长度おさむ

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重定しげさだこうせき缩效应

长度おさむまたたたえらく伦兹おさむあるらく伦兹-茲傑おさむゆび观察しゃざい观察与其相对速度そくどれいてき物体ぶったい时看いたてき长度变小てき现象。这种现象通常つうじょうただざいあい速度そくど接近せっきん光速こうそく时才かい较明显。并且ただゆうざいあずか物体ぶったい运动平行へいこうてき方向ほうこうじょう才能さいのう观察到长度おさむ缩。

对于つね见物たいざい其以つね速度そくど运动时,这种こう应可以忽りゃくただゆうざい其运动速度そくどあし够大,あるざい电子运动ちゅうこう虑这种现ぞうざい较为有意ゆうい义。とうあい速度そくど13400000 m/s(0.0447c)时,おさむ缩后てき长度为静止せいし长度てき99.9%。而当しょう速度そくど增大ぞうだいいた42300000 m/s(0.141c),おさむ缩后てき长度仍为静止せいし长度てき99%。ずい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。这种こう应可以用下面かめん这个かたほど描述:

其中

L0物体ぶったいてき固有こゆう长度えいproper length物体ぶったいざいあずか其相对静止せいしてき参考さんこうけいちゅうてき长度),
L观察しゃ观察到てき物体ぶったいてき长度,
v观察しゃあずか运动物体ぶったい间的しょう速度そくど
c光速こうそく

γがんま(v)则是らく仑兹因子いんしてい义为:

ざい这个かたほどちゅう物体ぶったいてき长度しょ沿方向ほうこうあずか物体ぶったい运动方向ほうこう平行へいこう。观察しゃ需要じゅようどう时测りょう其与物体ぶったい两端てき距离しかきさきしょう减来いた物体ぶったいてき长度。とうあい速度そくど趋近光速こうそく时,物体ぶったいざい对应かた向上こうじょうてき长度かい变为れいさら普遍ふへんてき变换请参见らく仑兹变换

历史[编辑]

长度おさむ缩由乔治·斐兹杰惹あずかとおるとくさとかつ·らく伦兹さききさき于1889ねんあずか1892ねん提出ていしゅつ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かりえいLorentz ether theoryてき撼动。[1][2]つきかん斐兹杰惹与らく仑兹ひっさげいたりょうせい电场ざい运动时发せい变形てき现象(“维赛椭圆”,おくとしどる·维赛もと于电磁理论于1888ねん提出ていしゅつ),ただし们认为这ただ特例とくれいじょうよし为当时并ぼつゆう充足じゅうそくてき论证实分子ぶんし间的作用さようりょくかい完全かんぜんあきら电磁作用さよう规律。1897ねん约瑟おっと·ひしげ莫尔提出ていしゅつりょう一种可以将电磁作用视为所有力起源的理论。长度おさむ缩是这一模型もけいてき直接ちょくせつ推论。とおる·庞加莱ざい1905ねん提出ていしゅつ,电子てき稳定せい不能ふのう单单どおり过电磁作よう就能いたかい释。所以ゆえん引入りょう另一个特例假设:长度おさむ缩可以通过保证电稳定性的せいてき电约たばりょくいた动力がくかい释。并且这种りょく还可以掩盖静止せいし以太てき运动。[3]

1905ねんおもね尔伯とく·爱因斯坦くび[3]うつりょう长度おさむ缩中所有しょゆう特例とくれいかり设因もと展示てんじりょう这种现象并不需要じゅよう以太かり设,而是以通过せま义相对论いたかい释。[4]爱因斯坦てき论后らいいたりょう赫尔曼·闵可おっと斯基てきかんぜんどおり过引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]

あい对论もと[编辑]

长度おさむ缩:さん个蓝ぼうざいSけいちゅう静止せいしさん个红ぼう则在S'けいちゅうざい这个れい子中こなか,两列てき左端ひだりはしてんADざいx轴上あずかどういち位置いちぼうてき长度以比较的。ざいSけいちゅうどういち时刻,AあずかC间的距离ようDあずかF间的远。ざいS'けいちゅう则恰こう相反あいはん

くびさき需要じゅようこう虑的问题测量静止せいしあずか运动物体ぶったい长度てき方法ほうほう[6]这里てき物体ぶったいただゆびよしいち系列けいれつ互相静止せいし換言かんげん,它们ざいどう个惯せいけいちゅうかい保持ほじ静止せいしてきてん构成てきいちだん线。如果观察しゃあずか物体ぶったい间的しょう速度そくど为零,物体ぶったいてきげんよう测量ぼう就可以直接ちょくせつ测定。とうあい速度そくどだい于零时,测量以这样进ぎょう

观察しゃ设置一列经过同步的时钟。どう以这样完成かんせい

  1. 使用しよう爱因斯坦どう步法ほほうえいEinstein synchronization交换こう信号しんごう
  2. 使用しよう“慢时钟输运”ほう,也就ざい消失しょうしつ输运速度そくど范围ないvanishing transport velocityざい时钟间传递一个时钟。

とうどう过程完成かんせいきさき物体ぶったいどおり过时钟列,まい个时钟记录下左右さゆう两个端点たんてんどおり过的确切时间。ざい这之きさき,观察しゃただ需去记录物体ぶったいひだり端点たんてんどおり过时间的时钟Aてき位置いち,以及どう一时刻物体右端点经过的时钟Bてき位置いちそく。A、B两点てき距离与物体ぶったい此时长度 相等そうとう[6]とう使用しよう这种方法ほうほう时,どう时性(simultaneityてきてい义就显得ゆう重要じゅうよう

另一种方法是使用可以显示其はらてき时钟,让其ざい物体ぶったい静止せいしけい内在ないざい时间うち使用しよう时钟本身ほんみ测量)物体ぶったい一点运动到另一点。物体ぶったいてき长度以通过时钟的运动与速度そくど相乘そうじょうもとめそく物体ぶったい静止せいしけいある(时钟静止せいしけい)。[7]

ざいうし顿力がくちゅうどう时性あずか时间绝对てきいん而两种方ほうさい终得いたてき结论かいあずか相等そうとうざいあい对论ちゅうよし所有しょゆう惯性けいちゅう光速こうそく变推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りょう这个等式とうしきとうさいようだいいち种方ほう时,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,其他惯性けいちゅうてき观察しゃかい认为测量并不どう完成かんせいてきとうさいようだい种方ほう时,ゆかり于时间膨胀效应,あずか并不相等そうとう,这会导致现长不等ふとうてきじょう况。

所有しょゆう惯性けいちゅう测量方式ほうしき以通过らく伦兹变换以及时间膨胀推导。さい终结はて显示,物体ぶったいてきげん保持ほじ变,且是物体ぶったいてき最大さいだい长度,也就说在其他惯性けいちゅうどう一物体的长度都比原长小。这种おさむ缩只かいざい物体ぶったい运动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しきしょしめせ

磁作よう[编辑]

ざい电子しょう原子核げんしかく运动过程ちゅう,受到しょう对论おさむ缩效应的かげ响会产生磁作よう。载流线圈附近ふきんてき运动电荷しょ受到てき磁作よう就是よし电子あずか质子间相对运动造成ぞうせいてき[8][9]

1820ねん安德あんとくれつ-马里·やすつちかえ展示てんじ通有つうゆうどうこう电流てき平行へいこう线圈かい彼此ひし吸引きゅういん。对于电子而言,线圈かいりゃくほろおさむ缩,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,ただし们并かい产生同等どうとうおさむ缩。这造成ぞうせい电子あずか质子产生りょう视在局部きょくぶひとし,此时发生较大おさむ缩线けんちゅうてき电子就会受另一线圈中多余质子的吸引。はんこれまたしかざい质子静止せいし参考さんこうけいちゅう,电子かい运动并收缩,也会产生どう样的平衡へいこう。虽然电子てき漂移速度そくどあい对较ひく(1まい每秒まいびょうりょう级),ただし电子あずか质子间的作用さよう非常ひじょうだい,以致ざい这一较低速度そくどそう对论おさむ缩也かい引起あかり显效应。

这种こう应也以用らいかい释不带电りゅうてき磁性じせい粒子りゅうしただ需把电流がえ换成旋即[らいみなもと請求せいきゅう]

对称せい[编辑]

Sけいちゅう所有しょゆう平行へいこう于x轴的事件じけんどう时发せいてき。S'けい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どう时发せいてき
从SけいうつりいたS'けいてき长棒

あい对性原理げんりそく所有しょゆう惯性けいちゅう物理ぶつり规律具有ぐゆうしょうどう形式けいしき要求ようきゅう长度おさむ缩影视对しょうてきそく如果Sけいちゅうてき静止せいし长棒ざいS'けいちゅう发生长度おさむ缩,么S'ちゅうてき静止せいし长棒也应ざいSけいちゅう发生おさむ缩。这一点可以使用对称的闵可おっと斯基图表示ひょうじいん为几なんじょうらく伦兹变换对应四维时空中的旋转。[10][11]

ざいみぎ侧第いち张图ちゅう,如果S'けい中有ちゅうういち静止せいし长棒,且一个端点位于ct'轴且平行へいこう于x'轴。ざい这个参考さんこうけいちゅう端点たんてんどう时时てき位置いちOB,いん此原长等于OB。ざいSけいちゅうどう位置いち则是OA,いん此收缩后てき长度OA。

はんこれ,如果Sけい中有ちゅうう另一静止せいし长棒。どう样,它的一个端点位于ct轴且平行へいこう于x轴。ざい这个参考さんこうけいちゅう端点たんてんどう时时てき位置いちOD,いん此原长等于OD。ざいS'けいちゅうどう位置いち则是OC,いん此收缩后てき长度OC。

ざいみぎ侧第张图ちゅう,如果Sけい中有ちゅうう一列静止的火车,S'けい中有ちゅうう一座いちざ静止せいしてき车站。SけいあずかS'けいてきしょう速度そくど。Sけい中有ちゅうういち根原ねばらてき长棒,其在S'けいちゅうおさむ缩后てき长度为:

とう长棒从Sけいちゅうてき车中扔到S'けいちゅうてき车站并静止せいし,它的长度使用しよう上面うわつらてき方法ほうほうさいつぎ测量。现在S'ちゅう长棒げん么此时长ぼうしょう对于Sけい运动てき,其长度会わたらい发生おさむ缩:

实验验证[编辑]

にんなに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,いん为根すえしょう对性原理げんり本人ほんにん就能かん觉到自己じこあずか物体ぶったいざいどう一参考系中保持相对静止。所以ゆえん长度おさむ缩在物体ぶったい静止せいしけいちゅう不能ふのう测出,而只のうざい物体ぶったい运动けいちゅう测到。じょ此之がいそく使つかいざい拖带(non-co-moving参考さんこうけいちゅう,对于长度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てきいん为目まえてきわざ术水ひらめ观测てき物体ぶったい不能ふのう加速かそくいたりしょう对论こう应明显的速度そくどのう以那样高てき速度そくど运动てき物体ぶったいただ有原ありはら子中こなかてき粒子りゅうしただし们的大小だいしょう不足ふそく直接ちょくせつ测量おさむ缩的程度ていど

过,目前もくぜん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-莫雷实验ざいせま义相对论ちゅう,这个实验以这样解释:ざい干涉かんしょう仪的静止せいしけいちゅうひかりざいかく个方向上こうじょう传播时间しょうどうざい干涉かんしょう仪运动系ちゅう,纵向こうたばてき传播みちよう静止せいしけいちゅう长,其传播时间也かいしょう应变长,ざいこうぜん反射はんしゃみちちゅう,其与よこむかいひかりたば传播时间需要じゅようぶん别乘以L/(c-v)あずかL/(c+v)。よし此,为使かくこう传播时间おもしん一致いっち干涉かんしょう仪中よこむこうみち发生おさむ缩。两路こうたばてき传播速度そくど一致いっち,两个垂直すいちょくひじてき总时间与其运动方向ほうこう无关。

μみゅーざいだい气层ちゅう传播过程てきかい

こころよμみゅーてきかつ动范围要μみゅーだいとくざい地球ちきゅうかた联系ちゅうだい气层あつたび保持ほじげん长。μみゅー寿命じゅみょうぞう长可以通过时间膨胀解释。しか而在,缪子静止せいしけいちゅう,其寿いのち并没ゆうあらため变,ただしだい气层あつたびおさむ缩以致μみゅーのう够到达地球ちきゅう表面ひょうめん[12]

じゅう离子静止せいし时会球形きゅうけい,而在以接近せっきん光速こうそくてき速度そくど运动时则かい变成盘形。粒子りゅうし碰撞てき部分ぶぶん实验结果ただのうどおり过由长度おさむ缩引おこりてきかく密度みつど增大ぞうだいかい释。[13][14][15]

高速こうそく运动てき带电粒子りゅうし电离能力のうりょく较强。经典物理ぶつりがくてき结果却与相反あいはんいん为运动的电离粒子りゅうしかいあずか其他原子げんし电子相互そうご作用さようてき过程かいうらない部分ぶぶん时间。ざいあい对论ちゅう,则可以通过静电场发生てき长度おさむ缩导致其ざい传播かた向上こうじょう电场增强ぞうきょうかい释。[12][16]

ざいどう加速器かそくき以及自由じゆう电子げきこうなか高速こうそく电子かい注入ちゅうにゅうなみ荡器えいundulatorちゅう以产せいどう辐射ざい电子静止せいしけいちゅうなみ荡器てき长度かいおさむ缩易产生さらだか频率てき辐射。じょ此之がい,为了达到实验しつけいちゅう测到てき频率,にん们可以应よう相對そうたいろんせい勒效おうなみ荡器しょのう产生てき极高频率辐射ただのうどおり过长おさむ缩以及相对论せい勒效应得いた[17][18]

实在せい[编辑]

爱因斯坦思想しそう实验てき闵可おっと斯基图示:两根げん长为 てき长棒以0.6cてきそくりつしょうこう运动,造成ぞうせい

1911ねんどるひしげもとまい尔·かわらさと恰克(Vladimir Varićak提出ていしゅつ如果利用りようらく伦兹てき论,长度おさむ缩是いち种“きゃく观”现象;而如はてすえ爱因斯坦てき论,其则为“おもて观的あるしゅ观的”现象。[19]爱因斯坦就此かい应道[20][21]

这位作者さくしゃ不正ふせい确地ひょうじゅつりょうらく伦兹关于ぶつ理事りじ实的理解りかいてき理解りかい间的别,关于らく仑兹实的问题,かいじん引入歧途。ただよう这种おさむ缩对于一个随之运动的观察者是不存在的,它就てき确是实的”;ただし,从它对於いち不随ふずい运动てき观察しゃ在原ありはら则上以用物理ぶつり方法ほうほう以证あかりいちてんらい说,它是“实的”。

爱因斯坦认为长度おさむ缩并あきら测量过程随意ずいいてい义的。ざいへん文章ぶんしょうちゅう提出ていしゅつりょういち思想しそう实验:设A'B'あずかA"B"两根げん长相とうてき长棒てき端点たんてん。让它们以しょうどうそくりつあい对于静止せいしてきx轴)あいこう运动。A'A"しょうぐう于A*,B'B"しょうぐう于B*。A*B*てき长度ようA'B'及A"B"たんとう其中一根长棒相对于x轴静止せいし时,也会发生类似てき现象。[20]

あい关悖论[编辑]

粗略そりゃく使用しようおさむ缩方ほどかい产生“梯子はしごもとえいLadder paradox”以及“贝尔飞船もと”这些悖论,ただし这些悖论只需修正しゅうせい其中どう时的概念がいねん就足以解决。ほこり伦费斯特もとえいEhrenfest paradoxゆう关长おさむ缩比较重要じゅうようてきもと论。它证あきら刚体てき概念がいねんあずかあい对论并不けんようくだていりょう玻恩刚性えいBorn rigidityてき可用性かようせい,并展示てんじりょう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おう几何描述。

视觉こう[编辑]

长度おさむ缩涉及到ざい一个坐标系内同时测量多个位置。这意味いみ如果以拍いた快速かいそくうつり动的物体ぶったい么这张照へん也许反映はんえい物体ぶったいざい其运动方向上こうじょうてきおさむ缩。过由于相へんざい侧面はく摄的,这样てき视觉こう应就与长度おさむ缩是另いちかいごとりょうよし为长おさむ缩只のうどおり物体ぶったいてき端点たんてん直接ちょくせつ测量。罗杰·彭罗斯あずか詹姆斯·とくかみなり尔等じん注意ちゅういいたあきらかた不能ふのう展示てんじ运动物体ぶったいてき长度おさむ缩。[22]かた说,とう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,过看おこり来会らいかいぞうざい转动。[23]这种转动视觉こう应称さく彭罗斯-とくかみなり尔转动。[24]

推导[编辑]

つう过洛伦兹变换[编辑]

长度おさむ缩可以通过洛伦兹变换推导:

运动长度やめ

ざい惯性けいSなか,设运动物体ぶったいてき两个端点たんてん。这里,它的长度以根すえ上述じょうじゅつ变换,つう过在时同时确てい两个端点たんてんてき位置いち测量。现在这个物体ぶったいざいS'けいちゅうてきげん长可以通过洛伦兹变换计算。SいたS'てき时间坐标变换会导致时间不同ふどうただし这并かげ响推导,いん物体ぶったいざいS'けいちゅう静止せいしてきよし此,这里ただ需要じゅようこう虑空间坐标的变换:[6]

以及

よし么设,S'ちゅうてきげん长为:

此时Sなかてき测量长度为:

すえしょう对性原理げんり,Sちゅう静止せいしてき物体ぶったいざいS'ちゅうどう样也かい发生长度おさむ缩。とうあらため变改变符ごう对换表示ひょうじきさき

此时,S'ちゅう测到てきおさむ缩后てき长度为:

はら长已

はんこれ,如果物体ぶったいざいSけいちゅう静止せいし,且原长已よし物体ぶったいてき位置いちかい时时发生变化,ざいS'ちゅう就要どう时确てい物体ぶったい两个端点たんてんてき位置いちよし此,时空すわ标要进行以下いか变换:[25]

とうどう时距离时间差为:

为了いたはし点在てんざいどういち时刻てき位置いち,距离以这样求とく

よし此得いたおさむ缩后てき长度。类似とう物体ぶったいざいS'ちゅう静止せいし时,对应てきおさむ缩后てき长度为:

.

つう过时间膨胀[编辑]

长度おさむ缩也のうどおり时间膨胀推导[26]おもえあずか前文ぜんぶん(“あい对论もと础”)基本きほん一致いっち。时钟运动时间あずか其原そのはら满足:

设一根原ねばら长为てき长棒ざいSけいちゅう静止せいし,而时钟在S'けいちゅう静止せいしざいSけいちゅう,时钟ざい长棒从一个端点到另一个端点的运动时间为ざいS'けいちゅう则为よし,而つう插入そうにゅう时间膨胀かたほど,长度间的值为:

.

いん此,ざいS'けいちゅう测得てき长度为:

.

也就说,时钟ざいSけいちゅうてき运动时间ようざいS'ちゅう长(Sけいちゅうてき时间膨胀こう应),对应,长棒ざいSけいちゅうてき长度也就S'ちゅうてき长(S'けいちゅうてき长度おさむ缩效应)。类似,如果时钟长棒ぶん别在SS'ちゅう静止せいし,对应てき结果则为:

.

几何方法ほうほう[编辑]

おう几里とく时空闵科おっと斯基时空ちゅうてき方体ほうたい

じょりょう上述じょうじゅつ两种方法ほうほう,还可どおり过不どうそら间中てき三角法来解释长度收缩。

みぎ图的ひだり展示てんじりょう一个在三维欧几里得空间 E3うち旋转てき长方たい。旋转かた向上こうじょうてき截面よう旋转ぜん长。みぎ侧则单个そら间维发生おさむ缩的闵科おっと斯基时空E1,2なかてき运动薄板うすいたちょく线变换方向上こうじょうてき截面よう变换ぜん窄。ざい两种じょうがたちゅう,纵向并没ゆう受到かげ响而三个平面在长方体的各个顶点うえ彼此ひしせい交的。

ざいせま义相对论ちゅう庞加莱变换いち仿射变换。其是すえ惯性けいじょう态以及不同ふどうてき原点げんてん选择不同ふどうてき描述闵可おっと斯基时空てき直角ちょっかくすわ标系。らく伦兹变换いち线性庞加莱变换。对闵おっと斯基时空进行らく仑兹变换(らく伦兹ぐんとう距同构群てき迷向ぐん(isotropy subgroup))あずか对欧几里とくそら间金ぼし旋转变换てき作用さよう类似。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。

さん种平めん三角さんかくほう
三角さんかくほう ほうもの线 そうきょく线
かつ莱因几何 おう几里とく平面へいめん とぎりゃく平面へいめん 闵科おっと斯基平面へいめん
符号ふごう E2 E0,1 E1,1
がた せい有限ゆうげん 退化たいか 退化たいかただし无限
とう距同构群 E(2) E(0,1) E(1,1)
かくこう同性どうせいぐん SO(2) SO(0,1) SO(1,1)
かくこう同性どうせい 旋转 错切 ひらうつり
凯莱代数だいすうえいCayley algebra 复数 二元にげんすう そうきょく複數ふくすう
εいぷしろん2 -1 0 1
时空かい うし顿时むなし 闵科おっと斯基时空
はすりつ 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
せいわり sec φふぁい = (1+m2)1/2 secp φふぁい = 1 sech φふぁい = (1-v2)1/2
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

另见[编辑]

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]

  • Physics FAQ