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之前我们用了多篇文章,讨论了狭义相对论的时间变慢效应,简单来说,只要是运动参照系中的时钟,相对于静止参照系中的时钟,时间就会变慢。不过这里有一个“佯谬”容易混淆是非,既然爱因斯坦认定了狭义相对论有两个前提:
1、光速在任何参照系中不变,均为c。
2、任何惯性系都是平权的。
那么运动火车参照系与静止地面参照系,到底谁才是“运动参照系”呢?火车上的观察者认为自己是“静止”的,地面上的人才是“运动”的,所以地面上的时钟会变慢,而自己的时钟是正确的。
对于地面上的观察者而言,当然认为自己才是“静止”的,火车才是“运动”的,当然是地面上的钟走得是正常的,而火车上的钟会变慢。
这就矛盾了,公说公有理,婆说婆有理,到底谁的时间变慢了呢?那么我们这里就不再赘述了,请大家自行阅读我之前的文章:
狭义相对论浅谈(三)之双子佯谬
今天我们要说的,是狭义相对论的尺缩效应,当然,爱因斯坦的那两个前提依然是成立的。
废话不多说,先摆出公式:
狭义相对论之尺缩公式相信一说起公式,大家就头疼,但是笔者自己是非常喜欢各类公式的,因为公式用最简洁、最准确、最明白的语言把最深刻的道理给说清楚了,一个好的公式,胜过了千言万语。
爱因斯坦的公式最大的特点就是简洁明了,有美学感,非常符合现代人对美的追求。尺缩公式就是这样,非常简洁,属于小清新风格的公式,初中以上学历的人都能看得懂。
公式中的L0是静止时候的尺子长度,可以称作“静尺”的长度,L则是运动时候尺子的长度,可以称作“动尺”的长度,v则是“动尺”的速度,c则是光速。
很明显,根据尺缩公式,我们可以看到:
1、当尺子运动的速度与光速比较非常小的时候,比如v=0,则L=L0,也就是当尺子不动或者运动速度相对光速c比较小的时候,尺缩效益不明显,既看不出来也测不出来尺子在运动方向是缩短了。
2、当尺子运动速度比较大的时候,比如v=0.8c,这个时候就会有明显的尺缩效益了,因为这时候的“动尺”的长度L=0.6L0。也就是说,这个时候,地面上的观察者无论是去“测量”这个运动的尺子,或者是去“观察”这个运动的尺子,都会发现:尺子变短了,其长度只有静止时候的60%。
3、考虑一种极限情况,当尺子运动的速度v等于光速c,根据尺缩公式,运动尺子的长度L=0,也就是说这个时候地面上的观察者就看不到这把尺子了,也测量不到这把尺子,因为它的长度变成0了。
当然,长度变零只是一个理论结果,由于在我们的四维时空(长、宽、高、时间)中是不允许超光速的,所以我们不会看到长度为0的情况。
我们假定,有两艘飞船在黑黢黢的太空中相对开过,速度均为0.4c,分别是飞船A和飞船B,里面的宇航员通过飞船的舷窗来观察对方的飞船,就会发现对方的飞船长度明显缩短了。
虽然飞船的速度为0.4c,但是A飞船上的宇航员认为自己是静止的,飞船B才是在运动,所以A宇航员认为B飞船的速度是0.4c+0.4c=0.8c。反之亦然,飞船B上的宇航员也认为自己是静止的,飞船A才是运动的,所以飞船A的速度是0.4c+0.4c=0.8c。
也就是说,根据惯性系平权,惯性系A与惯性系B并无不同,都是“我认为我是静止你在运动,而你认为你在静止我在运动”,这是没问题的。
宇航员A看飞船B根据尺缩效应,宇航员A看到的飞船B明显变“瘦”了,其宽度只有正常情况下的60%,如果在正常情况下飞船B的长度是10米,那么现在“看到”或者“测量到“的长度只有6米。
反过来,宇航员B也在观察飞船A,那么他看到的又是什么景象呢?
宇航B看飞船A很显然,宇航员B认为自己的飞船长度正常,是对方(飞船A)的长度缩短了,缩到60%。
结束语
这就与我们之前讨论的时间变慢效应类似,”我觉得你缩短,你觉得我缩短“,那么到底谁缩短了呢?这个问题我们下期再说吧。
爱因斯坦(-)