时间和空间相对性.pptx

时间和空间相对性
第十五章 相对论简介
时间和空间的相对性
教学目标
一、知识与技能
〔1〕同时的相对性
〔2〕运动长度的收缩
〔3〕时间间隔的相对
〔4〕了解时空相对性的验证
〔5〕
二、长度的相对性
v
车上的人看到的车厢的长度：
车外的人看到的车厢的长度：
注意：
长度缩短效应只发生在相对运动的方向上。如上例中的 X 轴方向上，在Y 轴方向上无长度缩短效应。
动尺变短〔空间收缩效应〕
S′
O′
X ′
Y′
O
S
X
Y
●
一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比、杆静止时的长度小。
斐克小伙剑术精，
出刺迅捷如流星，
由于空间收缩性，
长剑变成小铁钉.
结论
伽莫夫的著名科普读物?物理世界的奇遇?：该城市里的光速异乎寻常地小，当他骑自行车高速行驶时，发现周围的一切如图中一样的变扁了。
三、时间间隔的相对性
a图以车上的人作为参考系
A
B
推导过程
h
h
△t＇=2h/c
b图以站台上的人作为参考系
A
D
A′
C
推导过程
ACA＇=c△t
由a图得出△t＇=2h/c
由b图得出ACA＇=c△t
以上面两式消去h可得：
因为v<c，所以总有△t>△t＇
上面的推导公式说明在地面上观测，火车上的时间进程变慢了，车上的一切物理过程、化学过程和生命过程都变慢了：时钟走得慢了，人的心脏跳动、呼吸、消化、思维活动和一切生理过程都变慢了……这就是时间间隔的相对性，也称为“时间膨胀〞或“钟慢效应〞。
我们设想甲、乙是一对孪生弟兄。他们方案做一次高速飞船旅行，来检验一下狭义相对论。甲留在发射基地，乙周游天外。当飞船再度回到基地时，是甲比乙年轻，还是乙比甲年轻？
甲
乙
事例1
这里有两种答案：〔1〕甲看乙船上的钟变慢了，所以，甲说乙应该比他更年轻一些。〔2〕乙也看到基地的钟变慢了，所以乙说甲应该比他更年轻些。这是个有名的疑难，叫“双生子佯谬〞。
甲
乙
问题的关键是乙要回到出发点。乙的飞行路线必然是有来有去，或者是转一个圈子。因此，在甲看来，乙是在做有速度变化的运动，在乙看来，甲相对于他也在做变速运动。
按照运动钟变慢的理论，甲看乙钟变慢，乙看甲钟变慢这种对称性，只有当甲和乙的相对运动速度不变时，才能保持。或者说，只有互相作匀速直线运动的两个惯性参考系， 互相之间才是等价的。一旦出现了变速的相对运动，就不能使用这种对称性了。
甲和乙都生活在宇宙间。他们周围还有大量天体。因此，双生子问题中有三个因素：甲、乙和他们周围的宇宙，如果甲留在基地上，他相对于大量天体并没有做变速运动。在甲看来，只有乙在做变速运动。在乙看来，情况与甲不同。他不但看到甲在做变速运动,而且整个宇宙都在做变速运动。一边是整个周围的宇宙，一边只是一个飞船，这是明显的不对称性。所以由对称性引起的两难是不存在的。
那么，到底谁年轻呢？
四、时空相对性的验证
1966年，真的做了一次双生子旅游实验，用来判断到底那个寿命长，同时也一劳永逸地结束了纯理论的争论。不过旅游的不是人，仍然是μ子。旅途也不在天外，而是一个直径大约为十四米的圆环。μ子 从一点出发沿着圆轨道运动再回到出发点，这同乙的旅行方式是一样的。实验的结果是，旅行后的μ子确实比未经旅行的同类年轻了。
我们似乎可以这样作结论了：谁相对于整个宇宙做更多的变速运动，谁就会活得更长久。佯谬也就不存在了。
实验一
1971年铯原子钟实验
将铯原子钟放在飞机上，沿赤道向东和向西绕地球一周，回到原处后，分别比静止在地面上的钟慢59纳秒和快273纳秒。
实验二
地球以一定的角速度向东转，地面不是惯性系，而从地心指向太阳的参考系是惯性系〔忽略地球公转〕。飞机的速度总小于地球自转速度，所以无论飞机向东还是向西，它相对于惯性系都是向东，只是前者速度大，后者小。而地面上的钟的转速度介于二者之间。
这暗示着，人要活得更长久，应该不断地向东飞去，使得地球的转动速度叠加上飞机的速度。
上述实验说明，相对于惯性系转速越大的钟走得越慢。这和孪生子问题所预期的效应是一致的。所以似也不应再说：“孪生子佯谬〞，而应是孪生子效应了。
然而人们所获得的比一秒还短得多的生命延长，远远不及劣质飞机餐对健康的残害！
——霍金?时间简史?
这暗示着，人要活得更长久，应该不断地向东飞去，使得地球的转动速度叠加