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人人能懂的相对论_(英)布莱恩·考克斯,(英)杰夫·福修著;李德力译(第三章 狭义相对论) 第(5/7)页

回到我们的问题上来,有了以上数学基础,对站台上的人来说,光钟的一个时间单位就可以轻松获取了。光从底部反射镜到达顶部反射镜并再次返回所需要的时间是2T。首先对T2求平方根,然后乘以2,就可以得到。在知道火车的速度v、光速c以及两个镜子之间的距离(1米)的情况下,该公式就能计算出站台人员观测到的时间单位。对于火车上光钟旁的观察者来说,这个过程光仅是以速度c运动了2米(因为距离=速度×时间,所以时间=距离/速度),所以光钟一个时间单位仅等于2/c。站台上的人观测到火车上的光钟变慢了,变慢了多少可以通过以上两个时间单位的比值得出。简单计算表明,光钟变慢由系数表示。重新整理得到,。这个常数用希腊字母γ表示,它的发音为“gamma”[22],是相对论中一个非常重要的数值。通过观察可以发现,只要光钟速度低于光速,由于v/c小于1,γ总是大于1。此外,当光钟速度远小于光速时(生活中常见的速度,对驾驶员来说,光速是6.17亿英里/小时),γ非常接近1。只有当光钟速度与光速可比拟时,γ才明显偏离1。

讲到这里,我们成功确定了对于站台上的观察者,飞驰火车上的时钟变慢了多少,所需相关数学也已讲述完毕。让我们根据情况代入数据看一看。如果火车以300千米每小时的速度行驶,那么不难发现v2/c2是一个非常小的数字,0.000000000000077,继续通过算式=1.000000000000039,便得到了“时间拉伸”因子γ。不出所料这是一个微乎其微的影响。在站台上的朋友看来,乘火车旅行100年,你的寿命只会延长0.000000000000039年,这个数字略高于十分之一毫秒。然而,当火车以90%光速的速度疾驰而过时,情况就不同了。这时,时间拉伸因子将大于2,也就是说坐在站台上的人看到,移动的时钟的摆动频率不到车站上时钟的一半。这就是爱因斯坦的预言,有点难以置信。不过对优秀科学家来说,能否相信它要看实验检验。

接下来会讨论验证这一结论的实验,但在此之前,我们停一停,进一步思考下刚刚得到的结果。我们坐在光钟旁边,从火车上乘客的角度出发,再做一次思想实验。对乘客来说,时钟没有运动,光只是上下运动,这就像我们坐在咖啡馆里看到身边的时钟一样。根据伽利略的说法,光钟相对于乘客静止,乘客肯定会看到光钟每6.67纳秒走一个时间单位,心跳一次,它走1.5亿次。与此同时,对站台上的观察者来说,火车上的光钟用了6.67纳秒多一点的时间来完成一个时间步。在数过1.5亿次时间单位后,他的心跳略多于一次。在站台上的人看来,他比坐在火车上的乘客衰老得快。这是很惊人的结论。

我们刚刚已证明,对于真实的火车来说,其速度远不及光速,这种影响微乎其微,但它确实存在。在一个想象的世界里,火车以接近光速的速度在一条长长的轨道上疾驰,这种效果将被放大,以至于站在月台上的人会感觉到自己变老得快些。

在实验室,若要测试到这种否定绝对时间的结果,就需要发展一种方法来研究接近光速运动的物体。因为,只有物体接近光速,时间拉伸因子γ才足以被实验测量到。稍微理想一些,我们寻找一个有寿命的物质来做研究,看看可否通过让它快速运动起来来延长它的寿命。

幸运的是,这样的物质确实存在,科学家对它们再熟悉不过了。事实上,我们本身就是由这些物质构成。它们就是基本粒子,一种非常小的亚原子粒子,宇宙中所有物体的最小组成部分。它们因为小,所以很容易被加速到很大的速度。在本书的后面,我们还会看到很多有关基本粒子的内容。现在,我们给出两个基本粒子,即电子和μ子。


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