上文最后講到:
轉(zhuǎn)盤生物覺著轉(zhuǎn)盤沒有旋轉(zhuǎn),因此擺放在轉(zhuǎn)盤上的量尺沒有縮短,反倒是覺著地面觀測(cè)者和他的量尺在運(yùn)動(dòng),因此他們的量尺縮短了,所以應(yīng)該是地面觀測(cè)者測(cè)出的轉(zhuǎn)盤周長要大于自己測(cè)出的周長。
乍一看,說的似乎挺有道理,但實(shí)際上轉(zhuǎn)盤生物的這個(gè)反駁是有問題的,上篇文章已經(jīng)提到過,之所以轉(zhuǎn)盤生物覺著是地面觀測(cè)者的量尺變短,那是建立在局域測(cè)量的結(jié)果,而一旦脫離局域狀態(tài),情況就變了。
比如說地面觀測(cè)者所在的慣性系,是沒有加速度存在的(這里的加速度指的是固有加速度,該篇文章提到過);而轉(zhuǎn)盤是一個(gè)非慣性系,存在固有加速度。
正是因?yàn)槿绱?,二者將原先?duì)立的局域測(cè)量結(jié)果分別進(jìn)行累計(jì)時(shí),得出的最終結(jié)論并非如局域測(cè)量結(jié)果一樣對(duì)立,反而是這兩個(gè)最終結(jié)論是一致的,也就是都一致認(rèn)為轉(zhuǎn)盤系測(cè)量的周長要大于地面系測(cè)量的周長。
如何理解這一過程呢?思來想去,還是要上點(diǎn)數(shù)學(xué)公式的,否則光憑嘴說給人的感覺還是有些似懂非懂(但公式具體是怎么來到,就不推導(dǎo)了,不適合科普文章)。我們可以直接基于轉(zhuǎn)盤系建立一個(gè)共動(dòng)坐標(biāo)系,給出轉(zhuǎn)盤上的空間線元,如下圖:
這樣一來就能直接得到轉(zhuǎn)盤系與地面系之間關(guān)于長度的“尺縮”關(guān)系。并且結(jié)果表明,即便是從轉(zhuǎn)盤系這個(gè)非慣性系出發(fā),得到的關(guān)于“尺縮”效應(yīng)的公式,竟然與地面系得到的結(jié)果是一模一樣的。
如此說來,轉(zhuǎn)盤系測(cè)量到的轉(zhuǎn)盤周長將會(huì)比地面系測(cè)得的周長要長,這是一個(gè)任意參考系都認(rèn)同的結(jié)論,記住它。
上篇文章說過保羅·埃倫費(fèi)斯特在論文中提出了轉(zhuǎn)盤上的圓周率將會(huì)發(fā)生變化,而我們現(xiàn)在才有了周長的數(shù)據(jù),還差什么呢?沒錯(cuò),就是轉(zhuǎn)盤的直徑(或者半徑),此時(shí)讓我們?cè)賮砜纯崔D(zhuǎn)盤的直徑有什么變化。
我們發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤在旋轉(zhuǎn)時(shí),其直徑所在方向的速度為零,也就是說直徑不會(huì)受尺縮效應(yīng)影響,因此轉(zhuǎn)盤的直徑還是原來的數(shù)值。
這時(shí)我們發(fā)現(xiàn),如果當(dāng)周長變大,而直徑不變,那會(huì)出現(xiàn)什么樣的后果呢?沒錯(cuò),圓周率發(fā)生變化了,變的比我們所熟知的3.1415962.....大了,著意味著什么呢?
我們知道平常的圓周率數(shù)值,是歐氏幾何中,圓的周長與直徑的比值,而現(xiàn)在轉(zhuǎn)盤上的圓周率發(fā)生了變化,那么只能說明一點(diǎn),也是我們?cè)诒疚闹械玫阶钪匾囊粋€(gè)結(jié)論:當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)盤的空間幾何發(fā)生了變化,由原先的歐氏幾何變成了非歐幾何。
這個(gè)結(jié)論在我們看來,似乎沒什么值得驚訝的(那是因?yàn)槲覀円呀?jīng)知道了相對(duì)論中相類似的存在),但保羅·埃倫費(fèi)斯特當(dāng)時(shí)是1909年,距離愛因斯坦的廣義相對(duì)論問世還差五六年呢,所以當(dāng)他發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤上的圓周率變的和往常不一樣時(shí),就感到十分疑惑,他認(rèn)為要么是圓周率另有含義,要么就是狹義相對(duì)論出了漏洞。
值得注意的一點(diǎn),保羅·埃倫費(fèi)斯特當(dāng)時(shí)寫的這篇論文非常短?。▋擅婕埗眩娤聢D),估計(jì)他自己也沒什么大的想法,畢竟那時(shí)候他還在為了生計(jì)而奔波?;蛟S是“說者無意,聽者有心”吧,愛因斯坦在看過這篇論文后,也向保羅·埃倫費(fèi)斯特回了信,也產(chǎn)生了某些靈感。
為了簡單起見,咱們就從現(xiàn)在的角度去分析一下這個(gè)轉(zhuǎn)盤實(shí)驗(yàn)到底蘊(yùn)含了哪些含義。
我們知道轉(zhuǎn)盤是一個(gè)非慣性系,如果直接在這個(gè)非慣性系上做狹義相對(duì)論分析是不可行的(這句話僅針對(duì)早期的狹義相對(duì)論,因?yàn)榘凑宅F(xiàn)代觀點(diǎn)來看,是否為慣性系并不是區(qū)分狹義和廣義相對(duì)論的標(biāo)準(zhǔn))。
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(rèn)識(shí):雖然這些現(xiàn)象貌似從相對(duì)運(yùn)動(dòng)的角度出發(fā)會(huì)產(chǎn)生矛盾,但本質(zhì)上是沒有矛盾的,也就是說在轉(zhuǎn)盤系測(cè)量的周長一定比地面觀測(cè)者測(cè)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(huì)比另一個(gè)兄弟年輕一樣。
先前也說了,因?yàn)檗D(zhuǎn)盤直徑方向并無速度,因此發(fā)生的尺縮效應(yīng)只局限于切向速度方向,所以我們可以知道此時(shí)轉(zhuǎn)盤上的空間幾何發(fā)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(gè)數(shù)值了。這一點(diǎn)是大家所共認(rèn)的,也就是轉(zhuǎn)盤上的空間幾何是非歐的。
此時(shí)再讓我們注意到那個(gè)處于轉(zhuǎn)盤系上的生物,它會(huì)有什么身體感受呢?
就像當(dāng)年愛因斯坦做的那個(gè)電梯思想實(shí)驗(yàn),當(dāng)電梯自由落體時(shí),里面人不會(huì)感受到重力存在,也就是說,如果這個(gè)人忘記他在進(jìn)入電梯前的一切,那么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(gè)星球的表面。
用同樣的思考方式去考慮處于轉(zhuǎn)盤上的生物,對(duì)于它而言,轉(zhuǎn)盤上的一切相對(duì)于它都是靜止的,只有一股莫名的力在時(shí)刻拉著它。如果這個(gè)生物一輩子都生活在轉(zhuǎn)盤上,并不知道轉(zhuǎn)盤外還存在著更大的世界,那么按照我們的理解,這個(gè)生物就可以將這股莫名的力稱為引力。
那么這個(gè)引力和咱們現(xiàn)實(shí)世界中的引力是一回事嗎?
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