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狭义相对论中有三个结论,它们分别是:时间变慢、尺子缩短、质量增大。
时间变慢我们之前做过详细的讨论,如果一个人带着一块钟表以高速远离地球,然后又回到地球,与地球上的时钟进行比较,就会发现他的表真的变慢了。而对于尺子缩短,我们之前也用了两期进行了详细的讨论,不过与时间不同,尺子并没有真的缩短,准确来说就是当我们去测量“动尺”的时候,所得到的“测量长度”与尺子的“静止长度”相比确实缩短了,那么尺子到底缩短了没有?
其实尺子并没有真的缩短,如果一个观察者与尺子在一起运动,那么当这位与尺子一起运动的观察者去测量这个尺子的时候,发现尺子长度是正常的,与静止状态的尺子长度一致。但是当地面观察者去测量这把“运动尺”的时候,得到的测量结果是缩短的。当尺子逐渐减速,最终停止的时候,无论是地面观察者,还是与尺子一起运动的观察者,这时候再去测量这把尺子的时候,都会测到一样的结果,尺子的长度是正常的,没有缩短。
我们再举个例子,如果哈利波特骑着魔法扫把在天上飞,他的同学在地面上观察他,如果哈利波特飞行的速度足够快,那么他的同学就会发现哈利波特的魔法扫把变短了,而哈利波特本人也变瘦了。
哈利波特变瘦,魔法扫把变短然而,当哈利波特从天上往下看,也发现了异样的情况,他发现他的同学变瘦了,地面上的物体也变短了。
哈利波特看到的地面观察者变瘦也就是说,从不同参照系的观察者来看,你觉得我变瘦,我觉得你变瘦,那到底谁变瘦了呢?
其实都没有变短,也没有变瘦,哈利波特的魔法扫把也没有变短,当哈利波特回到地面的时候,他的同学发现哈利也没有变瘦,用尺子去测量魔法扫把,魔法扫把长度并没有缩短,和之前一样。
还有一个大家比较关心的问题,当哈利波特骑着扫把在空中飞驰的时候,地面上的人如何来测量扫把的长度呢?
其实还是有办法来测量的,哈利波特在空中飞行的时候,可以利用魔法扫把向地面发出两个火球,一个从扫把尾部发出,一个从扫把头部发出,当火球撞击地面的时候会留下灼烧的印记,地面上的观察者同学就可以等哈利波特离开后,用尺子去测量两个灼烧印记的距离,这样就能比较长短了。
我们再强调一下,实际上无论是运动的尺子,还是运动的魔法扫把,或者是运动的哈利波特,都没有发生实质上、真实的缩短,物体或者身体的密度并没有在外力的作用下变高而导致收缩,物质粒子也没有因为而靠得更近而导致收缩。事实上,荷兰物理学家洛伦兹(-),就是洛伦兹变换的那个洛伦兹,曾经认为是因为物体密度变高而发生了收缩,这显然是不对的。
当运动的物体逐渐减速,最终停下来的时候,我们再去测量它的长度,就会发现长度并没有缩短。
所以说,尺缩效应仅仅是一种测量效应,并不意味着真的发生了缩短,这是最重要的结论。
狭义相对论的尺缩公式爱因斯坦(-)