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12. 运动中的量杆和钟的行为

我把一根米尺置于K′的x′轴,令其始端与点x′=0重合,末端与点x′=1重合。那么该米尺相对于参照系K的长度是多少?要回答这个问题,我们只需问,在参照系K的某一时刻t,米尺的始端和末端相对于K处于什么位置。根据洛伦兹变换的第一个方程,这两个点在t=0时位于


两点间的距离为 。但米尺相对于K以速度v运动。于是,沿长度方向以速度v运动的刚性米尺的长度为 米。因此,刚性米尺在运动时要比处于静止状态时更短,而且运动越快就越短。当速度v=c时, =0,对于更大的速度,此平方根就成了虚的。由此可得,在相对论中,速度c扮演着极限速度的角色,任何实际物体都不可能达到或超过这个速度。

顺便说一句,速度c作为极限速度的这个角色由洛伦兹变换方程也可以清楚地看到。因为如果选择的v大于c,这些方程就没有意义。

反过来,如果考察的是一根相对于K静止在x轴上的米尺,我们就会发现,从K′去判断时米尺的长度为 。这与我们的考察所基于的相对性原理完全符合。

先验地看,我们必定能够根据变换方程对量杆和钟的物理行为有所了解,因为x,y,z,t这些量恰恰是用量杆和钟所能得到的测量结果。如果以伽利略变换为基础,我们就不会得出量杆因运动而收缩的结果。

我们现在考虑一个始终静止于K′原点(x′=0)的按秒报时的钟。t′=0和t′=1对应于该钟相继的两次滴答声。对于这两次滴答声,洛伦兹变换的第一和第四方程给出:

t=0

从K去判断,该钟以速度v运动;从这个参照物判断,该钟两次滴答声的时间间隔不是1秒,而是 秒,亦即比1秒钟长一些。钟因其运动而比静止时走得慢。这里速度c也扮演着一种不可达到的极限速度的角色。 tmClXKKztGMMuPb+otFcOt+IY1iKY6XWZ0AF6m6fV+y7Vh+t3iEMfj9EpgbXW+Z4

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