求解答：关于相对论的一点困惑 - 我思我在


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发表于 2010-9-17 08:14 资料文集短消息只看该作者

求解答：关于相对论的一点困惑

最近看了美国超弦理论的研究者D.格林写的《宇宙的琴弦》一书及相对论的一些文章，产生了一些困惑，在这里请求对相对论比较了解的达人给予解惑。首先声明我的高等数学知识几乎为零，我以下用平实的语言叙述，希望也收到能看得懂的解释。
      爱因斯坦的狭义相对论有一个基本的理论：1.光速对于任何人而言都应该显得相同（光对于每个状态的观测者而言都是30万公里/s）。这意味着，没有东西可以运动得比光还快。当人们用能量对任何物体进行加速时，无论是粒子或者空间飞船，实际上要发生的事，它的质量增加，使得对它进一步加速更加困难。要把一个粒子加速到光速要消耗无限大能量，因而是不可能的。对于这一点，格林用了一个例子。当敌人向你投掷速度为10m/s的手榴弹，你以6m/s的速度逃跑，那么手榴弹相对你的速度就是4m/s；但是当敌人以激光向你进攻时（30万公里/s），你以10万公里/s的速度逃跑（同一方向），那么激光对于你的速度还是30万公里/s，而不是30-10=20万公里/s。开始我对此不太理解，格林也没有解释。后来结合“速度越快的运动者时间就越慢，当它达到光速时时间就静止了（钟慢原理）”，我是这样解释的：B在地球上，忽略地球的运动，此时A在离地球30万公里处以15万公里驶离地球，那么他的时间就慢一半（实际慢一半需要更快的速度，我们为计算及说明方便），假设此时他们的表都是0分0秒，B开始发射他手表0分0秒的图像给A。很显然在距离地球60万公里处此图像追上A，此时B的表是0分2秒，由于A的表慢一半，在离地球60万公里处他的表显示的是0分1秒。因此，无论A以什么速度运动，初始离他30万公里远的光总能在1秒时到达他，即光速对于任何观测者都是30万公里/s。
      下面我再说说一个问题，结合在一起我将提出我的疑惑。根据“钟慢原理”及“相对性原理”，我们回到上面的那个例子，A以15万公里/s的速度驶离地球进行太空漫游，在地球的B看来A的一切都慢一半，包括衰老；当然在A看来，B相对于他也是以15万公里/s的速度运动，B的一切也慢一半，那么究竟是谁慢呢？20年后A回到地球是什么情况呢（A离开时他们都是20岁）？结论是实际A比B年轻（爱因斯坦也这么说），为什么这样？解释是火箭要回到地球必须经历加减速，正是这个加减速造成了A比B年轻。有篇文章提出一个解释：为使问题简化，只讨论这种情形，火箭经过极短时间加速到亚光速，飞行一段时间后，用极短时间掉头，又飞行一段时间，用极短时间减速与地球相遇。这样处理的目的是略去加速和减速造成的影响。在地球参考系中很好讨论，火箭始终是动钟，重逢时A比B年轻。在火箭参考系内，地球在匀速过程中是动钟，时间进程比火箭内慢，但最关键的地方是火箭掉头的过程。在掉头过程中，地球由火箭后方很远的地方经过极短的时间划过半个圆周，到达火箭的前方很远的地方。这是一个"超光速"过程。只是这种超光速与相对论并不矛盾，这种"超光速"并不能传递任何信息，不是真正意义上的超光速。如果没有这个掉头过程，火箭与地球就不能相遇，由于不同的参考系没有统一的时间，因此无法比较他们的年龄，只有在他们相遇时才可以比较。火箭掉头后，A不能直接接受B的信息，因为信息传递需要时间。A看到的实际过程是在掉头过程中，地球的时间进度猛地加快了。在A看来，B先是比B年轻，接着在掉头时迅速衰老，返航时，B又比自己衰老的快了。重逢时，自己仍比B年轻。也就是说，相对论不存在逻辑上的矛盾。
      这里我提出疑问，至少这种解释不太全面，首先如果火箭不是掉头而是沿半径为N光年的圆20年后回到地球，就不存在“超光速”过程了。当然也可以说如果火箭沿圆周运动就一直处于变速状态，不能这么说。但是根据广义相对论，不但相对匀速运动是等效的，就是加速运动也是等效的。我认为20年后回来A和B还都是40岁。而且不存在时间随着速度变慢这一回事，我的解释如下：
      地球时间2000年1月1日A从地球出发，我们在大视野设立一个观测者，观测着的时间是绝对的（有人会说你的假设就是错误的，请耐心看完），在出发时用东西分别在A和B面前遮挡，让他们不能互看。观测者时间2001年1月1日时撤去遮挡（此时在观测者看来A和B的表也都是2001年1月1日，此时B21岁的图像开始向A传达，很显然到达A时绝对时间是2002年1月1日。在A看来他在2002年1月1日看到2001年1月1日B的情况，在A看来B的一切慢了一半，同理B看A也是如此。其实只是看来如此，是因为光信息传达的延迟，在观测者看来A和B的时间都是均匀流逝的。如果A以光速前进，那么B2001年1月1日的影像永远到达不了A，在A看来B和地球时间都静止了，同理在B看来A也时间静止了。如果A的速度超过光速，那么在A前进的路上他将看到B和地球1999年1998年的情景，时光倒流了。其实我认为时间是均匀流逝的，只是信息的传达延迟使我们感觉时间慢了停了倒流了。总结一下我的解释：在A远离地球时他看B和地球是慢动作（因为信息的延迟），在A往回行驶时他看到B和地球是快动作（信息的加速铺面而来），回到地球时他们都是40岁。这和他运动方向有关而和加速度关系不大。
      另根据相对论，一个物体的速度不可能加速到光速，那需要无限的能量（那时物体质量无限大），我不知道数学是如何表达的，根据质能方程1千克的物体在光速时具有1*300000*300000的能量而不是无限。我是个数学盲，希望达人给我解解困惑。我看的关于相对论的文章都是汉字的翻译的，是不是翻译者误解了相对论或表达错误？我不得而解。

[ 本帖最后由 shicanhui 于 2010-9-17 14:57 编辑 ]

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#2

发表于 2010-9-17 09:00 资料文集短消息只看该作者

我又胡思乱想了半天，想出一个很好的表达方式，大家看看对不对。
在D 格林的书中及很多关于相对论的科普读物中，都谈到A看B慢了同时B看A慢了，那么究竟谁慢了呢？结果都避开去谈别的了，或者没避开只是我没看懂后面的东西而已。而我的结论是都没慢，大家是一样的，还是那句话：信息的互相延迟
那么该怎么表达呢。“1.对于观测者而言的运动者，运动者相对于观测者的速度和观测者所接受的运动者的信息是相关的，速度越快，信息延迟的越厉害，造成观测者判断运动者时间变慢了。2.光速对于运动者所接受的信息时间差来说，它与运动者的空间距离和运动者所接受的信息时间差之比是确定的，就是30万公里每秒”不知道我这么说对不对。那么格林的那个例子就表达的不合适，如果你离光源30万公里，而你相对于光源的速度是15万公里每秒，那么事件开始发射光从绝对时间上看肯定2秒追上你，可是此光如果携带时间信息，那么从你得到的信息再结合自己的表判断，光追上你只用了一秒。所以无论你在原地不动还是快速离开，你得到的都是光一秒追上你的结论。

[ 本帖最后由 shicanhui 于 2010-9-17 15:38 编辑 ]

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#3

发表于 2010-9-17 12:36 资料短消息只看该作者

没什么好说的，你数学不行的话肯定理解不了相对论的，因为你提的问题我都能给你推公式推出来，很简单的。或许有些人可以让你感觉比较“深入浅出”，可以让你感觉你“理解”了，但那只是一种近似于迷信的幻觉而已（同样“深入浅出”的那批人，让人迷信世界是方的，上面有天堂，下面有地域了几千年）。

如果你真想理解这个学科，建议你把多变量微积分和线性代数至少学懂，想理解广义相对论的话还要多学个微分几何。如果你只是想看着消遣，很多问题也不必想的太多，Brian Greene 是一个很好的物理学家，他说什么你信就是了。

[ 本帖最后由颖颖于 2010-9-17 12:39 编辑 ]

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#4

发表于 2010-9-17 13:57 资料个人空间短消息只看该作者

公主，假设一个人能活一百岁，他在0.99c的光子飞船上进行星际旅行，那从他出生到死亡，他能经过多少路程？

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#5

发表于 2010-9-17 14:38 资料个人空间短消息只看该作者

楼主，简而言之，你去百度（或者谷歌、维基，如果可以的话）一下“双生子佯谬”，基本是就是你的疑问。

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#6

发表于 2010-9-17 14:47 资料文集短消息只看该作者

我不是想理解相对论，因为我看不懂的东西太多了，可能有些东西用语言不能表达，只能存在于数学方程中。说实话即使我很精通高等数学，我能看明白用数学方程证明的过程，那也仅仅是从数学中证明了。其实我感觉每年用数学研究出来的课题很多，即使是他们的证明者都不一定明白结果的意义。当然爱因斯坦是明白他的相对论的。我写此贴只是我想知道我的假设哪儿错误了，我想除了数学方程外应该能用语言解答出我的错误。
很多用数学方程严密的推出来的东西后来证明是错误的，可能方程本身的错误，也可能是带入的变量错误，等等原因，所以那些方程我看得懂看不懂不重要。即使看得懂也不过用它来证明一些我不知道有什么意义的东西而已。
另如果有人真的能用语言证明世界是方的，天上有天堂那么大家包括你我都会相信的。可惜没有这样的人，至少没有能说服我的，我可以指出他理论中的很多矛盾至少是不确定性。如果有人发明一个数学分支能证明世界是方的那么你信么？我不懂数学我肯定不信。

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#7

发表于 2010-9-17 14:51 资料文集短消息只看该作者

回复 #5 dimeterio 的帖子

你可能不理解我的意思，双生子佯谬不是我的困惑。因为我的结论是“时间是均匀流逝的，不随着运动速度而改变，造成大家感觉谁谁慢了是因为信息传达的延迟”所以不存在双生子佯谬，我的帖子里也有详细的说明，出去的人回来时大家还是一样的年龄。但是这和相对论是矛盾的。我只想知道我的推导错在哪儿。

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#8

发表于 2010-9-17 16:10 资料短消息只看该作者

回复 #6 shicanhui 的帖子

告诉你“明白结果的意义”是最没有用的东西，多少科学家（包括爱因斯坦在内！）以为自己明白结果的意义，结果后来的实验发现越来越不是那么回事。所以，说什么都是虚的，只有你明白数学上的意义，那才是实的。

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#9

发表于 2010-9-17 16:20 资料文集短消息只看该作者

回复 #8 颖颖的帖子

首先我不是想多明白相对论，其次我只是在回答中提到了结果不结果，那不是我讨论的内容。我只是想问（看我的原帖和一楼）我的推论及结论有没有错，错在哪儿

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#10

发表于 2010-9-17 19:02 资料个人空间短消息只看该作者

楼主你设想的绝对参照系其实就是传说中以太。建议你了解下迈克耳孙-莫雷实验和洛伦兹变化就能明白了。
至于最后一个问题，1千克物体在光速是质量不是1千克是无穷大。

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#11

发表于 2010-9-17 20:25 资料文集短消息只看该作者

回复 #10 碳纤维拖拉机的帖子

莫雷实验和洛伦兹变化我看了，没能解决我的疑惑（可能我没有把它与我的疑惑联系起来的能力）
至于后一个问题，1KG物体（0.001KG一样）在光速时是质量是无穷大我看到过这个结论。不过我不知道是因为说物体达到光速后能量是无限大从而得到质量无限大还是通过别的方程直接推出质量无限大。不过这个问题不是我的主要疑惑
还是第一个问题，假设我的所有前提和推论过程都是谬误的，那么我只想问结果
A星际旅行20年回来后两个人的手表是不是还一致？他们的身体衰老过程是不是还一样？我认为是一致的和一样的。

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#12

发表于 2010-9-17 21:29 资料个人空间短消息只看该作者

QUOTE:

原帖由 shicanhui 于 2010-9-17 20:25 发表
莫雷实验和洛伦兹变化我看了，没能解决我的疑惑（可能我没有把它与我的疑惑联系起来的能力）
至于后一个问题，1KG物体（0.001KG一样）在光速时是质量是无穷大我看到过这个结论。不过我不知道是因为说物体达到光 ...

手表当然不一致，人造卫星里原子钟就要根据钟慢效应隔段时间内调整一次来保持和地面同步。
计算相对质量的公式网上一搜就能出来，非常简单的公式，四则运算加开根号就够用了。

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#13

发表于 2010-9-18 07:42 资料文集短消息只看该作者

回复 #12 碳纤维拖拉机的帖子

我之前只看了少量的资料所以产生了困惑，现在我多看了几个资料并想了想我觉得问题是这样的
首先我说假设A以15万公里每秒驶离地球，那么他时间变慢一半（实际根据数学方程需要25万公里以上具体忘了时间才能变慢一半,为了计算方便假设15万）。其实就是这个假设有问题。
高速运动的物体时间的膨胀（即变慢）是客观存在的，而信息（光）的延迟性也是客观情况。当我假设根据相对论物体以15万公里每秒运动他的时间慢一半那么恰好“时间客观变慢”与“假设时间不变只是信息延迟”同步，造成了我的疑惑。其实两则是并存的。虽然数学表达看不懂。
以上是为了将时间膨胀和光速不变相结合我想的可能。在接着的对相关资料的阅读，我发现几个问题。
一.对于爱因斯坦的相对论的原意。很多文章写“爱因斯坦认为：……”“相对论的重要思想是：……”这些有多少和爱因斯坦的原意一样？就是爱因斯坦的原意表述是否一定准确？现在众说纷纭。但有几点是公认的：1.光在不同的介质中速度是不同的，在某些介质中比在太空中（不是真空）慢的多 2.光的速度确实和光源的运动状态无关。别的都还没有让人信服的定论。
二.证明相对论的实验和数学方程很多，如莫雷实验和洛伦兹变化等，很可惜都有相反的证明，而且我觉得比正证明更可信。为什么说我觉得？因为任何实验我都没见
三.我来谈谈数学方程问题。在我们的日常生活中，前人总结的一些数学能很好的解决我们的问题，我没没感觉任何不对之处。所以我们像信真理一样相信他们。但在解决前沿科学及超出人们想象之外的事情所用的数学就很值得商榷。我们观察到某一现象P，于是我们假设A，经过我们用我们认为绝不可能错的定理X去推，果然结果和事件P一致，所以我们断定假设A正确。其实可以考虑，假设B并带入一些别的东西用定理X能否推得事件P?假设B用另一个（可能还没发现的）定理Y去推能否也得到事件P？我们迷信数学方程也是一种迷信.
在我打这篇文章的时候，我老婆正撅着屁股打开单位分的苹果箱看质量。在她看来这比宇宙的起源更重要，这是一种正确的态度。

[ 本帖最后由 shicanhui 于 2010-9-18 19:07 编辑 ]

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#14

发表于 2010-9-18 17:49 资料个人空间短消息只看该作者

QUOTE:

原帖由颖颖于 2010-9-17 12:36 发表
没什么好说的，你数学不行的话肯定理解不了相对论的，因为你提的问题我都能给你推公式推出来，很简单的。或许有些人可以让你感觉比较“深入浅出”，可以让你感觉你“理解”了，但那只是一种近似于迷信的幻觉而已 ...

据说爱因斯坦开始的时候数学不怎么行，他是先有相对论，而后通过数学进行完善的。
有些经济学理论也是现有文字理论，后用数学公式跟进的。
那么跟你所说的矛盾之处如何解释。

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#15

发表于 2010-9-19 02:50 资料短消息只看该作者

回复 #14 游戏爱好者的帖子

狭义相对论所需要的数学，不超出今天的大一水平，爱因斯坦这点本事还是有的。广义相对论发表于狭义之后十年，这期间爱因斯坦的确恶补了一阵子数学，因为没有黎曼几何也不会有广义相对论。

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#16

发表于 2010-9-19 04:40 资料文集短消息只看该作者

QUOTE:

原帖由颖颖于 2010-9-19 02:50 发表
狭义相对论所需要的数学，不超出今天的大一水平

什么系的大一水平？

很多系大一都有数学课，学的侧重点都不一样

business/bioinformation/engineering/computer science/mathematical science 等等，学的数学都不一样

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#17

发表于 2010-9-19 09:39 资料文集短消息只看该作者

原有的经典物理，认为时间是一把尺子，时间是均匀流动不变的这条公理推导出来的。
相对论物理，认为光速是一把尺子，光的速度在匀速或加速参考系中不变这条公里中推导出来的。

这就是区别。

为什么说“明白结果的意义”是最没有用的东西？

因为我们无法想象根我们的现实生活一点也没有关系的东西，我们无法想象我们无法想象的东西，

尽管它未必不存在。

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#18

发表于 2010-9-19 11:38 资料短消息只看该作者

回复 #16 tonyget 的帖子

微积分（学到泰勒展开）+线性代数

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#19

发表于 2010-9-24 08:46 资料文集短消息只看该作者

之前在对双生子佯谬迷惑时看了霍金的《时间简史》中这方面的说法，谁知道就一句话“没这事，不存在相悖“。现在我对这句话感觉理解一点了。
说实话，迄今为止我在网上没看到谁的解释很准确原因可能有两点：1.水平不到 2.去解释一个不存在的事情不可能解释好
我看了爱因斯坦的狭义相对论有两个内容（地球人都知道）：1.任何光线在惯性坐标系中都是以确定的速度c运动着，不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。2.物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是用两个在互相匀速移动着的坐标系中的哪一个并无关系。根据原理1，我们知道：如果有人拿砖块砸你，砖块速度8米/秒，你以速度6米/秒抛开，显然砖块相对你的速度是2米/秒。如果有人拿激光烧你，你以20万公里/的速度逃离，激光还是相对你的速度为30万公里/秒，而不是30-20=10万。我们还知道：假如造了两个光子钟，光子在距离15厘米的两个镜面间来回运动计时。很显然1秒钟光子来回10亿趟。现在一个钟高速向前走，很显然，在我们看来光子运动轨迹不再直上直下了，而是斜上斜下了。自然在我们“静止”者看来光速30万公里/秒不变光子在我们一秒时间内就不能上下10亿次了。而对于随钟运动的观察者为了光速不变，每秒还得10亿次上下（相对性原理），那么他的时间必须变慢了（相对于我们）。相对我们变慢了多少？见公式。
原理2说的是在两个惯性坐标系中作同样的事情（实验）现象一样，结果一样，物理定律都一样，但不是两个惯性坐标系啥都一样。无论从哪个原理看，我都没看出高速运动的物体时间要比相对静止的慢，换个人就一定生理周期减慢，爱因斯坦说了是相对的慢，你拐回头比啥也比不出来。有人拿什么高速运转的什么粒子比静止的寿命延长了来证明什么。关键是相对静止的粒子（和静止的你）延长了，你如果和管道里的粒子一起跑你就不这么认为了，你会认为管道外的粒子寿命长。
至此我感觉爱因斯坦一直在说相对，如果硬要问实际谁年轻，爱因斯坦他老人家可没说，用爱因斯坦的阐述或者公式得到的都是一个坐标系相对于另个一坐标系怎样怎样，可得不出实际怎样怎样。

[ 本帖最后由 shicanhui 于 2010-9-29 10:51 编辑 ]

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#20

发表于 2010-9-27 11:19 资料短消息只看该作者

越接近光速的就越是高速吧。
如果经过地球上的20年，实际上飞船上的时间还远未达到20年。

[ 本帖最后由蒋无痕于 2010-9-27 11:20 编辑 ]

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#21

发表于 2010-9-27 14:07 资料短消息只看该作者

回复 #19 shicanhui 的帖子

> 不过要能使你的困惑稍解，那就是成功了。

解就是解，不解就是不解，什么叫稍解？平时最恨的就是这种态度。

[ 本帖最后由颖颖于 2010-9-27 14:08 编辑 ]

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#22

发表于 2010-9-27 15:43 资料文集短消息只看该作者

由于没有专业人士给我们解释清楚，我们这些业余人士只有互相研究，明白一点是一点。你也可以说就你们这水平不可能明白的。但我相信这个只要真正懂的人会解释，中学生都应该能明白。

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#23

发表于 2010-9-27 20:17 资料个人空间短消息只看该作者

回复 #22 shicanhui 的帖子

楼主真奇怪，我说双生子佯谬你非说不是，最后你却拿双生子佯谬来自我解嘲……

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#24

发表于 2010-9-28 08:50 资料文集短消息只看该作者

回复 #23 dimeterio 的帖子

一开始我的困惑并不在双生子佯谬，后来发现双生子佯谬更具代表意义，不过网上的解释我没一个满意的，我才自己思考。我希望的是谈论解析而不是这是个什么问题。

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#25

发表于 2010-9-29 23:48 资料主页个人空间短消息只看该作者

看完贴子，我傻了……

一个人说锅子坏了，
一群人来了，
用泥巴糊上就好。
可是不能炒菜，会漏……
那就……

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	harp

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#26

发表于 2010-10-7 06:52 资料短消息只看该作者

记得双生子佯谬里，是有绝对加速过程的那位年轻吧。就是坐火箭掉头往回走的那位。只考虑狭义相对论，二者对于加速过程是不对称的。

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#27

发表于 2011-5-22 19:54 资料短消息只看该作者

这么说，你们或许接受不了。
任何一个人，让他学点基本学科，懂得一点运算，然后
就可以开始他的剧本人生了。一些观念，得让人提出了，
那个人给他取的名就叫爱因斯坦。
不屑于了解你们的相对论是什么，
我这里也有个相对论，是关于时空概念的。
两个世界的相对时间和空间，可以演绎一条条历史发展
曲线，而这些曲线是大同小异的，他出生时处于某条曲线的某
个点上，经历很短的一个轨迹，他就消失了。
期间，他提出了一些学说，为学术界做了一些贡献。
在之后的另一条曲线上的，又一个叫爱因斯坦的人会和他做
相同的事，提出相同的理论，这个理论对你们很重要，
被你们称为神圣的相对论。
这条曲线就是地球围绕太阳公转1000圈地球发展的历程，
如果你想印证它，你就老实的听精神病患者说他们的话，
乖乖的闭上自己的臭嘴。
没有宣扬什么宗教，更没有人会弄什么邪说，更没有人
想让你们承认一些不该让你们有的观念，因为不管什么爱因斯坦，
还是你们的肮脏政府，对这个世界的影响都是微乎其微的。
你想你自己的国家多一些天灾，你会如愿，而且那也不很费事。

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