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【心路6】老虎打盹的故事——狭义相对论中的“校钟”

已有 2492 次阅读 2017-10-8 01:23 |个人分类:心路|系统分类:科研笔记

对称。复制。不变性。
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       刚才忽然意识到,“对称”可能只是“复制”的结果。一般而言,不变性是对称的结果。换句话说,不大引人注意的“复制”,是比对称“更深的因”。比如,当连接两点画出一条线段,只不过是不间断地“复制”更微小的线段——不但要复制自身,而且要复制“复制的方式”。这样最终得到的结果,就表现为“对称”。再比如,给定一个参照点,以及参照长度,可以画出一个圆。而画圆可以看作不断地复制特定的小弧段,并且要这样摆放,使得小弧段上各点到参照点的距离不变(复制“复制的方式”)。由于“点是没有部分的”,它似乎无法通过自我复制来得到线——这是一个谜。“点”本身应该看作是全方位对称的。不论如何,对称、复制、不变性都可看作同义语。“连线”也可以吸收到“复制”中。这样,“高观点”目前的构成是:无冗余,对称-复制-不变性-连线,铰接。由此观点可以预判:“光速不变性”联系着某种对称。由于“复制”之于“对称”是更深的因,则可预判“光速不变性”联系着某种复制。现在知道,光无非是某种(或几种)频率的电磁波,其传播方式的确蕴含着一种连环式的电场-磁场激发模式——随着光的传播不断地自我复制。。。
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       昨天设想“直接”观测“光速不变性”。确实,狭义相对论只是以它作为假设,结合“时空度量的检讨”(吴大猷的说法),倒逼出一套理论,而其预言的若干效应也得到了验证(或者解释了已知的现象)。但是,还是希望看到“光速不变”的直接的、确凿的证据——不排除已经有只是我尚不知晓。狭义相对论提出之前,已经有了三个实验,一般的教科书都先讲它们(如吴大猷的书),但我感到先行推导洛伦兹变换是个更舒适的入口。这不,一不小心还弄出个“副洛伦兹变换”,不知道以前有没有人“推导”出它,想着应该会找到用处。。。到现在,我还没有仔细考察“时间”方面的事情。今天就试着了解一下。

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       我拿来一张空白的A4纸,将它对折使得纸的两个短边重合,然后再对折一次。如此,这张纸上出现4个暗栏。这样做了以后,我在第一栏用红色的笔画出两个点,分别标上“A”和“B”。这两个点彼此相距约3厘米。现在,我用同一支笔,以手工方式画一条线段,把A、B两点连接起来。做这些事情之前,我已拿出那本《相对论》(吴大猷,1983.6,第一版第一次印刷,科学出版社)翻到第19页阅读过,然后又读了第20页的第二段——讲“校钟”的事情。为此,设想A、B两处各放置一只钟,它们本身走时准确,但“读数”并不相同。作者强调A、B“二点对观测者均静止的”,并且建议为了让两只钟的读数同步,“最简单的是”:在A钟的读数为tA时,从A点向B点发射一光信号,到达B点时,B钟的读数为tB,再经一镜反射回到A点,此时A钟的读数是t'A。若要校对B钟,只须令tB=(tA+t'A)/2。这样,“A,B二钟,即谓为已校对好了(较成同步了)(Synchronized)”。
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       不留神的话,可能看不出上面“校钟”的问题所在:tA和t'A这两个读数都在A点,如何校对B点的钟呢?几天前阅读的时候,感到这个地方不是那么直观。刚才,我一边看着书上讲的,一边在A点下方标上“tA”,顶着它在下方又写上“发射”,然后在B点下方标上“tB”,下方又写上“接收”,再然后又在A点靠下的地方继续写上“再接收”,下方又标上“t'A”。A点下方还画了两个方框,分别框住两次记录的内容。这些涂鸦的下方,写着“使 tB = 1/2 (tA+t'A) ?” ,“如何将tA和t'A读数传到B点?”。靠下的地方有写着“时间间隔:t'A-tA.”,接着还画了一个图:一个带有原点O的数轴(箭头向右),上面标了三处位置,依次是tA,tB,t'A。刚想到的,为何我会认为tB一定在tA和t'A之间呢?校对前,tB的位置应该是未知的。不论如何,校对后的tB应该在tA和t'A的中间位置,即:tB-tA=1/2(t'A-tA),半程时间等于全程时间的一半(废话),由此得到 tB = 1/2 (tA+t'A)。或者这么想,光信号发射和折返的时间间隔相等:tB-tA=t'A-tB,从而有: tB = 1/2 (tA+t'A)。
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       以上当然是“小学级”的运算,也只是“理论”校钟——按照上述方法,光信号第一次到达B点时,B钟的校准的读数应该1/2 (tA+t'A),但此时还没有得到t'A。而当光信号返回到A点时,有了读数t'A,但此时又经过了半程时间,此时B钟的校准的读数应该是:1/2 (tA+t'A)+1/2(t'A-tA)=t'A ——理应如此——两个同步的钟读数时刻都该是相同的——但这没用——B点处没有A钟的读数啊!所以,在实践中还必须再反射一次:把读数tA和t'A的读数传递到B点,此时也得到B钟的读数t'B。不难看出(此时已有读数的关系):t'A-tA=t'B-tB。若要校对B钟,则t'B和tB这两个校对前的B钟读数好像都没用。而此时,tB的校对公式不能是上一段的tB = 1/2 (tA+t'A),或刚才的t'A。又多了“半程”(总路程的1/3)。。。最清楚的算法应该是这样。从A点发射一光信号,到达B点,再返回来,这个过程的时间间隔为t'A-tA。光信号第一次到达B点时,A钟的读数是1/2(t'A-tA)1/2(t'A+tA) ;光信号第二次到达B点时,A钟的读数是3/2(t'A-tA)3/2t'A -1/2 tA。由于光信号第二次到达B点时带来了A钟的读数,于是B钟的读数得以切实的校对——tB=3/2(t'A-tA) tB=3/2t'A -1/2 tA——这没错——可是的可是,光信号第二次到达B点时,也可以不带来A钟的读数:tB=3/2(t'B-tB),其中右侧的t'B和tB是校对前的B钟读数。
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       以上应该彻底地“拎清”了校钟的事情。可见,读书必须过脑子——英明如吴大猷老师也会有——打盹的时候!

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注:上文首发于群邮件[Graduate Gate],原标题“论时间”。 



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