科普文章是用於宣傳科學技術知識的,在提高全民族的科技素質方面起重要作用。這類文章必須要把科學性、知識性和通俗性、趣味性很好地結合起來。科普文章如果錯誤地宣傳科技知識,甚至宣揚假科學、偽科學,則失去其存在價值,甚至造成負面影響。
最近讀到一些宣傳狹義相對論的科普文章,它們的內容是完全背離狹義相對論的理論實質的。例如,有些文章以「如何長命百歲」、「雙胞胎現象」等頗為吸引人的語言,宣稱人在以接近光速的速度作等速直線飛行的太空飛行器(這樣高速的太空飛行器目前還沒有)中壽命會延長,因而當他從空間旅行返回到地球時,他的在地球上的雙胞胎兄弟已是白髮蒼蒼的老頭,而他仍然是青年。所謂的「長命百歲」和「雙胞胎現象」是從狹義相對論的時間相對性原理中得出的錯誤結論。
在狹義相對論中,時間被認為是相對的;而經典理論認為時間是絕對的。狹義相對論認為,一個慣性參照系(相互作等速直線運動的時間空間坐標系)中的時間間隔,從另一個慣性參照系看是不一樣的。兩個慣性參照系的時間間隔相差k倍。一個慣性參照系用S表示,另一個用S1表示。如果S內發生一個事件,其持續時間為△t,那麼從S1看這事件的持續時間為k△t;或者說S的時間間隔轉換到S1的時間間隔需要乘一係數k。同樣地,相反的轉換也要乘一係數k。係數k〔1-(v/c)2〕-1/2。式中V為兩個慣性參照系的相對速度,C=2.99792乘108米/秒,是真空中的光速。可以看出,K隨V的增大而增大。當相對速度V達到真空中的光速C的0.999倍時,係數K=22.366。
本文開頭所說的某些科普作者宣揚的所謂「長生不老」和「雙胞胎現象」這種違反科學的說法,就是由於對狹義相對論的時間變換概念理解錯誤所致。在這些科普文章中,把地球看作是一個慣性參照系,把太空飛行器看作是另一個慣性參照系,這樣的看法是允許的。但是,這些作者根據太空飛行器上的時間轉換到地球上的時間要乘係數k的概念,就斷言太空飛行器上的時間走得慢,太空飛行器上的1年相當於地球上許多年(如果太空飛行器的速度達到0.999倍的真空中的光速,太空飛行器上的1年就相當於地球上的22.366年),從而得出「長生不死」和「雙胞胎現象」的聳人聽聞的結論,則是錯誤的。在做出這個錯誤論斷時這些作者忽略了或錯誤地理解了以下幾點:一、這裡的時間變換是從地球上的觀察者的角度說的,也就是說從地球上的觀察者來看,地球上的時間是太空飛行器上的時間的k倍;而不是說地球上的人看地球上的時間是太空飛行器的時間的K倍;二、根據狹義相對論理論,地球上的時間轉換到太空飛行器上的時間同樣要乘k倍,也就是說,從太空飛行器上的觀察者來看,太空飛行器上的時間同樣是地球上的時間的k倍;如果這種時間轉換得出的時間的不同代表人的衰老快慢的不同的話,那麼將得出地球上的觀察者看太空飛行器的人衰老慢,而太空飛行器上的觀察者看地球上的人衰老更慢的悖論;那麼當太空飛行器返回地球他們見面時究竟誰年青呢?三、狹義相對論的兩個基礎假定之一是各慣性參照系中的物理定理和描寫它們的公式相同,這意味地球上的時鐘對地球上的人而言的運走規律與太空飛行器上的時鐘對太空飛行器上的人而言的運走規律是相同的;如果太空飛行器上的人在太空飛行器上度過了一年,那麼地球上的人在地球也是度過了一年。根據對狹義相對論時間變換的正確理解,根本不會得出「長生不老」和「雙胞胎現象」的謬論。
由於真空中的光速非常高,在目前的科技水平下,人類能達到的運動速度比它低得多,故人們無法用自己的日常生活經驗來證明所謂的「長生不老」和「雙胞胎現象」這些說法的正確與否。但是,仔細想想,還是能判斷這些說法的正誤的。設想自己坐在飛機中,如果飛機在平穩地飛行,沒有噪聲和振動,那麼你如果不看窗外,你是感覺不到自己是在運動的;你相對於飛機而言,與在地面上的人相對於地球是一樣的。這種相對狀況,與飛機的速度無關;即使假設飛機的速度接近真空中的光速,這種相對狀況仍然不會變的。因此,根據這種簡單的想法,也能夠認識到「長生不老」和「雙胞胎現象」的說法是錯誤的。