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如何从光速不变推导时间和空间的相对性—节选自《破解引力-广义相对论的诞生之路》

已有 1376 次阅读 2023-3-18 09:42 |个人分类:破解引力广义相对论的诞生之路|系统分类:科普集锦

以下内容来自《破解引力-广义相对论的诞生之路》一书


   假设有一架激光器和一面镜子,在激光器和镜子旁边放上钟和直尺,然后让张三静止站在旁边。那么张三利用这两块钟 测量出的时间记为t,利用这把直尺测量出镜子与激光器之间的距离记为l/2

   坐在高铁上的李四利用高铁上放置的钟测量出的时间记为T, 利用高铁上的直尺测量出镜子与激光器之间的距离记为L/2

   整个测量过程就是让激光器发射出一束激光,这束激光被反射回来之后,又被激光器接收到。下面就来分别说明一下:张三和李四采用各自的设备如何测量出这束激光的速度。

   张三测量出光速的过程如下图所示:在激光器发射出激光的时候,静止的张三采用激光器旁边的钟记录下发射的时刻。在激光器接收到反射回来激光的时候,静止的张三再采用激光器旁边的钟记录下接收的时刻,那么张三就测量出了激光在整个传播过程中 所花掉的时间。而激光的整个传播距离 正好等于l。最后采用距离除以时间就是张三所测量出的光速。

   而运动的李四测量光速的过程却大为不同。因为李四需要采用高铁上的钟和直尺来进行测量,并且在李四看来,整套实验设备都在向右运动,这会导致光所走过的路径大不一样。具体测量的细节过程如下:

 1、当激光器发射出激光的时候,李四采用高铁上的钟 记录下发射的时刻。

2、当镜子反射光的时候,整套实验设备都向右 移动了一段距离,那么镜子也向右移动了一段距离。所以,光的传播距离中需要减去这一段移动距离。实验设备移动的这段距离的计算过程 如图中所示。当然,这些距离的长度都是采用高铁上的直尺测量出来的。

3、当接收到反射回来的激光的时候,整套实验设备 再向右移动了一段距离,那么镜子也向右移动了一段距离。所以,光的传播距离中需要加上这一段移动距离。实验设备移动 的这段距离的计算过程 如图中所示。同样,这些距离的长度都是采用高铁上的直尺测量出来的。

      这样一来,利用高铁上的钟和直尺,运动的李四 测量出了这束光传播的时间和距离。然后李四就计算出来了他所测量到的光速。

      所谓的光速不变就是指:张三和李四采用各自的钟和直尺测量出的光速是相等的。这个结果让我们非常清晰地看到:实验操作台上 的钟和直尺测量出的时间t和空间l,与高铁上的钟和直尺测量出的时间T和空间L,不可能再相等了。不然就不会出现“光速不变”的现象,或者说,“光速不变”的现象就是因为不同观测者测量出的时间和空间不再相同所造成的。

     并且,我们很容易 就能够得出:当张三和李四 各自测量出的时间和空间 满足这样的关系时,光速就正好是不变的。

    这两个关系式 就是时间和空间崭新特性,或者更准确地说,这才是时间和空间本来的真实面貌。具体来说,时间本来的真实面貌是:一块钟运动起来之后,它会走得更慢——这就是时间的相对性。空间本来的真实面貌是:一根细棒运动起来之后,该细棒的长度会变短——这就是空间的相对性,




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