引力場但有適當加速度的非慣性系是等效的?！被蛘弑硎鰹椋骸皠蚣铀賲⒄障担ǚ菓T性參照系）中的慣性力與均勻引力場不可區(qū)分?！睆V義相對論把時間、空間與引力場聯(lián)系起來。引力場能引起時間延緩，引力場引起的時間延緩與做慣性相對運動的物體互相觀測得出的時間延緩是有本質區(qū)別的，引力場引起的時間延緩是實質性的，不再是對等的、等價的了。著名的理論物理學家、宇宙學家霍金先生在他的《時間簡史》中描述了又一對雙生子的情形：一對孿生兄弟，哥哥一直在地面上生活，弟弟一直在離地面很高的高山上生活，許多年過去了，哥哥與弟弟見面時，哥哥與弟弟誰更年輕？霍金先生的答案是：哥哥會更年輕。因為地面附近地球的引力場比離地面很高的高山上的引力場大，哥哥一直生活在較大的引力場中，所以時間延緩了[3]。

若飛船以0.998c的速度一直勻速航行，則飛船與地球相互做慣性運動，哥哥與弟弟互相觀測到的時間延緩是等價的，哥哥與弟弟一樣年輕。問題是哥哥為了返回地球，飛船必須經(jīng)歷減速再反向加速的非慣性過程，根據(jù)上述的等效性原理，飛船經(jīng)歷減速再反向加速的非慣性過

程可以等效于飛船經(jīng)歷了強大的引力場，哥哥在強大的引力場中產(chǎn)生的時間延緩是實質性的，哥哥經(jīng)歷的過程與弟弟不同，不再與弟弟的時間對等了，哥哥經(jīng)歷的引力場使得哥哥的時間延緩，所以，哥哥回到地球上確實會比弟弟年輕。由于廣義相對論中的時空彎曲，時間延緩的計算需要高深的數(shù)學知識，這里就不涉及定量計算，但決不是題目給出的答案“1.9年”。

如果把原題改為：一對孿生兄弟，哥哥于25歲駕駛飛船以0.998c的速度（實際上辦不到）勻速航行，在他出發(fā)后，弟弟在家盼望了30年，請你算一算，弟弟的觀測結果認為哥哥只過了多少時間？（假設在這30年時間里，哥哥一直保持0.998c的速度勻速飛行）這樣，答案才是1.9年。

由此我想，在新課改的教學過程中，教師如何既把近代物理知識和現(xiàn)代的科技成果傳授給學生，又保證在簡化理論、編寫練習時不違反科學，不誤導學生，是值得深思的。

參考文獻：

[1]司南中學物理教材編寫組.普通高中課程標準試驗教科書物理2（必修）學習手冊[M].濟南：山東科學技術出版社，2011.

[2]司南中學物理教材編寫組.普通高中課程標準實驗教科書物理2（必修）[M].濟南：山東科學技術出版社，2011.

[3]霍金（S.W.Hawking）.時間簡史[M].長沙：湖南科學技術出版社，2002.