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12. 量杆与钟在运动时的行为

我沿着参照系K'的x'轴放置一根尺子,让其一端(开端)与点x'=0重合,另一端(末端)与点x'=1重合,问尺子相对于参照系K的长度是多少?想求出这个数值,我们需要求出在参照系K的某一特定时刻t,以及尺子的开端和末端相对于K的位置。借助洛伦兹变换的第一个方程,这两点在时刻t=0的值可以表示为:

035

两点间的距离为 。但尺子相对于K以速度v运动。因此,沿着其本身长度的方向以速度v运动的刚性尺子的长度为 米。因此尺子在运动时比在静止时短,而且运动得越快,尺子就越短。当速度v=c时,我们就有 =0,而对于比c还大的速度,平方根会变成负值。由此我们得出结论:在相对论中,速度c扮演着极限速度的角色,任何真实的物体既不能达到,也无法超越这一速度。

当然,速度c作为极限速度的特性也可以从洛伦兹变换方程中清楚地看到,因为如果我们选取比c大的v值,这些方程就没有意义了。

反之,如果考察的是一根相对于K静止在x轴上的尺子,我们就应该发现,当从K'去判定时,尺子的长度是 ;这完全符合相对性原理,而相对性原理是我们进行考察的基础。

从之前的观点来看,显然我们一定能够从变换方程中对量杆和钟的物理行为有所了解,因为x、y、z、t这些量正是借助量杆和钟获得的测量结果。如果我们基于伽利略变换来进行考察,就不会得出量杆因运动而收缩的结果。

现在我们考虑一个恒定于K'的原点(x'=0)上的按秒报时的钟(seconds-clock)。t'=0和t'=1对应于钟接连发出的两声嘀嗒声。对于这两次嘀嗒声,洛伦兹变换的第一和第四个方程给出:

1905年,爱因斯坦与米列娃。这时,米列娃已经放弃了她的专业,专心于家庭。

t=0

036

从K来判定,钟会以速度v运动;从这个参照系来判定,钟的两次嘀嗒声间经过的时间不是1秒,而是 秒,即比1秒长一些。钟因运动而比静止时走得慢。速度c在这里仍然扮演着无法达到的极限速度的角色。 8aPcT+8KY6HHV7c8aIufQtRMd6AwXVvl7WUwLf7mB61WVam38KqNAn2JG4YEh7H4

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