如何正確理解相對論中的尺縮效應

2021-01-17 張祥前

英國著名詩人亞歷山大·波普在牛頓的故居題詩:「自然和自然規律隱匿在一片黑暗之中。上帝說:讓牛頓出世吧!於是一切都變得光明了。」

英國作家斯奎耳模仿亞歷山大·波普為牛頓寫的詩,為愛因斯坦寫了一個《警句》:「但如此不會長久,魔鬼嚎叫道:『派愛因斯坦去!』於是,世界又恢復了黑暗。

相對論誕生已經一百多年,真正理解相對論的人極少,大部分認同相對論的人其實對相對論是一知半解,人云亦云罷了。

如果你真心的想把相對論搞清楚,你會發現相對論看起來是如此荒唐,沒有大徹大悟和高超智慧的人,你沒用辦法理解相對論。我可以斷言,這個世界真正理解相對論的人仍然只有那麼幾個人而已。

相對論的出現我認為並不奇怪,奇怪的是歐洲人是怎麼會承認相對論的?愛因斯坦的論文如果在中國永遠都不會發表的。

下面我們來聊聊相對論中尺縮效應。

相對論認為一個物體相對於我們觀察者以速度v運動的時候,這個物體沿運動方向的長度會縮短一個因子√(1 - v/c)【c是光速】。

一個相對於我們靜止的棍子一米長,現在令棍子縱向運動,速度為v,長變成了√(1 - v/c)米,棍子運動的時候長度縮短了。

相對論最不可思議的是:物體一旦以光速相對於我們運動的時候,長度為零,長度為零,哈哈,這個物體就不存在了,物體以光速運動物體就憑空消失了?

怎么正確理解相對論光速運動長度為零?

我們測量一個物體的長度,這個物體是靜止或者是在運動,在相對論誕生之前無關緊要的,相對論告訴我們,物體的運動會影響到我們對物體長度的測量。

通常測量一個物體的長度,總是要把物體與量尺放在一起,測量時量尺與被測量物體之間的位置保持固定,這樣物體首尾兩端所對應量尺上的刻度之差既為物體的長度。

如果在測量物體時,物體與量尺之間的位置相對運動,那麼這種方法測得的結果就不準確了。這就要求在測量運動物體的首尾兩端時要同時進行。

那麼怎樣測量才算是同時的呢?這裡又涉及到時間的同時性概念,我們說這個測量是同時進行的,如果在被測物體首尾兩端的兩個觀察者所用的時鐘是同步的,並且在讀取量尺上的讀數時,兩個時鐘所指示的時間是一樣的話。這樣測量所得的結果與物體運動的速度就無關。

而我們通常所指的測量是由一個觀察者同時對物體首尾兩端進行的測量。當物體靜止時,我們只需一個觀察者即使在不同的時刻進行測量,其結果也不會有影響。

但是當所研究的對象是在一個高速運動的物體時,一個觀察者相對於物體靜止,同時測量物體的兩個端點,這個同時在另一個相對運動的觀察者看來不是同時的。二者對物體長度有著不同的看法。

相對論強調的是在空間中每一個點對應一個時刻,不同的空間點,某一個觀察者看是同時發生的兩個事情,另一個相對運動的觀察者發現不是同時的,同時因空間位置不同、觀察者的相互運動而不同。

我們知道,光速是有限的,光在空間的運動是需要時間的。測量物體的長度時,只有當物體兩端發出的光信號同時到達觀察者所在的位置時,測量物體的長度才可以真正代表著物體真實的長度。

所以,相對論中的縮短效應是一種因為測量而引起的觀察效應,不是物體的長度真實的、絕對的縮短了。測量是一種活動,也是一種運動,物體的運動很自然的會影響到觀察者的測量這種運動。

相對於我們觀測者靜止的一個汽車,我們觀測者測量其長度,是3米長。這個汽車相對於我們觀測者有3米長-這僅僅是一個幾何概念,一旦這個汽車相對於我們觀測者以某個速度運動起來,這個汽車的長度問題不光是幾何問題了,而包含了物理問題,物理-就是我們觀測者對物質世界運動的描述,所以,運動的汽車的長度問題和我們觀測者測量這種活動是緊密的聯繫在一起的,沒有觀測者,或者不指明哪一個觀測者,談論運動的汽車的長度問題是沒有意義的。並且,我們還要把測量的結果和觀察者的測量活動聯繫在一起。運動的汽車長度縮短了,是相對於某一個觀測者----不是任何一個觀測者都認為汽車縮短了----物理規律是我們觀測者對物質世界運動的一種描述當然與我們觀測者的描述有關所以只有相對於某一個確定的觀測者才有意義。

有一個悖論可以加深我們對相對論尺縮效應的認識。

一個農民有一個8米的倉庫,一個司機駕駛9米的汽車以接近光駛向倉庫,農民說,由於相對論尺縮效應,我的倉庫靜止,長度不變,你汽車運動,長度收縮,所以我的倉庫可以裝下你的汽車。

而司機說,我的汽車在我看來是靜止的,長度不變,是9米,而你倉庫在我看來是運動的,你的倉庫要小於8米,所以你的倉庫裝不下我的汽車。

倉庫能不能裝下汽車是一個確定的事實,其中必然有一個人說法是正確的,哪一個說法是正確的?

由於倉庫相對於農民靜止,農民在確定汽車碰上牆壁的同時可以確定汽車已經進入倉庫的門。

而司機確定了汽車碰到牆壁,再去確定汽車是否進倉庫門,這個信號的傳遞需要時間,對於司機來說,他看到了汽車碰牆壁的時候,汽車相對於倉庫以接近光速運動,在信號傳遞這段時間裡汽車已經進了倉庫的門。

所以,農民的說法是正確的。

有很多人認為討論相對論這些效應純粹是無聊,其實,這裡面隱藏著巨大秘密。

相對論告訴我們物體以光速運動就不佔用空間,這個為人類以後大規模的瞬間移動技術提供了理論根據。我們知道,物體在地球上空運動速度很快,會和空氣劇烈的摩擦而產生高溫,使物體燒毀。

但是物體一旦以光速運動,不佔用空間,質量和電荷特性消失,和別的物體不發生相互作用,兩個剛體甚至可以輕易的穿越過去。所以,光速運動的物體反而變成可以實現的技術,因為不需要特別耐高溫的材料。

對相對論的深入研究,統一場論【百度統一場論6版】的出現,為人類大規模的瞬移提供了理論根據。將來,人類利用瞬移技術造出全球公共運動網,可以使人員和商品一秒鐘出現在全球的任何地方。

人類可以造出光速飛行的飛船,可以方便、廉價的星際旅行。

相關焦點

  • 相對論中的「鍾慢尺縮」效應,如何理解?
    狹義相對論自誕生以來,就以顛覆常識著稱,所以我們要是想用一般的生活常識其理解狹義相對論中,基本是不可能的,否則怎麼還能稱得上顛覆了牛頓的絕對時空觀呢?為了對應題目,我們舉個這樣的例子:在一輛行駛著的列車上,擺放著一個走時精準的機械鐘,以及一把刻度達一米的量尺,同樣的,位於地面的站臺上也擺放著一個機械鐘和一把量尺,兩臺機械鐘和兩把量尺都是一摸一樣的,其中在列車還沒有出發時,兩臺機械鐘已經人為調試好(所指時刻相同,精確無比),分別擺放兩地。
  • 尺縮鍾慢效應已證明無比正確為什麼還有人說相對論不堪一擊?
    只要稍微懂得一點狹義相對論中的時間膨脹理論,也就是運動中的鐘慢尺縮效應,就會覺得這個題只是一個無知的笑話,就像看到一個傻子大笑著說別人傻一樣的好笑,難道這個傻子不是「妄想症」嗎?愛因斯坦狹義相對論關於鍾慢尺縮效應認為,當一個物體運動速度接近光速時,物體周圍的時間就會迅速變慢,空間會迅速縮小。但達到光速時,時間就會停止,空間會縮小為零。
  • 相對論中的尺縮效應,是物體自身真的變短了嗎?如果光速降低,我們會看到物體變短嗎?
    原則上來講,一切狹義相對論的仔細講解,必須涉及洛倫茲變換,這是各種推論(除了尺縮效應,還有鍾慢效應、質能方程等等)的數學基礎,而洛倫茲變換實際上是一組數學方程,如果放到科普文中進行介紹,想必也沒人會仔細看,所以我就不浪費時間了,因此大家只需記住洛倫茲變換是涉及慣性系之間時間、空間等物理量的變換公式即可。
  • 根據尺縮效應,近光速飛行的人回到地球後身體尺寸會變小嗎?
    狹義相對論預言,沿杆子方向運動的杆子的長度比它靜止時的長度短。此效應表明了空間的相對性。鍾慢效應和尺縮效應在非慣性參考系中的確是同時出現,但在回到同一參考系中結果卻不相同。以下為詳細說明。相對論中的鐘慢效應和尺縮效應
  • 動尺收縮後的長度是如何測量的?
    但凡對相對論有一點了解的人,都知道狹義相對論裡有一個尺縮效應,或者叫動尺收縮。這是所有相對論科普讀物都會提,教材裡會講,愛因斯坦的論文裡也有說的東西。簡而言之,尺縮效應就是說,當我們去測量一把運動的尺子時,我們會覺得它的長度比靜止時要短一些。在很多科普讀物裡,這個事情被簡化為「我們看見運動的尺子會縮短」。當然,有些科學家在交流的時候也會採用這樣的簡單的言語。
  • 一口氣通俗理解《狹義相對論》時間膨脹效應
    《狹義相對論》也是如此,因為在日常生活中,我們所接觸的一切事物,如果利用《狹義相對論》來計算更精確,但是與我們原本的常識之間的誤差,更加微不足道,除非利用更加精密的儀器,否則你要突然蹦出來一句「時間是相對的,我的時間比你走得慢」,肯定分分鐘讓吐沫淹死。實際上狹義相對論並非難以攀登,就是一層窗戶紙,捅破了也就破了。
  • 當相對論說動尺收縮時,它是如何測量的?
    今天跟大家聊一個相對論裡簡單有趣,但又很容易被忽略,很容易出錯的問題,那就是測量問題。但凡對相對論有一點了解的人,都知道狹義相對論裡有一個尺縮效應,或者叫動尺收縮。簡而言之,尺縮效應就是說,當我們去測量一把運動的尺子時,我們會覺得它的長度比靜止時要短一些。在很多科普讀物裡,這個事情被簡化為「我們看見運動的尺子會縮短」。當然,有些科學家在交流的時候也會採用這樣的簡單的言語。
  • 從狹義相對論到廣義相對論,非慣性系中的時間膨脹效應
    鍾慢效應和尺縮效應很好地證明了慣性系下的時間膨脹效應。值得一提的是,在慣性系下,時間膨脹具有相對性,時間流逝速度的變化是針對於不同參考系而言的。比如運動中輕子的時間流逝速度變慢是針對於靜止參考系而言的,如果以另一個做同向運動的輕子為參考系,那麼其時間流逝速度則是不變的。
  • 相對論告訴我們,時空是可以扭曲的,科學家用實驗證明了它
    而空間的扭曲其實早已被科學家通過實驗得到了證明,比如現在應用在太空探索中的引力波就是利用空間扭曲來進行的。那麼時間又是如何扭曲的?愛因斯坦的時間扭曲論主要分為兩種,一種是時慢尺縮效應,一種是引力時間膨脹效應。
  • 相對論「鍾慢尺縮」你已經了解但理解了嗎?沒有的話可以試試這篇
    相對論是科普話題上一個已經說爛的話題了,但是很多朋友依然會有這樣的困惑:你說的每一個字我都懂,結論我也已經明白了,但是我還是沒法理解。這其實很正常,就算是我這樣已經寫了一大堆與相對論有關文章的作者,有時候依然會不小心用經典的時空觀去思考世界,全宇宙共享同一個時空是符合常識的,因為我們就生活在這樣一個看似平直的時空中。
  • 再論狹義相對論中的雙生子佯謬
    而狹義相對論的結論卻是給出了另外的時空觀念——不同參考系(慣性系)中,對同一個事件的觀測結果是不同的,從而得出結論是,空間會在速度方向上收縮,時間會在速度大的慣性系中膨脹。這就是所謂的「尺縮效應」與「鍾慢效應」。注意,這裡就出現了所謂的「雙生子佯謬」,因為鍾慢效應使得我們通常觀念上的時間秩序被打亂了。
  • 四種生活中的相對論,金是金黃色、汞的熔點低都和相對論有關!
    相對論是比牛頓力學更深刻的科學理論,一般我們認為,只有在高速運動下相對論效應才明顯;實際上,在我們日常生活中,就有一些現象,本質上只有加上相對論才能夠得到完美解釋。金是第79號化學元素,有6個電子層,電子排布分別是2-8-18-32-18-1,金屬於重原子,內層電子的經典繞核速度非常快(達到了光速的65%),以至於內層電子的相對論質增效應非常明顯。
  • 《楞嚴經素解》卷九:邪師萬裡瞬間到達,相對論尺縮鍾慢效應
    如何能夠證明瞬息來回呢?需要取物為證,如此信徒就很信服。此只不過是五神通之中的神足通,只是魔力增持所為,以至於遠而成近。」昔日宋朝道家南宗第三代傳人薛道光真人,只是修性而不修命功,所以只能出陰神,不能遠方取物。
  • 理解長度收縮和時間膨脹效應
    這個原理是:參照系中運動物體的長度比其靜止時的長度要短。下面用圖形說明以便於理解:上部圖形是尺子在參照系中處於靜止狀態。一個靜止物體在其參照系中的長度被稱作他的「正確長度」。一個碼尺的正確長度是一碼。下部圖中尺子在運動。用更長、更準確的話來講:我們相對於某參照系,發現它在運動。
  • 什麼是相對論?愛因斯坦到底破解了什麼秘密?
    很多民科總是喜歡對我說,相對論是偽科學,他們是如何地推翻了相對論,但他們不能出示嚴謹的數學模型,因為他們沒有數學能力,甚至連中學數學能力都不能具備。鑑於相對論的數學過程比較難懂,我就只說說它的原理。相對論是20世紀物理學革命最偉大成就之一,甚至可以去掉「之一」。相對論學說,可以分為狹義相對論和廣義相對論。
  • 相對論裡的時間膨脹效應能讓人長生不老嗎?
    很多人都聽說過愛因斯坦的相對論裡有一個奇怪的效應——時間膨脹效應。根據這個效應,運動物體的時間跟靜止物體的時間是不同步的,物體的運動速度越快,時間過得越慢。當物體運動速度接近光速,時間就會變得無比緩慢。於是,就有小朋友腦洞大開,紛紛表示古時候《西遊記》裡說的「天上一日,凡間一年」原來是真的,神話故事終於有了科學依據!嗯嗯!那麼天上神仙的長生不老是不是也能實現了呢?
  • 一口氣搞懂狹義相對論
    同樣是一段距離,由於時間膨脹效應,我們在地面上看可能需要2秒才能走完,但是在飛船中的人,1秒就走完了。而且無論是飛船中的人還是地面上的人,飛船相對於這段距離的飛行速度都是一樣的。這就說明,飛船上的人看到的這段距離其實要比地面上的人更短一些。這就是長度收縮。
  • 相對論誕生:愛因斯坦是如何創立狹義相對論的?(下)
    因為對愛因斯坦來說,每一個慣性系都是同等真實的,一切能觀測到的效應,都應該是相對運動造成的。所以,當火車經過磁鐵上方時,電子就會在洛倫茲力的作用下定向移動,於是在迴路中形成電流。因此,不管站在地面還是火車上,我們都能得出正確的結果。
  • 對於引力的理解,牛頓理論和愛因斯坦廣義相對論的區別在哪裡?
    《對於引力的理解,牛頓理論和愛因斯坦廣義相對論的區別在哪裡?》本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。一切物理問題都是測量問題,就如一切生物問題都是進化問題一樣。萬有引力定律與廣義相對論的區別,就要從測量的角度去講述。
  • 相對論誕生:愛因斯坦是如何創立狹義相對論
    同時,我們也要清楚:洛倫茲認為長度收縮是一種動力學性質,他認為物體分子間的距離是真真實實地發生了收縮;而狹義相對論裡的尺縮效應則是一種純粹的運動學效應,並沒有什麼力把物體壓縮了。於是,他的問題就變成了如何協調牛頓力學和麥克斯韋電磁理論,而不是試圖用牛頓力學去解釋一切。看懂了這點,我們才能明白愛因斯坦的那些神來之筆,那些似乎是從天而降的天才想法是怎麼來的。才能明白為什麼愛因斯坦跟其他物理學家的思路不一樣,為什麼他會捷足先登創立狹義相對論。