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洛伦兹变换式中,空间坐标的变换关系也发生了一些变化。说不定长度也会像时间那样,在高速的情况下,出现了与我们熟悉的低速世界大相径庭的结论呢!
要测量一个物体的长度,我们可以这样做。
在同一时间(注意,同时性虽然不是绝对的,但对于某一些参考系,它还是可以有意义的),在我们自己选定的坐标系中,分别读出物体头和尾的坐标,最后,两个坐标相减,就会得出了该物体的长度,想想,这可是我们当年几何课上测量线段长度的经典方法哟!
下面,我们就来看看两个不同惯性系之间,长度的关系究竟是怎样的。
还是让你和兔子来执行这个艰巨的任务吧,你们已经干了很多回了,工多手熟呀,继续努力哟!
你扛着你的坐标系静静站在那里。而兔子则依旧背着坐标系以u的速度“向前跳去” ,还在x’轴上放了一根直直的小木棍。
好了,现在,你们的任务是:分别同时读出小木棍两端点在你们坐标系中的读数,而你得加重一点,还要进行一些运算,希望你们不负众望。
很快,你们报告了数据。
你在t时刻测得两端的坐标分别为x1、x2,而兔子在t’时刻测得x1’、x2’。
好啦,接下来是你的任务啦,而兔子,你一边找萝卜去!不找着一个绿色的萝卜就不要回来了!
你得先算出你所测得的长度,之后,找出你的坐标和兔子坐标的关系,最后,用你得到的去表示兔子的。
好的,算就算呗。
我的长度应该是L=x2-x1,而我的坐标和兔子坐标的关系嘛,可以偷一下懒,反正前面已经找到了范例,那就是洛伦兹变换式,直接拿过来便罢。
那就是
x1…ut
x1' = -------
√(1… u2/ c2)
x2…ut
x2' = -------
√(1… u2/ c2)
于是,兔子的长度是
L0=x2’- x1’
x2…ut x1…ut
= ------- - -------
√(1… u2/ c2) √(1… u2/ c2)
(x2…ut-x1+ut)
=----------
…
√(1… u2/ c2)
(x2-x1)
=--------
√(1… u2/ c2)
L
=--------
…
√(1… u2/ c2)
完了,好象我们再次遭遇了时间关系的尴尬!
老方法,静下心来,好好分析一下。
220楼
L0=L/√(1… u2/ c2)
这意味着什么呢?
或者,我们换一种写法,把除的形式换成乘的形式——
L=L0√(1… u2/ c2)
L代表你测得的小木棍的长度,而L0代表兔子测得的长度。而根号里面却是小于1的,所以你测得的长度将比兔子的小!
这也就是说,你测得的长度跟兔子的不一样,你看到的小木棍比兔子看到的短!
慢着,好象很乱。
小木棍是跟着兔子运动的,也就是说小木棍跟兔子相对静止。L0就是在相对静止参考系中看到小木棍的长度,而L则是在相对运动的参考系中看到小木棍的长度!
这是不是说,当我们看一条运动的小木棍时,它的长度将比看到它静止时的长度小!
真的是这样吗?
细细思考一下。
方程似乎真的是这个意思!
是的,就是这个意思!
物体的长度在不同的惯性系看来是不同的,在以u相对运动的坐标系看来,它们比静止时缩短了!而且是缩短到静止时的√(1… u2/ c2)倍!
我们再回头注意一下,我们只是讨论了x方向上的长度而已,别忘了y和z方向!
但是,根据洛伦兹变换式,y’=y,z’=z,它们具有简单的相等关系。不管是相对运动的坐标系,还是相对静止的,测得的坐标都是一样的,所以得到的长度也应该是相同的。比方说,再y方向上,兔子在t’时刻测得y方向的头尾坐标分别为y1’和y2’,那么它得到的y方向的长度为Δy’=y2’-y1’;同样道理,你在t时刻得到了y1和y2,则Δy=y2-y1;由于y1’= y1,y2’= y2,所以Δy’也是等于Δy的!z方向上亦是如此。
这也就是说,长度的差别只发生在沿相对运动的方向上,而与相对运动垂直的方向上则没有这种差别!
再来看一下,当那个u比较小的时候,根号里面还是相当接近于1的,这时那么一点点收缩根本就测不出来,于是又回到了经典物理学。倘若u很大,接近了光速c,那个缩短的效应就很明显了。正因如此,我们在平常生活中,从来没有遇到过什么运动的木棍会变短这么“荒诞”的事情,因为我们总是生活在一个低速的世界!当去到高速的环境里,我们就会发现将会是多么的不一样!
牛顿力学是相对论的一级近似!它是低速运动世界的近似规律!
我们又一次得到这样的结论!
现在,我们对我们的狭义相对论是越来越有信心了,它不仅可以得到牛顿力学的一些预言,而且还包含了牛顿力学,它可以指出牛顿的结果其实只是一种近似,它还能够预言高速时的一些结论!
包含旧的理论结果,并且拓展了新的疆域!
这是新理论的一大特征!
我们来做一个总结,L=L0√(1… u2/ c2)这条方程究竟明显地告诉了我们什么。
物体的长度在不同的惯性系看来是不同的,在以u相对运动的坐标系看来,它们比静止时缩短了!而且是缩短到静止时的√(1… u2/ c2)倍!但是,在与相对运动垂直的方向上的长度是不变的。当处于低速(u比较小)时,近似回到旧的理论;而当u很大时,缩短的效应将非常明显。
这就是狭义相对论中著名的收缩效应。
值得指出的是,事实上,物体的长度也可以延伸到空间的距离,也就是说,在相对运动的方向上,空间将会发生收缩!
这就与前面的时间效应呼应了——空间收缩和时间膨胀!在相对论中,空间和时间不再是绝对的了,而都是相对的!在不同的惯性系中,时空将会可能不一样!
“妈的!俺跑得太快,竟然被人家看‘扁’了!”兔子非常痛苦。
哇!运动物体的长度将会缩短!空间竟然可以收缩!
惊世骇俗!意料之外!
不过,细细回想一下,我们前面好象不是也听过类似的说法吗?不知你还记得不?
对!洛伦兹!当年他为了解释麦克尔孙…莫雷实验的惊人结果,也曾经动用了这个收缩效应!
其实,当年洛伦兹从数学手段出发,也曾经得到这条长度缩短的方程,跟现在爱因斯坦的真是一模一样!
哈!历史跟我们开了一个玩笑,兜了一个大圈子,竟然又回到了这个起点上!
天道轮回!
不过,真的如我们上面所想,这只是简单的回归而已吗?
不!绝对不是这样!
别忘了,当年洛伦兹可是死抱着以太不放,而现在爱因斯坦的出发点只有两条原理,根本就没有以太的位置!起点都不一样,怎么又会是完全相同呢?!
事实上,洛伦兹的收缩假设跟爱因斯坦的收缩效应是非常不一样的!
洛伦兹认为那是物体跟以太相互作用的结果。他说由于物质构造中原子的距离被以太压缩了,所以呈现了这种缩短的现象!再说了,洛伦兹当时是凭借数学的手段得到这条公式的,它并没有稳固的基础,更像是孙猴子那样,突然间迸出来的!
而爱因斯坦则从两条原理出发,非常自然地得到了这样的结论和这条式子,基础可是硬邦邦的呀!而且他把收缩效应理解为一种普遍的时空属性,认为空间距离本来就不具有绝对的概念,而应该相对于某个参考系来说方有意义,对于不同的惯性系可能具有不同的长度!
是的,那是时空本身的属性!
现在,我们再回头来看看麦克尔孙…莫雷实验,那个悬而未解的谜题!当年我们站在迷雾当中,走了一条又一条的死胡同,是那么的无助,是那么的痛苦!
为什么?为什么没有干涉条纹?
现在,我们必须记住,光速对于任何观测者都是一样的!空间长度对于不同的观测者可能有不同的结果!
好,我们来看看麦克尔孙…莫雷实验的装置。
首先必须注意到的是,它跟我们是相对静止的,所以两路镜子的长度都是一样的!没有收缩!再一个,由于光速不变原理,两路光的速度都是c!它们并没有因为地球的运动而产生不同!
呵呵!问题很简单啦!
同样的路程,同样的速度,自然同样的时间,自然没有条纹!
怎样?在狭义相对论的范畴下,很容易就解决了吧?
其实,说到底,空间收缩的结论跟时间膨胀一样,根源都在于光信号的传播速度是一个不变的有限的常数。从这里出发,我们得到了洛伦兹变换式,再从变换式中得到这些结论,一切如行云流水,一气呵成!
然而,在经典物理学中,假设存在一个无限大的信号传播速度。在这种基础上,时间和空间的绝对性都是合理的!
不同的出发点,截然不同的落脚点!
人生何曾不也是如此呢?!
我们已经说了时间、空间和经典物理学中的是如此的不同,也着实让我们感到不可思议,甚至非常痛苦,试问有谁不对自己曾经的常识感到留恋呢?
但是,痛,并快乐着。
虽然�