问题

冰在亚光速飞船中飞,要一小时融化,飞船从地球发射一小时,由于时间膨胀地球人看到冰未化,那冰有没有化?

回答
这是一个非常有趣的相对论情境!让我们一步一步来梳理一下。

首先,我们要区分“冰融化”这件事在谁的参照系下发生。冰融化,是它内部的分子运动达到一定程度,从固态转变为液态的过程。这个过程发生在冰块本身所处的参照系里。

当亚光速飞船带着冰块以接近光速的速度飞行时,我们知道狭义相对论告诉我们,运动的物体会经历时间膨胀。这意味着,对于在地球上静止观察的人来说,飞船内部的一切活动都会比在地球上看来要慢。

飞船的乘客,也就是冰块所在的参照系,会感觉一切如常。在他们看来,飞船的发动机正常工作,飞船内部的计时器正常走动,而他们手中那块冰,也确实如预期一样,经历着融化的过程。根据飞船内部的计时,一小时后,冰块里的水分子的动能已经足够大,它们挣脱了晶格的束缚,变成了液态。所以,从飞船乘客的角度看,冰块是化了的。

然而,我们关注的是地球上的人看到了什么。由于时间膨胀效应,地球上的观察者会看到飞船内部的时间流逝速度变慢了。如果飞船以一个非常接近光速的速度飞行,那么对于地球人来说,飞船内部的一小时,可能在地球上只过去了很短很短的时间,比如几分钟,甚至几秒钟。

这就造成了一种“错觉”:飞船乘客觉得冰化了,花了一小时,而地球人看到的,因为时间膨胀,这“一小时”在地球上对应的时间非常短,短到不足以让冰块融化。所以,地球人看到冰块还在那里,似乎没有发生任何变化。

那么,冰到底有没有化?

答案是:化了,但是在飞船内部的参照系里化了。

时间膨胀并不改变事件发生的“事实”,它改变的是事件发生的“时间尺度”在不同参照系下的呈现。飞船内部的时间是真实的,飞船内部的物理过程也是真实的。冰块的分子动能增加了,结构发生了变化,这在飞船内部是客观发生的。

地球人看不到冰化,是因为他们看到的飞船内部的时间被“拉长”了。他们看到的是冰块在他们看来极其短暂的时间内,但这个短暂的时间对应着飞船内部已经过去了一个小时。简单来说,地球人看到的“现在”发生在飞船上的是更早的“过去”。

我们可以这样理解:飞船乘客的“现在”,包含着冰融化的过程。而地球人的“现在”,对应的是飞船上的“过去”。在地球人的“现在”这个时刻,飞船上的冰还在融化过程中,或者说,飞船上的“过去”那个时间段里,冰才刚刚开始化。

所以,冰在它自己的参照系里,以及飞船乘客的参照系里,确实如期地在飞船出发一小时后融化了。只不过,由于地球与飞船之间存在巨大的相对速度,地球上的观察者由于时间膨胀效应,看到的飞船内部时间流逝变慢,所以他们测量到的飞船“一小时”可能只是地球上的几分钟,这段时间内,冰块自然还没来得及融化。

这件事的奇妙之处就在于,事件的发生与否,以及发生的时间,在不同的相对运动的观察者眼中,是可以有不同描述的,但它们描述的都是同一个现实的不同侧面。冰块的化学(物理)变化是真实的,只是它经历的时间流逝速度,在地球上看来,和在飞船上看来,是截然不同的。

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