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L07438:狭义相对论的理解--图解双生子饽论
送交者: L07438 2010年01月04日14:31:29 于 [教育学术] 发送悄悄话

狭义相对论的理解--图解双生子饽论

在普及爱因思坦狭义相对论中,本人觉得此图解是最容易被普通人所理解的方法。如读者有耐心读下去,也许可解决你一些百思不得其解的烦脑。

为简单起见,这里只用一维空间和一维时间。

1。假定双生子A在静止座标A中,时间每刻度为一年,距离每刻度为一光年,我们称水平线为同时线(CD为一年同时线),垂直线为同距线(ED为一光年同距线)。图中光运动沿着45度斜线。

        Figure1,2,3

2。假定双生子B乘坐一高速飞船从原点出发,我们为B建立一个新座标B,其时间轴是一斜线OB,表示B随着时间增长,离A越远。请大家注意到B的空间轴如何选?如果与A的空间轴相同,则会违反光速不变原理,因为对B座标而言,光在一年里走的距离不到一光年。为了满足光速不变原理,B的空间轴和其时间轴应该对称在光运动45度斜线的两边。这样座标B是一个平行四边形的座标,其空间轴和水平线翘起一个角度,使光运动45度斜线仍保持每年一光年的速度。这座标B的时间及距离的刻度和座标A也不一样。考虑到相对观察者运动越快,时间流逝越慢的原理,在与A的一年同时线(CD)相交处,B的刻度应小于一年。同样,考虑到相对观察者运动越快,长度越短的原理,在与A的一光年同距线相交处,B的刻度小于一光年。当B越接近光速,其时间及距离的刻度就越稀。现在再看座标B的同时线,它不再是一根水平线了,而是与其空间轴平行的斜线(FG)

3。以上图形非常清楚地显示爱因思坦狭义相对论中同时性的相对性原理。座标A的观察者对双生子B的时间判断用的是水平的CD一年同时线,他看到B上不到一年,B比自己年轻。反过来,座标B的观察者对双生子A的时间判断是基于他的GF一年同时线,他的结论是A上时间也变慢了,A比自己年轻。这解释了俩者都认为对方变慢了的饽论。(如果读者有兴趣的话,你可以用这图形容易地推导出洛仑茨变换公式)

4。作为旅行的双生子B,为什么最终比双生子A年轻呢?请看下一个图形的演变。当双生子B的飞船到达目的地S,在飞船减速前,B仍用高速行驶的同时线(SH)来观察A并认为A比自己年轻。可是当他的飞船减速并最终停下来(相对于A静止)B座标这时和A座标一样为直角座标,B的同时线由斜线(SH)变回水平线(SP),这同时线在A时间轴上划了一个大距离(时间)。这时B会惊奇地发现,A的时间已经飞跃了很多年(P)  注意,根据第二段的讨论,OP的刻度比OS大,或OP代表的时间比OS长。B乘的高速飞船越接近光速,俩者时间差别越大。当B的飞船往回飞并加速到高速时,新座标M是一个左向的平行四边形,新座标M会用同时线SR来观察A。这时,B又发现A的时间再次飞跃了很多年(R)。在回归的路上,尽管B用自己的同时线来观察A并认为A的时间流逝比自己慢,但由于AB的减速和加速过程中“虚度”太多年华,双生子A还是比双生子B老得多。

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