长度收 おさむ 缩 (又 また 称 たたえ 洛 らく 伦兹收 おさむ 缩或 ある 洛 らく 伦兹-費 ひ 茲傑羅 ら 收 おさむ 缩 )是 ぜ 指 ゆび 观察者 しゃ 在 ざい 观察与其相对速度 そくど 非 ひ 零 れい 的 てき 物体 ぶったい 时看到 いた 的 てき 长度变小的 てき 现象。这种现象通常 つうじょう 只 ただ 在 ざい 相 あい 对速度 そくど 接近 せっきん 光速 こうそく 时才会 かい 比 ひ 较明显。并且只 ただ 有 ゆう 在 ざい 与 あずか 物体 ぶったい 运动平行 へいこう 的 てき 方向 ほうこう 上 じょう 才能 さいのう 观察到长度收 おさむ 缩。
对于常 つね 见物体 たい ,在 ざい 其以常 つね 规速度 そくど 运动时,这种效 こう 应可以忽略 りゃく 。只 ただ 有 ゆう 在 ざい 其运动速度 そくど 足 あし 够大,或 ある 是 ぜ 在 ざい 电子运动中 ちゅう ,考 こう 虑这种现象 ぞう 才 ざい 较为有意 ゆうい 义。当 とう 相 あい 对速度 そくど 为7007134000000000000♠ 13400 000 m/s (0.0447c )时,收 おさむ 缩后的 てき 长度为静止 せいし 长度的 てき 99.9%。而当相 しょう 对速度 そくど 增大 ぞうだい 到 いた 7007423000000000000♠ 42300 000 m/s (0.141c ),收 おさむ 缩后的 てき 长度仍为静止 せいし 长度的 てき 99%。随 ずい 着 ぎ 速度 そくど 逐渐接近 せっきん 光速 こうそく ,这一效应开始变得十分明显。这种效 こう 应可以用下面 かめん 这个方 かた 程 ほど 描述:
L
=
L
0
γ がんま
(
v
)
=
L
0
1
−
v
2
/
c
2
{\displaystyle L={\frac {L_{0}}{\gamma (v)}}=L_{0}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}
其中
L 0 是 ぜ 物体 ぶったい 的 てき 固有 こゆう 长度 (物体 ぶったい 在 ざい 与 あずか 其相对静止 せいし 的 てき 参考 さんこう 系 けい 中 ちゅう 的 てき 长度),
L 是 ぜ 观察者 しゃ 观察到的 てき 物体 ぶったい 的 てき 长度,
v 是 ぜ 观察者 しゃ 与 あずか 运动物体 ぶったい 之 の 间的相 しょう 对速度 そくど ,
c 是 ぜ 光速 こうそく ,
而γ がんま (v ) 则是洛 らく 仑兹因子 いんし ,定 てい 义为:
γ がんま
(
v
)
≡
1
1
−
v
2
/
c
2
{\displaystyle \gamma (v)\equiv {\frac {1}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}\ }
。
在 ざい 这个方 かた 程 ほど 中 ちゅう ,物体 ぶったい 的 てき 长度所 しょ 沿方向 ほうこう 与 あずか 物体 ぶったい 运动方向 ほうこう 平行 へいこう 。观察者 しゃ 需要 じゅよう 同 どう 时测量 りょう 其与物体 ぶったい 两端的 てき 距离然 しか 后 きさき 相 しょう 减来得 え 到 いた 物体 ぶったい 的 てき 长度。当 とう 相 あい 对速度 そくど 趋近光速 こうそく 时,物体 ぶったい 在 ざい 对应方 かた 向上 こうじょう 的 てき 长度会 かい 变为零 れい 。更 さら 为普遍 ふへん 的 てき 变换请参见洛 らく 仑兹变换 。
长度收 おさむ 缩由乔治·斐兹杰惹 与 あずか 亨 とおる 德 とく 里 さと 克 かつ ·洛 らく 伦兹先 さき 后 きさき 于1889年 ねん 与 あずか 1892年 ねん 提出 ていしゅつ 。他 た 们提出 ていしゅつ 这一假设是用来应对迈克尔逊-莫雷实验 对于静止 せいし 以太假 かり 说的 てき 撼动。[1] [2] 尽 つき 管 かん 斐兹杰惹与洛 らく 仑兹都 と 提 ひっさげ 到 いた 了 りょう 静 せい 电场在 ざい 运动时发生 せい 变形的 てき 现象(“亥 い 维赛椭圆”,奥 おく 利 とし 弗 どる ·亥 い 维赛基 もと 于电磁理论于1888年 ねん 提出 ていしゅつ ),但 ただし 他 た 们认为这只 ただ 是 ぜ 个特例 とくれい 情 じょう 况 。因 よし 为当时并没 ぼつ 有 ゆう 充足 じゅうそく 的 てき 理 り 论证实分子 ぶんし 间的作用 さよう 力 りょく 会 かい 完全 かんぜん 依 よ 照 あきら 电磁作用 さよう 规律。1897年 ねん ,约瑟夫 おっと ·拉 ひしげ 莫尔 提出 ていしゅつ 了 りょう 一种可以将电磁作用视为所有力起源的理论。长度收 おさむ 缩是这一模型 もけい 的 てき 直接 ちょくせつ 推论。不 ふ 过亨 とおる 利 り ·庞加莱在 ざい 1905年 ねん 提出 ていしゅつ ,电子的 てき 稳定性 せい 并不能 ふのう 单单通 どおり 过电磁作用 よう 就能得 え 到 いた 解 かい 释。所以 ゆえん 他 た 引入了 りょう 另一个特例假设:长度收 おさむ 缩可以通过保证电子 こ 稳定性的 せいてき 非 ひ 电约束 たば 力 りょく 得 え 到 いた 动力学 がく 解 かい 释。并且这种力 りょく 还可以掩盖静止 せいし 以太的 てき 运动。[3]
1905年 ねん ,阿 おもね 尔伯特 とく ·爱因斯坦首 くび 次 じ [3] 移 うつ 去 ざ 了 りょう 长度收 おさむ 缩中所有 しょゆう 特例 とくれい 假 かり 设因素 もと ,展示 てんじ 了 りょう 这种现象并不需要 じゅよう 以太假 かり 设,而是可 か 以通过狭 せま 义相对论得 え 到 いた 解 かい 释。[4] 爱因斯坦的 てき 理 り 论后来 らい 得 え 到 いた 了 りょう 赫尔曼·闵可夫 おっと 斯基 的 てき 完 かん 善 ぜん 。他 た 通 どおり 过引入 いれ 四维时空的概念给出了所有相对论效应的几何解释。[5]
相 あい 对论基 もと 础[ 编辑 ]
长度收 おさむ 缩:三 さん 个蓝棒 ぼう 在 ざい S系 けい 中 ちゅう 静止 せいし ,三 さん 个红棒 ぼう 则在S'系 けい 中 ちゅう 。在 ざい 这个例 れい 子中 こなか ,两列的 てき 左端 ひだりはし 点 てん A和 わ D在 ざい x轴上与 あずか 同 どう 一 いち 位置 いち ,棒 ぼう 的 てき 长度是 ぜ 可 か 以比较的。在 ざい S系 けい 中 ちゅう ,同 どう 一 いち 时刻,A与 あずか C之 の 间的距离要 よう 比 ひ D与 あずか F之 の 间的远。在 ざい S'系 けい 中 ちゅう 则恰好 こう 相反 あいはん 。
首 くび 先 さき 需要 じゅよう 考 こう 虑的问题是 ぜ 测量静止 せいし 与 あずか 运动物体 ぶったい 长度的 てき 方法 ほうほう 。[6] 这里的 てき 物体 ぶったい 只 ただ 是 ぜ 指 ゆび 由 よし 一 いち 系列 けいれつ 互相静止 せいし (換言 かんげん 之 の ,它们在 ざい 同 どう 个惯性 せい 系 けい 中 ちゅう 会 かい 保持 ほじ 静止 せいし )的 てき 点 てん 构成的 てき 一 いち 段 だん 线。如果观察者 しゃ 与 あずか 物体 ぶったい 间的相 しょう 对速度 そくど 为零,那 な 么物体 ぶったい 的 てき 原 げん 长
L
0
{\displaystyle L_{0}}
用 よう 测量棒 ぼう 就可以直接 ちょくせつ 测定。当 とう 相 あい 对速度 そくど 大 だい 于零时,测量可 か 以这样进行 ぎょう :
观察者 しゃ 设置一列经过同步的时钟。同 どう 步 ふ 可 か 以这样完成 かんせい :
使用 しよう 爱因斯坦同 どう 步法 ほほう 交换光 こう 信号 しんごう ;
使用 しよう “慢时钟输运”法 ほう ,也就是 ぜ 在 ざい 消失 しょうしつ 输运速度 そくど 范围内 ない (vanishing transport velocity )在 ざい 时钟间传递一个时钟。
当 とう 同 どう 步 ふ 过程完成 かんせい 后 きさき ,物体 ぶったい 通 どおり 过时钟列,每 まい 个时钟记录下左右 さゆう 两个端点 たんてん 通 どおり 过的确切时间。在 ざい 这之后 きさき ,观察者 しゃ 只 ただ 需去看 み 记录下 か 物体 ぶったい 左 ひだり 端点 たんてん 通 どおり 过时间的时钟A的 てき 位置 いち ,以及同 どう 一时刻物体右端点经过的时钟B的 てき 位置 いち 即 そく 可 か 。A、B两点的 てき 距离与物体 ぶったい 此时长度
L
{\displaystyle L}
相等 そうとう 。[6] 当 とう 使用 しよう 这种方法 ほうほう 时,同 どう 时性(simultaneity )的 てき 定 てい 义就显得尤 ゆう 其重要 じゅうよう 。
另一种方法是使用可以显示其原 はら 时
T
0
{\displaystyle T_{0}}
的 てき 时钟,让其在 ざい 物体 ぶったい 静止 せいし 系 けい 内在 ないざい 时间
T
{\displaystyle T}
内 うち (使用 しよう 时钟本身 ほんみ 测量)自 じ 物体 ぶったい 一点运动到另一点。物体 ぶったい 的 てき 长度可 か 以通过时钟的运动与速度 そくど 相乘 そうじょう 求 もとめ 得 え ,即 そく
L
0
=
T
⋅
v
{\displaystyle L_{0}=T\cdot v}
(物体 ぶったい 静止 せいし 系 けい )或 ある
L
=
T
0
⋅
v
{\displaystyle L=T_{0}\cdot v}
(时钟静止 せいし 系 けい )。[7]
在 ざい 牛 うし 顿力学 がく 中 ちゅう ,同 どう 时性与 あずか 时间都 と 是 ぜ 绝对的 てき ,因 いん 而两种方法 ほう 最 さい 终得到 いた 的 てき 结论会 かい 是 ぜ
L
{\displaystyle L}
与 あずか
L
0
{\displaystyle L_{0}}
相等 そうとう 。在 ざい 相 あい 对论中 ちゅう ,由 よし 所有 しょゆう 惯性系 けい 中 ちゅう 光速 こうそく 不 ふ 变推出 で 的 てき 相對 そうたい 同時 どうじ 以及時間 じかん 膨脹 ぼうちょう 打破 だは 了 りょう 这个等式 とうしき 。当 とう 采 さい 用 よう 第 だい 一 いち 种方法 ほう 时,当 とう 一个惯性系中的观察者说自己同时测量物体端点的距离时,其他惯性系 けい 中 ちゅう 的 てき 观察者 しゃ 会 かい 认为测量并不是 ぜ 同 どう 时完成 かんせい 的 てき 。当 とう 采 さい 用 よう 第 だい 二 に 种方法 ほう 时,由 ゆかり 于时间膨胀效应,
T
{\displaystyle T}
与 あずか
T
0
{\displaystyle T_{0}}
并不相等 そうとう ,这会导致出 で 现长度 ど 不等 ふとう 的 てき 情 じょう 况。
所有 しょゆう 惯性系 けい 中 ちゅう 测量方式 ほうしき 可 か 以通过洛 らく 伦兹变换 以及时间膨胀推导。最 さい 终结果 はて 显示,物体 ぶったい 的 てき 原 げん 长保持 ほじ 不 ふ 变,且是物体 ぶったい 的 てき 最大 さいだい 长度,也就是 ぜ 说在其他惯性系 けい 中 ちゅう 同 どう 一物体的长度都比原长小。这种收 おさむ 缩只会 かい 在 ざい 物体 ぶったい 运动方 かた 向上 こうじょう 发生,物体 ぶったい 长度与原 よはら 长之间的关系如下式 しき 所 しょ 示 しめせ :
L
=
L
0
/
γ がんま
{\displaystyle L=L_{0}/\gamma }
磁作用 よう [ 编辑 ]
在 ざい 电子相 しょう 对原子核 げんしかく 运动过程中 ちゅう ,受到相 しょう 对论收 おさむ 缩效应的影 かげ 响会产生磁作用 よう 。载流线圈附近 ふきん 的 てき 运动电荷所 しょ 受到的 てき 磁作用 よう 就是由 よし 电子与 あずか 质子间相对运动造成 ぞうせい 的 てき 。[8] [9]
1820年 ねん ,安德 あんとく 烈 れつ -马里·安 やす 培 つちかえ 展示 てんじ 通有 つうゆう 同 どう 向 こう 电流的 てき 平行 へいこう 线圈会 かい 彼此 ひし 吸引 きゅういん 。对于电子而言,线圈会 かい 略 りゃく 微 ほろ 收 おさむ 缩,造成 ぞうせい 另一线圈中的电子局部稠密。而另一线圈中的电子虽然也会在运动,但 ただし 他 た 们并不 ふ 会 かい 产生同等 どうとう 收 おさむ 缩。这造成 ぞうせい 电子与 あずか 质子产生了 りょう 视在局部 きょくぶ 不 ふ 均 ひとし ,此时发生较大收 おさむ 缩线圈 けん 中 ちゅう 的 てき 电子就会受另一线圈中多余质子的吸引。反 はん 之 これ 亦 また 然 しか 。在 ざい 质子静止 せいし 参考 さんこう 系 けい 中 ちゅう ,电子会 かい 运动并收缩,也会产生同 どう 样的不 ふ 平衡 へいこう 。虽然电子的 てき 漂移速度 そくど 相 あい 对较低 ひく (1米 まい 每秒 まいびょう 量 りょう 级),但 ただし 电子与 あずか 质子间的作用 さよう 非常 ひじょう 大 だい ,以致在 ざい 这一较低速度 そくど 下 か ,相 そう 对论收 おさむ 缩也会 かい 引起明 あかり 显效应。
这种效 こう 应也可 か 以用来 らい 解 かい 释不带电流 りゅう 的 てき 磁性 じせい 粒子 りゅうし ,只 ただ 需把电流替 がえ 换成自 じ 旋即可 か 。[來 らい 源 みなもと 請求 せいきゅう ]
对称性 せい [ 编辑 ]
S系 けい 中 ちゅう 所有 しょゆう 平行 へいこう 于x轴的事件 じけん 都 と 是 ぜ 同 どう 时发生 せい 的 てき 。S'系 けい 中 ちゅう 所有 しょゆう 平行 へいこう 于x'轴的事件 じけん 也是同 どう 时发生 せい 的 てき 。
相 あい 对性原理 げんり (即 そく 所有 しょゆう 惯性系 けい 中 ちゅう ,物理 ぶつり 规律都 と 应具有 ぐゆう 相 しょう 同 どう 形式 けいしき )要求 ようきゅう 长度收 おさむ 缩影视对称 しょう 的 てき :即 そく 如果S系 けい 中 ちゅう 的 てき 静止 せいし 长棒在 ざい S'系 けい 中 ちゅう 发生长度收 おさむ 缩,那 な 么S'中 ちゅう 的 てき 静止 せいし 长棒也应在 ざい S系 けい 中 ちゅう 发生收 おさむ 缩。这一点可以使用对称的闵可夫 おっと 斯基图 表示 ひょうじ ,因 いん 为几何 なん 上 じょう ,洛 らく 伦兹变换对应四维时空中的旋转。[10] [11]
在 ざい 右 みぎ 侧第一 いち 张图中 ちゅう ,如果S'系 けい 中有 ちゅうう 一 いち 根 ね 静止 せいし 长棒,且一个端点位于ct'轴且平行 へいこう 于x'轴。在 ざい 这个参考 さんこう 系 けい 中 ちゅう ,端点 たんてん 同 どう 时时的 てき 位置 いち 是 ぜ O和 わ B,因 いん 此原长等于OB。在 ざい S系 けい 中 ちゅう ,同 どう 时位置 いち 则是O和 わ A,因 いん 此收缩后的 てき 长度是 ぜ OA。
反 はん 之 これ ,如果S系 けい 中有 ちゅうう 另一根 ね 静止 せいし 长棒。同 どう 样,它的一个端点位于ct轴且平行 へいこう 于x轴。在 ざい 这个参考 さんこう 系 けい 中 ちゅう ,端点 たんてん 同 どう 时时的 てき 位置 いち 是 ぜ O和 わ D,因 いん 此原长等于OD。在 ざい S'系 けい 中 ちゅう ,同 どう 时位置 いち 则是O和 わ C,因 いん 此收缩后的 てき 长度是 ぜ OC。
在 ざい 右 みぎ 侧第二 に 张图中 ちゅう ,如果S系 けい 中有 ちゅうう 一列静止的火车,S'系 けい 中有 ちゅうう 一座 いちざ 静止 せいし 的 てき 火 ひ 车站。S系 けい 与 あずか S'系 けい 的 てき 相 しょう 对速度 そくど 为
v
=
0
.
8
c
{\displaystyle v=0{.}8c}
。S系 けい 中有 ちゅうう 一 いち 根原 ねばら 长
L
0
=
A
B
=
30
c
m
{\displaystyle L_{0}=\mathrm {AB} =30\ \mathrm {cm} }
的 てき 长棒,其在S'系 けい 中 ちゅう 收 おさむ 缩后的 てき 长度
L
′
{\displaystyle L'}
为:
L
′
=
A
C
=
L
0
/
γ がんま
=
18
c
m
{\displaystyle L'=\mathrm {AC} =L_{0}/\gamma =18\ \mathrm {cm} }
当 とう 长棒从S系 けい 中 ちゅう 的 てき 火 ひ 车中扔到S'系 けい 中 ちゅう 的 てき 火 ひ 车站并静止 せいし ,它的长度可 か 以使用 しよう 上面 うわつら 的 てき 方法 ほうほう 再 さい 次 つぎ 测量。现在S'中 ちゅう 长棒原 げん 长
L
0
′
=
E
F
=
30
c
m
{\displaystyle L'_{0}=\mathrm {EF} =30\ \mathrm {cm} }
,那 な 么此时长棒 ぼう 相 しょう 对于S系 けい 是 ぜ 运动的 てき ,其长度会 わたらい 发生收 おさむ 缩:
L
=
D
E
=
L
0
′
/
γ がんま
=
18
c
m
{\displaystyle L=\mathrm {DE} =L'_{0}/\gamma =18\ \mathrm {cm} }
实验验证 [ 编辑 ]
任 にん 何 なに 与 あずか 物体 ぶったい 一起运动的观察这都不能测量物体的收缩,因 いん 为根据 すえ 相 しょう 对性原理 げんり ,他 た 本人 ほんにん 就能感 かん 觉到他 た 自己 じこ 与 あずか 物体 ぶったい 在 ざい 同 どう 一参考系中保持相对静止。所以 ゆえん 长度收 おさむ 缩在物体 ぶったい 静止 せいし 系 けい 中 ちゅう 都 と 不能 ふのう 测出,而只能 のう 在 ざい 物体 ぶったい 运动系 けい 中 ちゅう 测到。除 じょ 此之外 がい ,即 そく 使 つかい 在 ざい 非 ひ 拖带(non-co-moving )参考 さんこう 系 けい 中 ちゅう ,对于长度收 おさむ 缩的直接 ちょくせつ 实验验证也是非常 ひじょう 难以实现的 てき ,因 いん 为目前 まえ 的 てき 技 わざ 术水平 ひらめ ,可 か 观测的 てき 物体 ぶったい 都 と 不能 ふのう 加速 かそく 至 いたり 相 しょう 对论效 こう 应明显的速度 そくど 。能 のう 以那样高的 てき 速度 そくど 运动的 てき 物体 ぶったい 只 ただ 有原 ありはら 子中 こなか 的 てき 粒子 りゅうし ,但 ただし 他 た 们的大小 だいしょう 不足 ふそく 以直接 ちょくせつ 测量收 おさむ 缩的程度 ていど 。
不 ふ 过,目前 もくぜん 已 やめ 经有一些途径可以间接验证这种效应的存在:
迈克尔逊-莫雷实验 :在 ざい 狭 せま 义相对论中 ちゅう ,这个实验可 か 以这样解释:在 ざい 干涉 かんしょう 仪的静止 せいし 系 けい 中 ちゅう ,光 ひかり 在 ざい 各 かく 个方向上 こうじょう 传播时间相 しょう 同 どう 。在 ざい 干涉 かんしょう 仪运动系中 ちゅう ,纵向光 こう 束 たば 的 てき 传播路 ろ 径 みち 要 よう 比 ひ 静止 せいし 系 けい 中 ちゅう 长,其传播时间也会 かい 相 しょう 应变长,在 ざい 向 こう 前 ぜん 和 わ 反射 はんしゃ 路 ろ 径 みち 中 ちゅう ,其与横 よこ 向 むかい 光 ひかり 束 たば 传播时间需要 じゅよう 分 ぶん 别乘以L/(c-v)与 あずか L/(c+v)。因 よし 此,为使各 かく 向 こう 传播时间重 おも 新 しん 一致 いっち ,干涉 かんしょう 仪中横 よこ 向 むこう 路 ろ 径 みち 发生收 おさむ 缩。两路光 こう 束 たば 的 てき 传播速度 そくど 一致 いっち ,两个垂直 すいちょく 臂 ひじ 的 てき 总时间与其运动方向 ほうこう 无关。
对μ みゅー 子 こ 在 ざい 大 だい 气层中 ちゅう 传播过程的 てき 解 かい 释
快 こころよ μ みゅー 子 こ 的 てき 活 かつ 动范围要比 ひ 慢μ みゅー 子 こ 大 だい 得 とく 多 た 。在 ざい 地球 ちきゅう 固 かた 联系中 ちゅう ,大 だい 气层厚 あつ 度 たび 保持 ほじ 原 げん 长。μ みゅー 子 こ 寿命 じゅみょう 增 ぞう 长可以通过时间膨胀解释。然 しか 而在,缪子静止 せいし 系 けい 中 ちゅう ,其寿命 いのち 并没有 ゆう 改 あらため 变,但 ただし 大 だい 气层厚 あつ 度 たび 收 おさむ 缩以致μ みゅー 子 こ 能 のう 够到达地球 ちきゅう 表面 ひょうめん 。[12]
重 じゅう 离子静止 せいし 时会是 ぜ 球形 きゅうけい ,而在以接近 せっきん 光速 こうそく 的 てき 速度 そくど 运动时则会 かい 变成盘形。粒子 りゅうし 碰撞的 てき 部分 ぶぶん 实验结果只 ただ 能 のう 通 どおり 过由长度收 おさむ 缩引起 おこり 的 てき 核 かく 子 こ 密度 みつど 增大 ぞうだい 解 かい 释。[13] [14] [15]
高速 こうそく 运动的 てき 带电粒子 りゅうし 电离能力 のうりょく 较强。经典物理 ぶつり 学 がく 的 てき 结果却与之 の 相反 あいはん ,因 いん 为运动的电离粒子 りゅうし 会 かい 与 あずか 其他原子 げんし 电子相互 そうご 作用 さよう 的 てき 过程会 かい 占 うらない 去 さ 部分 ぶぶん 时间。在 ざい 相 あい 对论中 ちゅう ,则可以通过静电场发生的 てき 长度收 おさむ 缩导致其在 ざい 传播方 かた 向上 こうじょう 电场增强 ぞうきょう 解 かい 释。[12] [16]
在 ざい 同 どう 步 ふ 加速器 かそくき 以及自由 じゆう 电子激 げき 光 こう 器 き 中 なか ,高速 こうそく 电子会 かい 被 ひ 注入 ちゅうにゅう 波 なみ 荡器中 ちゅう 以产生 せい 同 どう 步 ふ 辐射 。在 ざい 电子静止 せいし 系 けい 中 ちゅう ,波 なみ 荡器的 てき 长度会 かい 收 おさむ 缩易产生更 さら 高 だか 频率的 てき 辐射。除 じょ 此之外 がい ,为了达到实验室 しつ 系 けい 中 ちゅう 测到的 てき 频率,人 にん 们可以应用 よう 相對 そうたい 論 ろん 性 せい 多 た 普 ふ 勒效應 おう 。波 なみ 荡器所 しょ 能 のう 产生的 てき 极高频率辐射只 ただ 能 のう 通 どおり 过长度 ど 收 おさむ 缩以及相对论性 せい 多 た 普 ふ 勒效应得到 いた 。[17] [18]
实在性 せい [ 编辑 ]
爱因斯坦思想 しそう 实验的 てき 闵可夫 おっと 斯基图示:两根原 げん 长为
A
′
B
′
=
A
″
B
″
=
L
0
{\displaystyle A'B'=A''B''=L_{0}}
的 てき 长棒以0.6c的 てき 速 そく 率 りつ 相 しょう 向 こう 运动,造成 ぞうせい
A
∗
B
∗
<
L
0
{\displaystyle A^{\ast }B^{\ast }<L_{0}}
。
1911年 ねん ,弗 どる 拉 ひしげ 基 もと 米 まい 尔·瓦 かわら 里 さと 恰克(Vladimir Varićak )提出 ていしゅつ 如果利用 りよう 洛 らく 伦兹的 てき 理 り 论,长度收 おさむ 缩是一 いち 种“客 きゃく 观”现象;而如果 はて 依 よ 据 すえ 爱因斯坦的 てき 理 り 论,其则为“表 おもて 观的或 ある 主 しゅ 观的”现象。[19] 爱因斯坦就此回 かい 应道[20] [21] :
这位作者 さくしゃ 不正 ふせい 确地表 ひょう 述 じゅつ 了 りょう 洛 らく 伦兹关于物 ぶつ 理事 りじ 实的理解 りかい 和 わ 我 が 的 てき 理解 りかい 之 の 间的差 さ 别,关于洛 らく 仑兹是 ぜ 不 ふ 是 ぜ 真 ま 实的问题,会 かい 把 わ 人 じん 引入歧途。只 ただ 要 よう 这种收 おさむ 缩对于一个随之运动的观察者是不存在的,那 な 它就的 てき 确是不 ふ “真 ま 实的”;但 ただし 是 ぜ ,从它对於一 いち 个不随 ふずい 之 の 运动的 てき 观察者 しゃ 在原 ありはら 则上可 か 以用物理 ぶつり 方法 ほうほう 加 か 以证明 あかり 这一 いち 点 てん 来 らい 说,它是“真 ま 实的”。
爱因斯坦认为长度收 おさむ 缩并不 ふ 是 ぜ 依 よ 照 あきら 测量过程随意 ずいい 定 てい 义的。他 た 在 ざい 那 な 篇 へん 文章 ぶんしょう 中 ちゅう 还提出 ていしゅつ 了 りょう 一 いち 个思想 しそう 实验:设A'B'与 あずか A"B"是 ぜ 两根原 げん 长相等 とう 的 てき 长棒的 てき 端点 たんてん 。让它们以相 しょう 同 どう 速 そく 率 りつ (相 あい 对于静止 せいし 的 てき x轴)相 あい 向 こう 运动。A'A"相 しょう 遇 ぐう 于A*,B'B"相 しょう 遇 ぐう 于B*。A*B*的 てき 长度要 よう 比 ひ A'B'及A"B"短 たん 。当 とう 其中一根长棒相对于x轴静止 せいし 时,也会发生类似的 てき 现象。[20]
相 あい 关悖论[ 编辑 ]
粗略 そりゃく 使用 しよう 收 おさむ 缩方程 ほど 会 かい 产生“梯子 はしご 悖 もと 论 ”以及“贝尔飞船悖 もと 论 ”这些悖论,但 ただし 这些悖论只需修正 しゅうせい 其中同 どう 时的概念 がいねん 就足以解决。埃 ほこり 伦费斯特悖 もと 论是 ぜ 有 ゆう 关长度 ど 收 おさむ 缩比较重要 じゅうよう 的 てき 悖 もと 论。它证明 あきら 刚体 的 てき 概念 がいねん 与 あずか 相 あい 对论并不兼 けん 容 よう ,降 くだ 低 てい 了 りょう 玻恩刚性理 り 论 的 てき 可用性 かようせい ,并展示 てんじ 了 りょう 与 あずか 物体 ぶったい 一起转动的观察者所看到的现象需要用非 ひ 欧 おう 几何 描述。
视觉效 こう 应 [ 编辑 ]
长度收 おさむ 缩涉及到在 ざい 一个坐标系内同时测量多个位置。这意味 いみ 着 ぎ 如果可 か 以拍到 いた 快速 かいそく 移 うつり 动的物体 ぶったい ,那 な 么这张照片 へん 也许可 か 以反映 はんえい 物体 ぶったい 在 ざい 其运动方向上 こうじょう 的 てき 收 おさむ 缩。不 ふ 过由于相片 へん 是 ぜ 在 ざい 侧面拍 はく 摄的,这样的 てき 视觉效 こう 应就与长度收 おさむ 缩是另一 いち 回 かい 事 ごと 了 りょう 。因 よし 为长度 ど 收 おさむ 缩只能 のう 通 どおり 过物体 ぶったい 的 てき 端点 たんてん 直接 ちょくせつ 测量。罗杰·彭罗斯 与 あずか 詹姆斯·特 とく 雷 かみなり 尔等人 じん 都 と 曾注意 ちゅうい 到 いた 照 あきら 片 かた 并不能 ふのう 展示 てんじ 运动物体 ぶったい 的 てき 长度收 おさむ 缩。[22] 比 ひ 方 かた 说,当 とう 角 すみ 直径 ちょっけい 较小时,一个运动的球体侧面看仍会是圆形,不 ふ 过看起 おこり 来会 らいかい 像 ぞう 是 ぜ 在 ざい 转动。[23] 这种转动视觉效 こう 应称作 さく 彭罗斯-特 とく 雷 かみなり 尔转动。[24]
通 つう 过洛伦兹变换[ 编辑 ]
长度收 おさむ 缩可以通过洛伦兹变换推导:
x
′
=
γ がんま
(
x
−
v
t
)
,
t
′
=
γ がんま
(
t
−
v
x
/
c
2
)
.
{\displaystyle {\begin{aligned}x'&=\gamma \left(x-vt\right),\\t'&=\gamma \left(t-vx/c^{2}\right).\end{aligned}}}
运动长度已 やめ 知 ち
在 ざい 惯性系 けい S中 なか ,设
x
1
{\displaystyle x_{1}}
和 わ
x
2
{\displaystyle x_{2}}
是 ぜ 运动物体 ぶったい 的 てき 两个端点 たんてん 。这里,它的长度
L
{\displaystyle L}
可 か 以根据 すえ 上述 じょうじゅつ 变换,通 つう 过在
t
1
=
t
2
{\displaystyle t_{1}=t_{2}\,}
时同时确定 てい 两个端点 たんてん 的 てき 位置 いち 测量。现在这个物体 ぶったい 在 ざい S'系 けい 中 ちゅう 的 てき 原 げん 长可以通过洛伦兹变换计算。自 じ S到 いた S'的 てき 时间坐标变换会导致时间不同 ふどう ,但 ただし 这并不 ふ 影 かげ 响推导,因 いん 为物体 ぶったい 在 ざい S'系 けい 中 ちゅう 是 ぜ 静止 せいし 的 てき 。因 よし 此,这里只 ただ 需要 じゅよう 考 こう 虑空间坐标的变换:[6]
x
1
′
=
γ がんま
(
x
1
−
v
t
1
)
{\displaystyle x'_{1}=\gamma \left(x_{1}-vt_{1}\right)}
以及
x
2
′
=
γ がんま
(
x
2
−
v
t
2
)
{\displaystyle x'_{2}=\gamma \left(x_{2}-vt_{2}\right)}
。
由 よし 于
t
1
=
t
2
{\displaystyle t_{1}=t_{2}\,}
,那 な 么设
L
=
x
2
−
x
1
{\displaystyle L=x_{2}-x_{1}}
,
L
0
′
=
x
2
′
−
x
1
′
{\displaystyle L_{0}^{'}=x_{2}^{'}-x_{1}^{'}}
,S'中 ちゅう 的 てき 原 げん 长为:
L
0
′
=
L
⋅
γ がんま
.
(1)
{\displaystyle L_{0}^{'}=L\cdot \gamma .\qquad \qquad {\text{(1)}}}
此时S中 なか 的 てき 测量长度为:
L
=
L
0
′
/
γ がんま
.
(2)
{\displaystyle L=L_{0}^{'}/\gamma .\qquad \qquad {\text{(2)}}}
依 よ 据 すえ 相 しょう 对性原理 げんり ,S中 ちゅう 静止 せいし 的 てき 物体 ぶったい 在 ざい S'中 ちゅう 同 どう 样也会 かい 发生长度收 おさむ 缩。当 とう 改 あらため 变改变符号 ごう 和 わ 对换表示 ひょうじ 后 きさき :
L
0
=
L
′
⋅
γ がんま
.
(3)
{\displaystyle L_{0}=L'\cdot \gamma .\qquad \qquad {\text{(3)}}}
此时,S'中 ちゅう 测到的 てき 收 おさむ 缩后的 てき 长度为:
L
′
=
L
0
/
γ がんま
.
(4)
{\displaystyle L'=L_{0}/\gamma .\qquad \qquad {\text{(4)}}}
原 はら 长已知 ち
反 はん 之 これ ,如果物体 ぶったい 在 ざい S系 けい 中 ちゅう 静止 せいし ,且原长已知 ち 。由 よし 于物体 ぶったい 的 てき 位置 いち 会 かい 时时发生变化,在 ざい S'中 ちゅう 就要同 どう 时确定 てい 物体 ぶったい 两个端点 たんてん 的 てき 位置 いち 。因 よし 此,时空坐 すわ 标要进行以下 いか 变换:[25]
x
1
′
=
γ がんま
(
x
1
−
v
t
1
)
,
x
2
′
=
γ がんま
(
x
2
−
v
t
2
)
t
1
′
=
γ がんま
(
t
1
−
v
x
1
/
c
2
)
,
t
2
′
=
γ がんま
(
t
2
−
v
x
2
/
c
2
)
.
{\displaystyle {\begin{aligned}x_{1}^{'}&=\gamma \left(x_{1}-vt_{1}\right)&\quad ,\quad &&x_{2}^{'}&=\gamma \left(x_{2}-vt_{2}\right)\\t_{1}^{'}&=\gamma \left(t_{1}-vx_{1}/c^{2}\right)&\quad ,\quad &&t_{2}^{'}&=\gamma \left(t_{2}-vx_{2}/c^{2}\right).\end{aligned}}}
当 とう
t
1
=
t
2
{\displaystyle t_{1}=t_{2}}
,
L
0
=
x
2
−
x
1
{\displaystyle L_{0}=x_{2}-x_{1}}
,非 ひ 同 どう 时距离时间差为:
Δ でるた
x
′
=
γ がんま
L
0
Δ でるた
t
′
=
γ がんま
v
L
0
/
c
2
{\displaystyle {\begin{aligned}\Delta x'&=\gamma L_{0}\\\Delta t'&=\gamma vL_{0}/c^{2}\end{aligned}}}
为了得 え 到 いた 端 はし 点在 てんざい 同 どう 一 いち 时刻的 てき 位置 いち ,距离可 か 以这样求得 とく :
L
′
=
Δ でるた
x
′
−
v
Δ でるた
t
′
=
γ がんま
L
0
−
γ がんま
v
2
L
0
/
c
2
=
L
0
/
γ がんま
{\displaystyle {\begin{aligned}L'&=\Delta x'-v\Delta t'\\&=\gamma L_{0}-\gamma v^{2}L_{0}/c^{2}\\&=L_{0}/\gamma \end{aligned}}}
由 よし 此得到 いた 收 おさむ 缩后的 てき 长度。类似地 ち ,当 とう 物体 ぶったい 在 ざい S'中 ちゅう 静止 せいし 时,对应的 てき 收 おさむ 缩后的 てき 长度为:
L
=
L
0
′
/
γ がんま
{\displaystyle L=L_{0}^{'}/\gamma }
.
通 つう 过时间膨胀[ 编辑 ]
长度收 おさむ 缩也能 のう 通 どおり 过时间膨胀 推导[26] 。思 おもえ 路 ろ 与 あずか 前文 ぜんぶん (“相 あい 对论基 もと 础”)基本 きほん 一致 いっち 。时钟运动时间
T
{\displaystyle T}
与 あずか 其原 そのはら 时
T
0
{\displaystyle T_{0}}
满足:
T
=
T
0
⋅
γ がんま
{\displaystyle T=T_{0}\cdot \gamma }
设一根原 ねばら 长为
L
0
{\displaystyle L_{0}}
的 てき 长棒在 ざい S系 けい 中 ちゅう 静止 せいし ,而时钟在S'系 けい 中 ちゅう 静止 せいし 。在 ざい S系 けい 中 ちゅう ,时钟在 ざい 长棒从一个端点到另一个端点的运动时间为
T
=
L
0
/
v
{\displaystyle T=L_{0}/v}
,在 ざい S'系 けい 中 ちゅう 则为
T
0
′
=
L
′
/
v
{\displaystyle T'_{0}=L'/v}
。因 よし 此
L
0
=
T
v
{\displaystyle L_{0}=Tv}
,而
L
′
=
T
0
′
v
{\displaystyle L'=T'_{0}v}
。通 つう 过插入 そうにゅう 时间膨胀方 かた 程 ほど ,长度之 の 间的比 ひ 值为:
L
′
L
0
=
T
0
′
v
T
v
=
1
/
γ がんま
{\displaystyle {\frac {L'}{L_{0}}}={\frac {T'_{0}v}{Tv}}=1/\gamma }
.
因 いん 此,在 ざい S'系 けい 中 ちゅう 测得的 てき 长度为:
L
′
=
L
0
/
γ がんま
{\displaystyle L'=L_{0}/\gamma }
.
也就是 ぜ 说,时钟在 ざい S系 けい 中 ちゅう 的 てき 运动时间要 よう 比 ひ 在 ざい S'中 ちゅう 长(S系 けい 中 ちゅう 的 てき 时间膨胀效 こう 应),对应地 ち ,长棒在 ざい S系 けい 中 ちゅう 的 てき 长度也就比 ひ S'中 ちゅう 的 てき 长(S'系 けい 中 ちゅう 的 てき 长度收 おさむ 缩效应)。类似地 ち ,如果时钟和 わ 长棒分 ぶん 别在S和 わ S'中 ちゅう 静止 せいし ,对应的 てき 结果则为:
L
=
L
0
′
/
γ がんま
{\displaystyle L=L'_{0}/\gamma }
.
几何方法 ほうほう [ 编辑 ]
欧 おう 几里得 とく 时空和 わ 闵科夫 おっと 斯基时空中 ちゅう 的 てき 长方体 ほうたい
除 じょ 了 りょう 上述 じょうじゅつ 两种方法 ほうほう ,还可通 どおり 过不同 どう 空 そら 间中的 てき 三角法来解释长度收缩。
右 みぎ 图的左 ひだり 侧展示 てんじ 了 りょう 一个在三维欧几里得空间 E 3 内 うち 旋转的 てき 长方体 たい 。旋转方 かた 向上 こうじょう 的 てき 截面要 よう 比 ひ 旋转前 ぜん 长。右 みぎ 侧则是 ぜ 单个空 そら 间维度 ど 发生收 おさむ 缩的闵科夫 おっと 斯基时空E 1,2 中 なか 的 てき 运动薄板 うすいた 。直 ちょく 线变换方向上 こうじょう 的 てき 截面要 よう 比 ひ 变换前 ぜん 窄。在 ざい 两种情 じょう 形 がた 中 ちゅう ,纵向并没有 ゆう 受到影 かげ 响而三个平面在长方体的各个顶点 上 うえ 都 と 是 ぜ 彼此 ひし 正 せい 交的。
在 ざい 狭 せま 义相对论中 ちゅう ,庞加莱变换 是 ぜ 一 いち 种仿射变换 。其是依 よ 据 すえ 惯性系 けい 状 じょう 态以及不同 ふどう 的 てき 原点 げんてん 选择不同 ふどう 的 てき 描述闵可夫 おっと 斯基时空的 てき 直角 ちょっかく 坐 すわ 标系。洛 らく 伦兹变换是 ぜ 一 いち 种线性 庞加莱变换。对闵可 か 夫 おっと 斯基时空进行洛 らく 仑兹变换(洛 らく 伦兹群 ぐん 是 ぜ 等 とう 距同构群的 てき 迷向子 こ 群 ぐん (isotropy subgroup))与 あずか 对欧几里德 とく 空 そら 间金星 ぼし 旋转变换的 てき 作用 さよう 类似。狭 せま 义相对论中有 ちゅうう 很大一部分是对闵可夫斯基时空中非欧三角法则的研究。
三 さん 种平面 めん 三角 さんかく 法 ほう
三角 さんかく 法 ほう
圆
抛 ほう 物 もの 线
双 そう 曲 きょく 线
克 かつ 莱因几何
欧 おう 几里得 とく 平面 へいめん
伽 とぎ 利 り 略 りゃく 平面 へいめん
闵科夫 おっと 斯基平面 へいめん
符号 ふごう
E 2
E 0,1
E 1,1
二 に 次 じ 型 がた
正 せい 有限 ゆうげん
退化 たいか
非 ひ 退化 たいか 但 ただし 无限
等 とう 距同构群
E (2)
E (0,1)
E (1,1)
各 かく 向 こう 同性 どうせい 群 ぐん
SO (2)
SO (0,1)
SO (1,1)
各 かく 向 こう 同性 どうせい 类
旋转
错切
平 ひら 移 うつり
凯莱代数 だいすう
复数
二元 にげん 数 すう
雙 そう 曲 きょく 複數 ふくすう
ε いぷしろん 2
-1
0
1
时空解 かい 释
无
牛 うし 顿时空 むなし
闵科夫 おっと 斯基时空
斜 はす 率 りつ
tan φ ふぁい = m
tanp φ ふぁい = u
tanh φ ふぁい = v
余弦 よげん
cos φ ふぁい = (1+m2 )−1/2
cosp φ ふぁい = 1
cosh φ ふぁい = (1-v2 )−1/2
正弦 せいげん
sin φ ふぁい = m (1+m2 )−1/2
sinp φ ふぁい = u
sinh φ ふぁい = v (1-v2 )−1/2
正 せい 割 わり
sec φ ふぁい = (1+m2 )1/2
secp φ ふぁい = 1
sech φ ふぁい = (1-v2 )1/2
余 よ 割 わり
csc φ ふぁい = m−1 (1+m2 )1/2
cscp φ ふぁい = u−1
csch φ ふぁい = v−1 (1-v2 )1/2
参考 さんこう 文献 ぶんけん [ 编辑 ]
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外部 がいぶ 链接[ 编辑 ]