1、,M ,A,B,15.3 狹義相對(duì)論的時(shí)空觀,以一列假想火車為例,一. 同時(shí)性的相對(duì)性,假想火車,地面參考系,A、B 處分別放置一光信號(hào)接收器,中點(diǎn) M 處放置一光信號(hào)發(fā)生器,t = t = 0 時(shí), M 發(fā)出一光信號(hào),A 、B 同時(shí)接收到光信號(hào),1、2 兩事件同時(shí)發(fā)生,事件1：A 接收到光信號(hào),事件2：B 接收到光信號(hào),(車上放置一套裝置),1,B,M,閃光發(fā)生在M 處,光速仍為 c,而這時(shí)， A 、B 處的接收器隨 S 運(yùn)動(dòng)。,A 比 B 早接收到光信號(hào),1事件先于2 事件發(fā)生,事件 1 發(fā)生,事件 2 發(fā)生,A,2,(2) 同時(shí)性的相對(duì)性是光速不變?cè)淼闹苯咏Y(jié)果。,(1) 同時(shí)性是相對(duì)的

2、。,沿兩個(gè)慣性系相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向上發(fā)生的兩個(gè)事件，在其中一個(gè)慣性系同時(shí)不同地發(fā)生的，在另一個(gè)慣性系中表現(xiàn)為不同時(shí)，即同時(shí)性的相對(duì)性；在其中一個(gè)慣性系同時(shí)同地發(fā)生的，在另一個(gè)慣性系中表現(xiàn)為同時(shí)性；在一個(gè)慣性系不同時(shí)、不同地發(fā)生兩個(gè)事件，在一個(gè)慣性系中可不同時(shí)或同時(shí)發(fā)生；反之亦然,結(jié)論,討論,(3) 同時(shí)性的相對(duì)性否定了各個(gè)慣性系具有統(tǒng)一時(shí)間的可能性，否定了牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀。,3,二. 時(shí)間延緩,研究的問題是,O 處的閃光光源發(fā)出一光信號(hào),事件1,事件2,O 處的接收器接收到該光信號(hào),在S、S 系中，兩事件發(fā)生的時(shí)間間隔之間的關(guān)系,在S 系的 O 處放置一閃光光源和一信號(hào)接收器，在豎直方向距離 O 點(diǎn)

3、 h 的位置處放置一平面反射鏡 M,即,原時(shí): 在某慣性系中，同一地點(diǎn)先后發(fā)生的兩個(gè)事件之間的時(shí)間間隔,(原時(shí)),4,?,設(shè) t = t = 0 時(shí)刻，O 處的閃光光源發(fā)出一光信號(hào),5,討論,(2) 時(shí)間延緩效應(yīng),在 S 系中測(cè)得發(fā)生在同一地點(diǎn)的兩個(gè)事件之間的時(shí)間間隔 t，在 S 系中觀測(cè)者看來，這兩個(gè)事件為異地事件，其之間的時(shí)間間隔 t 總是比 t 要大。,(1) 當(dāng)v c 時(shí)，,記：,6,相對(duì)光源靜止參考系 原時(shí)（同地）,在不同慣性系中測(cè)量給定兩事件之間的時(shí)間間隔，測(cè)得的結(jié)果以原時(shí)最短。,運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘走的速率比靜止時(shí)鐘走的速率要慢。,(4) 時(shí)間延緩效應(yīng)是相對(duì)的。,(5) 運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘變慢效應(yīng)是時(shí)

4、間本身的客觀特征。,(6) 時(shí)間延緩效應(yīng)顯著與否決定于 因子。,7,(7)時(shí)間的流逝不是絕對(duì)的，運(yùn)動(dòng)將改變時(shí)間的進(jìn)程.（例如新陳代謝、放射性的衰變、壽命等。）,運(yùn) 動(dòng) 的 時(shí) 鐘 走 得 慢,8,孿生子效應(yīng),考慮時(shí)間的相對(duì)性。一對(duì)風(fēng)華正茂的孿生兄弟，哥哥告別弟弟，登上訪問牛郎織女的旅程。歸來時(shí)，阿哥仍是風(fēng)度翩翩一少年，而迎接他的胞弟卻是白發(fā)蒼蒼一老翁了，真是“天上方七日，地上已千年”。按照相對(duì)的觀點(diǎn)，會(huì)不會(huì)弟弟看自己是少年，而哥哥是老翁了呢?,9,按此道理，若人相對(duì)地面多作加速運(yùn)動(dòng)，生命過程將進(jìn)行得緩慢一些，不易衰老，對(duì)身體會(huì)有好處。,實(shí)際上，天(航天器)、地(地球)兩個(gè)參考系是不對(duì)稱的，地可

5、以是一個(gè)慣性系，天不是慣性系，有加速度，故能返回，否則他將一去不復(fù)返，兄弟永別了。這超出狹義相對(duì)論的范圍，需用廣義相對(duì)論討論。,有加速度的那個(gè)人變年輕了。,例,- 介子是一種不穩(wěn)定的粒子，從它產(chǎn)生到它衰變?yōu)?- 介子經(jīng)歷的時(shí)間即為它的壽命，已測(cè)得靜止 - 介子的平均壽命 0 = 2 10-8s. 某加速器產(chǎn)生的 - 介子以速率 u = 0.98 c 相對(duì)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)動(dòng)。,求,- 介子衰變前在實(shí)驗(yàn)室中通過的平均距離。,解,對(duì)實(shí)驗(yàn)室中的觀察者來說，運(yùn)動(dòng)的 - 介子的壽命 為,因此， - 介子衰變前在實(shí)驗(yàn)室中通過的距離 d 為,10,三. 長(zhǎng)度收縮,原長(zhǎng): 相對(duì)于棒靜止的慣性系測(cè)得棒的長(zhǎng)度,1. 運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)

6、度的測(cè)量,不要求同時(shí)測(cè)量,必須同時(shí)測(cè)量,11,2. 長(zhǎng)度收縮,兩事件同地發(fā)生, t 為原時(shí),事件1,事件2,12,由,兩事件同地發(fā)生, t 為原時(shí),得,討論,(1) 當(dāng)v c 時(shí)，,13,沿尺長(zhǎng)度方向相對(duì)尺運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)者測(cè)得的尺長(zhǎng) l ，較相對(duì)尺靜止觀測(cè)者測(cè)得的同一尺的原長(zhǎng) l 0 要短。,(2) 長(zhǎng)度縮短效應(yīng),(3) 長(zhǎng)度收縮效應(yīng)是相對(duì)的。,在不同慣性系中測(cè)量同一尺長(zhǎng)，以原長(zhǎng)為最長(zhǎng)。,(4) 長(zhǎng)度收縮效應(yīng)顯著與否決定于 因子。,(5) 長(zhǎng)度收縮效應(yīng)是同時(shí)性相對(duì)性的直接結(jié)果。,地球上宏觀物體最大速度103m/s，比光速小5個(gè)數(shù)量級(jí)，在這樣的速度下長(zhǎng)度收縮約10-10，故可忽略不計(jì)。,14,車變短

7、，安全！,山洞比車短，火車可被閃電擊中否？,15,山洞變短， 更不安全！,洞口到車頭，出現(xiàn)第一個(gè)閃電,16,隧道在運(yùn)動(dòng)（火車參考系）,洞口到車尾，出現(xiàn)第二個(gè)閃電,閃電不同時(shí),17,在地面系同時(shí)不同地，在火車參考系不同時(shí)。,地球表面能觀測(cè)到壽命極短的介子充分揭示了這種關(guān)聯(lián)。,宇宙射線中有許多能量極高的子，它們是在大氣層上部（約10km）產(chǎn)生的， 子以接近光速（v=0.998c）運(yùn)動(dòng)，靜止子的平均壽命只有2.1510-6s，進(jìn)入大氣層的子自發(fā)衰變?yōu)殡娮樱ɑ蛘娮樱┖椭形⒆樱ɑ蚍粗形⒆樱?，?時(shí)鐘延緩效應(yīng)與尺度收縮效應(yīng)是相關(guān)聯(lián)的！,18,時(shí)間的度量是相對(duì)的，與所選擇的慣性參考系有關(guān)，選擇不同的參考系

8、，同一物理過程表現(xiàn)的效應(yīng)不同。不存在孤立的時(shí)間，也不存在孤立的空間。,用經(jīng)典時(shí)空觀 子在衰變前所走路程為,顯然不能到達(dá)地球，在地球表面不能探測(cè)到。,完全能夠到達(dá)地面，因而在地球表面能探測(cè)到 子。,這些 介子能否到達(dá)地面？,按相對(duì)論時(shí)空觀，以地面為參照系 ， 子壽命延長(zhǎng),以 介子為參照系，運(yùn)動(dòng)距離（大氣層的厚度）收縮,同樣可到達(dá)地面。,19,乘光子火箭星際旅游：地球至最近的恒星（南門二），4光年遠(yuǎn)，來回需8年，至牛郎星，16光年遠(yuǎn)，至織女星，26.3光年遠(yuǎn)，來回需三五十年，有生之年或許可去一趟。若跨出銀河系，到最近的星系（小麥哲倫云）也需15萬光年，今生今世不必問津了。,按相對(duì)論時(shí)空觀,外星人、UFO ,20,以上是經(jīng)典力學(xué)的看法，只適用于地球參考系。,例1 一固有長(zhǎng)度為 L0=90 m的飛船，沿船長(zhǎng)方向相對(duì)地球以 v =0.80 c 的速度在一觀測(cè)站的上空飛過，該站測(cè)得飛船長(zhǎng)度及船身通過觀測(cè)站的時(shí)間間隔各是多少？船中宇航員測(cè)前述時(shí)間間隔又是多少？,21,例,地球-月球系中測(cè)得地-月距離為 3.844108 m，一火箭以 0.8 c 的速率沿著從地球到月球的方向飛行，先經(jīng)過地球 (事件1)，之后又經(jīng)過月球 (事件2)。,求,在地球-月球