愛(ài)因斯坦第二假設(shè)

1、愛(ài)因斯坦第二假設(shè)19世紀(jì)中頁(yè)人們對(duì)電和磁的理解有了一個(gè)革命性的飛躍，其中以詹姆斯.麥克斯韋（James Maxwell）的成就為代表。電和磁兩種現(xiàn)象曾被認(rèn)為毫不相關(guān)，直到奧斯特（Oersted）和安培（Ampere）證明電能產(chǎn)生磁；法拉弟（Faraday）和亨利（Henry）證明磁能產(chǎn)生電?，F(xiàn)在我們知道電和磁的關(guān)系是如此緊密，以致于當(dāng)物理學(xué)家對(duì)自然力進(jìn)行列表時(shí)，常常將電和磁視為一件事。麥克斯韋的成就在于將當(dāng)時(shí)所有已知的電磁知識(shí)集中于四個(gè)方程中： （如果你沒(méi)有上過(guò)理解這些方程所必需的三到四個(gè)學(xué)期的微積分課程，那么就坐下來(lái)看它們幾分鐘，欣賞一下其中的美吧） 麥克斯韋方程對(duì)于我們的重要意義在于，它除

2、了將所有人們已知的電磁知識(shí)加以描述以外，還揭示了一些人們不知道的事情。例如：構(gòu)成這些方程的電磁場(chǎng)可以以振動(dòng)波的形式在空間傳播。當(dāng)麥克斯韋計(jì)算了這些波的速度后，他發(fā)現(xiàn)它們都等于光速。這并非巧合，麥克斯韋（方程）揭示出光是一種電磁波。 我們應(yīng)記住的一個(gè)重要的事情是：光速直接從描述所有電磁場(chǎng)的麥克斯韋方程推導(dǎo)而來(lái)。 現(xiàn)在我們回到愛(ài)因斯坦。 愛(ài)因斯坦的第一個(gè)假設(shè)是所有慣性參照系中的物理規(guī)律相同。他的第二假設(shè)是簡(jiǎn)單地將此原則推廣到電和磁的規(guī)律中。這就是，如果麥克斯韋假設(shè)是自然界的一種規(guī)律，那么它（和它的推論）都必須在所有慣性系中成立。這些推論中的一個(gè)就是愛(ài)因斯坦的第二假設(shè)： 光在所有慣性系中速度相同 愛(ài)

3、因斯坦的第一假設(shè)看上去非常合理，他的第二假設(shè)延續(xù)了第一假設(shè)的合理性。但為什么它看上去并不合理呢？ 火車(chē)上的試驗(yàn) 為了說(shuō)明愛(ài)因斯坦第二假的合理性，讓我們來(lái)看一下下面這副火車(chē)上的圖畫(huà)。 火車(chē)以每秒100，000，000米/秒的速度運(yùn)行，Dave站在車(chē)上，Nolan站在鐵路旁的地面上。Dave用手中的電筒“發(fā)射”光子。 光子相對(duì)于Dave以每秒300,000,000米/秒的速度運(yùn)行，Dave以100,000,000米/秒的速度相對(duì)于Nolan運(yùn)動(dòng)。因此我們得出光子相對(duì)于Nolan的速度為400,000,000米/秒。 問(wèn)題出現(xiàn)了：這與愛(ài)因斯坦的第二假設(shè)不符！愛(ài)因斯坦說(shuō)光相對(duì)于Nolan參照系的速度必

4、需和Dave參照系中的光速完全相同，即300，000，000米/秒。那么我們的“常識(shí)感覺(jué)”和愛(ài)因斯坦的假設(shè)那一個(gè)錯(cuò)了呢？ 好，許多科學(xué)家的試驗(yàn)（結(jié)果）支持了愛(ài)因斯坦的假設(shè)，因此我們也假定愛(ài)因斯坦是對(duì)的，并幫大家找出常識(shí)相對(duì)論的錯(cuò)誤之處。 記得嗎？將速度相加的決定來(lái)得十分簡(jiǎn)單。一秒鐘后，光子已移動(dòng)到Dave前300，000，000米處，而Dave已經(jīng)移動(dòng)到Nolan前100，000，000米處。其間的距離不是400，000，000米只有兩種可能： 1、 相對(duì)于Dave的300，000，000米距離對(duì)于Nolan來(lái)說(shuō)并非也是300，000，000米 2、 對(duì)Dave而言的一秒鐘和對(duì)Nolan而言的

5、一秒鐘不同 盡管聽(tīng)起來(lái)很奇怪，但兩者實(shí)際上都是正確的。愛(ài)因斯坦第二假設(shè)(續(xù)) 谷銳譯 原文：Slaven 時(shí)間和空間 我們得出一個(gè)自相矛盾的結(jié)論。我們用來(lái)將速度從一個(gè)參照系轉(zhuǎn)換到另一個(gè)參照系的“常識(shí)相對(duì)論”和愛(ài)因斯坦的“光在所有慣性系中速度相同”的假設(shè)相抵觸。只有在兩種情況下愛(ài)因斯坦的假設(shè)才是正確的：要么距離相對(duì)于兩個(gè)慣性系不同，要么時(shí)間相對(duì)于兩個(gè)慣性系不同。 實(shí)際上，兩者都對(duì)。第一種效果被稱(chēng)作“長(zhǎng)度收縮”，第二種效果被稱(chēng)作“時(shí)間膨脹”。 長(zhǎng)度收縮： 長(zhǎng)度收縮有時(shí)被稱(chēng)作洛倫茨（Lorentz）或洛倫茨弗里茨格拉德（FritzGerald）收縮。在愛(ài)因斯坦之前,洛倫茨和弗里茨格拉德就求出了用來(lái)描

6、述（長(zhǎng)度）收縮的數(shù)學(xué)公式。但愛(ài)因斯坦意識(shí)到了它的重大意義并將其植入完整的相對(duì)論中。這個(gè)原理是： 參照系中運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度比其靜止時(shí)的長(zhǎng)度要短 下面用圖形說(shuō)明以便于理解： 上部圖形是尺子在參照系中處于靜止?fàn)顟B(tài)。一個(gè)靜止物體在其參照系中的長(zhǎng)度被稱(chēng)作他的“正確長(zhǎng)度”。一個(gè)碼尺的正確長(zhǎng)度是一碼。下部圖中尺子在運(yùn)動(dòng)。用更長(zhǎng)、更準(zhǔn)確的話(huà)來(lái)講：我們相對(duì)于某參照系，發(fā)現(xiàn)它（尺子）在運(yùn)動(dòng)。長(zhǎng)度收縮原理指出在此參照系中運(yùn)動(dòng)的尺子要短一些。 這種收縮并非幻覺(jué)。當(dāng)尺子從我們身邊經(jīng)過(guò)時(shí)，任何精確的試驗(yàn)都表明其長(zhǎng)度比靜止時(shí)要短。尺子并非看上去短了，它的確短了！然而，它只在其運(yùn)動(dòng)方向上收縮。下部圖中尺子是水平運(yùn)動(dòng)的，因此它的

7、水平方向變短。你可能已經(jīng)注意到，兩圖中垂直方向的長(zhǎng)度是一樣的。 時(shí)間膨脹： 所謂的時(shí)間膨脹效應(yīng)與長(zhǎng)度收縮很相似，它是這樣進(jìn)行的： 某一參照系中的兩個(gè)事件，它們發(fā)生在不同地點(diǎn)時(shí)的時(shí)間間隔 總比同樣兩個(gè)事件發(fā)生在相同地點(diǎn)的時(shí)間間隔長(zhǎng)。 這更加難懂，我們?nèi)匀挥脠D例加以說(shuō)明： 圖中兩個(gè)鬧鐘都可以用于測(cè)量第一個(gè)鬧鐘從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)所花費(fèi)的時(shí)間。然而兩個(gè)鬧鐘給出的結(jié)果并不相同。我們可以這樣思考：我們所提到的兩個(gè)事件分別是“鬧鐘離開(kāi)A點(diǎn)”和“鬧鐘到達(dá)B點(diǎn)”。在我們的參照系中，這兩個(gè)事件在不同的地點(diǎn)發(fā)生（A和B）。然而，讓我們以上半圖中鬧鐘自身的參照系觀察這件事情。從這個(gè)角度看，上半圖中的鬧鐘是靜止的（所有的

8、物體相對(duì)于其自身都是靜止的），而刻有A和B點(diǎn)的線(xiàn)條從右向左移動(dòng)。因此“離開(kāi)A點(diǎn)”和“到達(dá)B點(diǎn)”著兩件事情都發(fā)生在同一地點(diǎn)?。ㄉ习雸D中鬧鐘所測(cè)量的時(shí)間稱(chēng)為“正確時(shí)間”）按照前面提到的觀點(diǎn)，下半圖中鬧鐘所記錄的時(shí)間將比上半圖中鬧鐘從A到B所記錄的時(shí)間更長(zhǎng)。 此原理的一個(gè)較為簡(jiǎn)單但不太精確的陳述是：運(yùn)動(dòng)的鐘比靜止的鐘走得更慢。最著名的關(guān)于時(shí)間膨脹的假說(shuō)通常被成為雙生子佯謬。假設(shè)有一對(duì)雙胞胎哈瑞和瑪麗，瑪麗登上一艘快速飛離地球的飛船（為了使效果明顯，飛船必須以接近光速運(yùn)動(dòng)），并且很快就返回來(lái)。我們可以將兩個(gè)人的身體視為一架用年齡計(jì)算時(shí)間流逝的鐘。因?yàn)楝旣愡\(yùn)動(dòng)得很快，因此她的“鐘”比哈瑞的“鐘”走得慢。結(jié)果是，當(dāng)瑪麗返回地球的時(shí)候，她將比哈瑞更年輕。年輕多少要看她以多快的速度走了多遠(yuǎn)。 時(shí)間膨脹并非是個(gè)瘋狂的想法，它已經(jīng)為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。最好的例子涉及到一種稱(chēng) 為"介子"的亞原子粒子。一個(gè)介子衰變需要多少時(shí)間已經(jīng)被非常精確地測(cè)量過(guò)。無(wú)論怎樣，已經(jīng)觀測(cè)到一個(gè)以接近光速運(yùn)動(dòng)的介子比一個(gè)靜止或緩慢運(yùn)動(dòng)的介子的壽命要長(zhǎng)。這就是相對(duì)論效應(yīng)。從運(yùn)動(dòng)的介子自身來(lái)看，它并沒(méi)有存在更長(zhǎng)的時(shí)間。這是因?yàn)閺乃陨淼慕嵌瓤此庆o止的；只有從相