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September 28, 2010

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潜水艇悖论

作者: physixfan

在爱因斯坦的狭义相对论提出之后,人们就从它出发提出了各式各样奇妙的悖论,比如著名的孪生子悖论、堵火车悖论等,仔细分析这些悖论到底是怎么被消除的,将十分有利于加强我们对相对论的理解。目前我见过的最难想的悖论,莫过于这个“潜水艇悖论”了。

首先假设一艘完全浸没在海中的潜水艇,在相对海水静止时能不升不降地正好保持平衡,然后再假设它在与海面平行的方向上以接近光速行进。基于物体长度会在运动方向上收缩的相对论效应,在海面上固定船只上相对海水静止的观察者看来,潜水艇本身会收缩,密度会变大,并最终下沉。但潜水艇上的船员们看到的却是飞速向后的海水在收缩,密度在变大,他们会得出结论认为,由于海水密度变大后产生更大浮力,潜艇将漂浮而上。按照相对论,两种看法似乎都没有错,潜艇到底是沉或浮的悖论由此而生。

这个悖论是近代物理课上老师给我们介绍的,但是老师对它的解释非常含糊其辞..我怀疑他自己也没弄明白..他的课件上是这样讲的:

巴西圣保罗州立大学的科学家马察斯于2003年宣布彻底破解了这个悖论。他在美国《物理评论D》杂志上发表的研究结论认为,那艘潜水艇最终将沉入水底。
马察斯指出,“潜水艇悖论”之所以让人迷惑,是因为提出这个悖论时没有考虑海水重力场对潜艇的作用。在不同参考系下,相对海水静止的观察者和潜艇船员所处的重力场并不相同。他通过严密的数学推理发现,从潜艇船员的角度来看,潜艇以接近光速运动过程中受到的有效重力,实际上比潜艇相对海水静止时要大。这一重力将超过由于海水密度变大而产生的浮力,最终导致潜艇下沉。“潜水艇悖论”从一个侧面展示了相对论的神奇。正如马察斯在论文中指出的,虽然爱因斯坦相对论提出已近100年,但到目前为止,它“居然仍有本事给我们制造惊奇”。

巴西圣保罗州立大学的科学家马察斯于2003年宣布彻底破解了这个悖论。他在美国《物理评论D》杂志上发表的研究结论认为,那艘潜水艇最终将沉入水底。马察斯指出,“潜水艇悖论”之所以让人迷惑,是因为提出这个悖论时没有考虑海水重力场对潜艇的作用。在不同参考系下,相对海水静止的观察者和潜艇船员所处的重力场并不相同。他通过严密的数学推理发现,从潜艇船员的角度来看,潜艇以接近光速运动过程中受到的有效重力,实际上比潜艇相对海水静止时要大。这一重力将超过由于海水密度变大而产生的浮力,最终导致潜艇下沉。“潜水艇悖论”从一个侧面展示了相对论的神奇。正如马察斯在论文中指出的,虽然爱因斯坦相对论提出已近100年,但到目前为止,它“居然仍有本事给我们制造惊奇”。

然后我又找到了那个科学家发表的论文,George E. A. Matsas,PHYSICAL REVIEW D 68, 027701 (2003)在这里可以花钱下载..http://prd.aps.org/abstract/PRD/v68/i2/e027701。估计我即使花钱下下来了也看不懂..各位网友有没有谁能给出更详细一点的定性解释啊?