剃刀

为什么一个物体接近光速时,时间会变慢天

发布时间:2023/12/12 18:49:24   
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让我们先退一步,回顾一个事实:根据狭义相对论的假设,一个物体接近光速(或者任何速度)的时候,时间都不会变慢。一种专门设计用来量化时间的仪器在运动或相对于观测者运动时(速度接近光速),时钟会走得更慢(稍后会详细介绍)。爱因斯坦所描述的钟的类型是一个特定的性质和设计的一个“光子钟”。在光子钟内,光在镜子之间反射。如果你相对于光子钟同时运动(或者停止),光会相对于你和镜子上下移动。不论你相对于其他物体的速度如何,光子钟走的速度不变,因为你相对于光子钟静止。一个人拿着光子钟,相对于你静止,可用于和你的光子钟走的速度作比较。这些时钟可以被同步,并保持爱因斯坦同步过程。相对于钟运动的观察者,光在镜子间的运动途径是不一样的。不仅仅是相对轨道的不同,由于镜子处于相对运动状态,光子经历的路程更长。由于光速不变,更长的路程意味着更长的反射时间,也就是说钟表摆动的间隔更长了。因此,光子钟相对观察者运动的时候,钟的累计时间会变慢,我们称之为:时间膨胀。从相对运动的观察者的角度来看,钟摆动的频率更低,由于[第二个假设]约束,光速不会因光源的运动而改变。于是,与有时钟的观察者相比,这就减慢了光到达运动的镜子的速度。移动的光子钟可以很明显的看出来,通过考虑第二个假设的反面,即伽利略相对论,第二个假设的采用使得光子钟走得更慢。在这种情况下,光的相对速度会由于光源的运动而改变。最终的结果是,光源给光的附加速度将完全补偿由于镜面运动造成的损失。因此,所有的光子钟都以与伽利略相对论相同的速度运行,不管是运动还是静止。这是因为在狭义相对论的参照系中,光的传播速度是恒定的,且不会因光源运动而增加。但是镜子可以移动,由此造成了时间膨胀现象。如果没有由于光源运动而增加的速度,光就会延迟到达。与时钟运动方向平行的时钟也会发生时间膨胀:根据第二个假设,相同速度运动的观察者测量他们以正确的速度(A)运动的时钟。以相对速度(B)运动的观察者,当时钟垂直于运动方向时,光线必须到达才能发生反射,从而导致反射延迟。一旦被反射,就会有更少的延迟,因为时钟的背面(mirror2)朝着光的方向移动。虽然这一点在讨论迈克尔逊-莫雷实验(接下来会提到)中会变得很明显,平行的时钟比垂直的时钟走得更慢。但只有在不考虑平行时钟运动方向的长度收缩时,这才成立。长度收缩意味着光到达镜面和返回光源的距离在两个方向上都减小了。这种由平行时钟的长度收缩引起的偏移意味着两个运动中的垂直光时钟以相同的延迟率运行,而不考虑方向,这与相对论原理相符。相反,如果我们应用伽利略相对论的概念,光获得光源的速度,然后补偿镜子的运动,最终结果是,一个与它的运动方向平行的光子钟将以与静止的时钟或与它的运动方向垂直的时钟相同的速度运行。同样地,与爱因斯坦的光子钟不同,不同方向的时钟将以与伽利略相对论相同的速度运行。迈克尔逊-莫雷实验(MME)MME是一个伟大的实验,展示了运动的光子钟的时间膨胀现象。MME装置由两个相互垂直的光子钟组成,一个时钟指向运动方向90度,另一个时钟指向平行于运动方向。这些都包含在一个实验装置中。迈克尔逊干涉仪如上所述,如果我们假设爱因斯坦或伽利略相对论,一个相同速度运动的观察者将不测量任何时间膨胀,同时信号返回到探测器。当光子钟在运动时,你可以看到平行时钟与垂直时钟的延迟,且不受手臂长度收缩的影响。如果考虑到长度收缩,两个时钟发出的光会同时回到探测器。由于不需要由于长度收缩而产生的附加效应,伽利略相对论的假设认为信号同时返回到探测器。我们知道,无论运动还是静止,两个时钟发出的光都会同时到达探测器,因为无论时钟的方向如何,我们总是能看到相同的干涉图。为了证明这一点,装置慢慢地转向,它也随着地球的旋转和轨道而转向。但是我们有两个理论可以解释同时到达的光。一方面,我们有爱因斯坦的理论,它要求长度收缩,光相对于观察者运动的速度比相对静止的要慢。另一方面,我们有伽利略相对论:光获得了光源的速度,它补偿了镜子的运动,导致两个垂直的时钟反射的速度相同,不管相对静止或运动。长度收缩并不需要伽利略的相对论来解释MME,并考虑奥卡姆剃刀原理——最简单的解释往往是最好的,它值得适当的考虑。同样的实验证实了爱因斯坦的理论是非常精确的,也证实了与之完全相反的理论是非常精确的。我知道我对更好的理论的选择是什么,但我将留给读者自己做决定。结论当光子钟相对于静止时钟相对运动时,它会慢下来,这是采用狭义相对论第二假设的直接结果。无论光子钟的相对速度是接近于零还是接近光速,光子钟的速度都会变慢,因为镜子的运动不会因光源的运动而平衡。虽然镜子无法逃避与光的相遇,但它可以延迟光的到来。文中的光子钟的描述非常严格,仅用于描述上述特定的光子钟。因为这些光子钟依赖于光,也就是第二个假设所描述的光,所以它们在运动时滴答得更慢。如果第二个假设是真的,那么这就是一个直接的合理的结论。但并不是所有的钟都是光子钟,并不依赖于光作为计时的机制。且从移动的光子钟应用到所有的时钟上所测量的时间膨胀的笼统概括缺乏一个清晰的逻辑步骤。而且,测量时间的时钟并不是时间本身。就像爱因斯坦不相信时间就是钟表的读数,但根据他的第二个假设,运行中的光子钟反射得更慢。作者:FY:LeeKing如有相关内容侵权,请于三十日以内联系作者删除转载还请取得授权,并注意保持完整性和注明出处

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