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时间:2018-07-22
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1、牛顿时空观和爱因斯坦时空观的比较07电联谢杨鑫序号:3从初中到现在已经学了六年的物理了,最令我感兴趣的就是号称世界上最难懂的相对论了,因为它跟我对现实生活中现象的认识完全不同,学起来特别有劲。在牛顿时空观里,有两个绝对的概念—时间的间隔和尺的长度。一个人看到自己的手表走过一分钟,往往以为世界上所有的钟和表也都同样地走过一分钟,而不管是在哪一种运动状态的钟。这就是时间间隔的绝对性。类似地,一把直尺的长度,如果从某一个参考系测量它是一尺。那么,从任何参考系来测量它,它仍旧是一尺。这就是尺寸的绝对性。时间间隔和尺长这两种绝对性,在牛顿时空观里是两个重要的角色,但在相对论中却都变成相对的了。运
2、动钟的变慢 前面已经说过,凡是能测量时间的工具,都是一种“钟”。利用光速不变性,我们也可以设计一种雷达钟,它包括一部雷达和一块反射扳,板与雷达天线之间的距离是d。雷达发出的信号,受到板的反射后,可以再被雷达接收到。一个来回的距离是2d,如果信号速度是C,那么一个来回所用掉的时间就是T=2d/c。怎样用雷达钟来测量时间呢?如果一个过程从开始到结束,雷达信号来回走了五次,这个过程所需的时间就是5T。如果信号走了三个来回,所需时间就是3T。这就是说,以信号来回一次作为度量时间间隔的单位。有甲、乙两个人,他们各自有一个雷达钟。在甲乙两人相对静止时,校准两个钟,使它们走得同样快慢。然后,让甲乙
3、两人作相对运动。甲和甲钟向左,乙和乙钟向右。甲、乙各自会看到什么现象呢? 先来谈谈甲。站在甲的立场上,甲是静止的,甲钟相对于他也是静止的。他看到自己的钟仍与以前一样。没有变化。这时,甲看到乙和乙钟正向右运动。在乙钟的发射-反射-接受的过程中,天线和反射板都不断地在运动,信号走的是斜线。因此,在甲看来,乙钟信号一个来回走的距离大于Zd。可是,由于光速不变,无论甲钟或乙钟二者信号速度都是C。所以,甲看到的现象是:当甲钟走过一个单位时间时,乙钟还没有来得及走完一个来回。甲的结论是:乙钟比我的钟慢了。 相反,如果站在乙的立场,一切又都反过来了。乙认为自己是静止的,而甲钟向左边。乙钟信号
4、一个来回走的距离是2d,而甲钟信号走的是斜线,一个来回走的距离大于2d。因此,乙的结论是:甲钟比我的钟慢了。 甲和乙到底谁对呢?都对。他们的结论表面上相反其实并不矛盾。是一致的。这个结论就是:运动的钟要变慢。在甲看来乙在运动,在乙看来甲在运动。所以。他们都是看到对方的钟变慢了。 总之,在甲看来,当乙运动时,不仅乙的雷达钟,而且有关乙的一切能描述时间流逝的过程,比如生物的新陈代谢,放射性元素的衰变以及动物的寿命等等.都完全一致地变慢了。时间的流逝不是绝对的,运动将改变时间的进程。 μ子的寿命寿命也是一种”钟”。我们平常说一代人的时间,就是在用寿命来度量时间。所以,寿命也不是绝对的
5、。同一东西的寿命,在不同参考系看来,应是不同的。事情的确如此。 有一种粒子,叫做严子。它是不稳定的,而且寿命很短,从产生到衰变,只有大约百万分之二秒(2x10^-6秒)。这样,即使井子以光速运动,也只能走过2x10^-6xc≈600米的里离。可是。宇宙线的观测证明。在高空中产生的严子也能达到地面。它们走的距离远远大于600米,这是为什么?利用运动钟变慢的道理,不难解开这个谜。 因为,在高速运动中,寿命一钟”象其它的钟一样,也要延缓。因此,高速运动的μ子寿命远比2x1O^-6秒要长,它的飞行距离可以远远超过600米。双生子佯谬人,同μ子一样,寿命也是有限的。最多算是100年吧!如果不
6、考虑运动钟的变慢,就是乘光速火箭,人生旅程的界限也不超过100光年,永远到不了遥远的恒星或其它星系。但实际上,地面上的人将看到光速火箭中乘客的寿命大大延长了,从而他们的旅程可以大大超过100光年。相反,火箭上的乘客也看到地球以高速远离火箭而去。因之,在他看来,地球上的人寿命也长了。当地球与火箭的距离超过100光年时,地球上的弟兄们还活着。 这里碰到一个难题。 我们设想甲、乙是一对孪生弟旯。他们计划做一次高速飞船旅行,来检验一下狭义相对论。甲留在发射基地,乙周游天外。当飞船再度回到基地时,是甲比乙年轻,还是乙比甲年轻?这里有两种答案:(1),甲看乙船上的钟变慢了,所以,甲说乙年轻些;
7、(2),乙看基地上的钟变慢了,所以,乙说甲应该比他更年轻一些。在这个两难的境地。运动钟变慢的结论,到底应当怎么办?这是个有名的疑难,叫做“双生子佯谬”。 问题的关键是乙要回到出发点。倘使乙的飞船仅仅作匀速直线运动,是办不到这一点的。乙的飞行路线必然是有来有去,或者是转一个圈子。因此,在甲看来,乙是在做有速度变化的运动,当然。在乙看来,甲相对于他也在做变速运动。 按照运动钟变慢的理论,甲看乙钟变慢,乙看甲钟变慢这种对称性,只有当甲和乙的相对运
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