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运动的时钟变慢?——带你走进相对论

2017-05-09 09:34:58   标签:相对论 时钟    来源:
运动的时钟会变慢?运动的尺子会缩短?我完全不能想象,这是颠覆人们正常的认知啊!
  前言
 
  犹记得在高中上物理课的时候,那本书应该大多数讲的是近代物理的内容,当讲到相对论的时候,我完全被惊呆了,当时想着,这是什么鬼?运动的时钟会变慢?运动的尺子会缩短?我完全不能想象,这是颠覆人们正常的认知啊!
运动的时钟变慢?——带你走进相对论
 
  由于看了许多关于这方面的科普书籍,也看了一些大学物理的MOOC视频,对狭义相对论有了一个初步的认识,弄清楚了一些以前糊涂的事情,在这里为大家科普一下,希望能够增加一下对相对论的认识。
 
  带着疑问学习
 
  带着一个疑问去学习或是了解知识,就像怀着目的去逛街,会让你事半功倍。所以我们提出一个大多数人都不解的问题:为什么运动的时钟会变慢?
 
  一些简单的概念
 
  绝对时空观的观点
 
  长度、时间、质量都与运动无关,是不变的量。
 
  举个例子:比如一个车子从你面前经过,车里里面的人看尺子是多长,你在路上看尺子就是多长。
 
  狭义相对论的两个基本原理
 
  一切物理规律在所有参考系中都具有相同形式
 
  光速不变原理(真空中的光速在任何参考系中均为同一常量c)
 
  解释一下第一点,即你在静止时(相对地球)所感受到的物理规律是和在匀速运动时感受到的是相同的。比如说:在地面上,你向上抛一个小球,然后小球会落下回到你手上。在匀速运动的火车中也一样,小球的运动规律不会有任何变化。
 
  第二点是由麦克斯韦方程推导而来。记住,这是相对论的前提,而不是相对论推导出来的。
 
  运动的时间变慢
 
  假设有一辆高速行驶的汽车,在汽车中间两面镜子,分别在汽车的底部与顶部。如图所示:
 
  视角:车上的人
 
  当你在车上看一束光从底下向上射出,然后再反射回到底部,这个过程中,假设时间过了10秒钟(假设车子非常高,高到你想象不出)。
 
  然后另外一个人,在地面上看这辆车移动:
 
  视角:地面的人
 
  图中是画的车子移动的轨迹,中间的是光的轨迹。右边的时钟是15秒钟(多少秒是我瞎编的,不过肯定是超过车上的人的时间)。
 
  我们可以看到,光不再是沿竖直方向来回反射了,而是呈现一个倒V形状,这说明什么呢???
 
  说明光在地面的人看来,走过的路程变长了!不信的话你可以拿尺子量量屏幕,就知道我有没有骗你了。
 
  根据光速不变原理,光的速度还是c(在车上看也是c),但是走过的路程相对于在车上看是变长了,所以光从底部到顶部再回到底部,所花的时间也自然变长了。也就得出了运动的时钟变慢。
 
  所以通过上面的例子,我们可以从光速不变原理直接推导出这个现象,运动的时钟会变慢。并且速度越快,变慢的效应越明显。
 
  所以如果你乘坐接近光速的宇宙飞船在太空航行,说不定你回到地球的时候已经过了几百年了,而你自己才感觉过了一年。
 
  相对论为什么叫相对论?因为就是在描述时间的相对性和空间的相对性。地面上的人的时间与空间和在车上的人的时间与空间是相对的,而不是一样的!
 
  生活中真实的例子
 
  上面车子的例子是为了让大家知道为什么运动的时钟会变慢,但是这个实验室无法实现的,因为我们的汽车无法达到这么高的速度。
 
  让我们来看一个真实的例子:
 
  为了科普起见,就简单的说一下了,μ粒子是一种物理粒子,寿命是超级短,在大气层上部产生,速度是0.998c(c是光速)。如果不考虑时钟变慢效应,那么μ粒子平均能走660米,然后就挂了。但实际上大部分μ子都能穿透大气层到达底部。μ子以0.998c运动,寿命是静止寿命的15倍,可以运行9500米!这是时钟变慢的缘故。

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