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相对论严格证明:任意两个相对匀速运动的参考系都是相对静止的!
[楼主] 作者:加减相对论  发表时间:2012/10/06 10:59
点击:1411次

传统哲学观点认为:运动是绝对的,静止是相对的。但是这只是哲学上的观点,并没有得到科学上的证明。现在,本人就用相对论严格证明:相对匀速运动就是相对静止。

请各位看官先不要着急,为了能很好的理解本人的证明,请先学习一下有关相对论的知识。

下面选自爱因斯坦《狭义与广义相对论浅说》第11节

显然我们面临的问题可以精确地表述如下,若一事件相对于K的x,y,z,t诸量值为何?在选定关系式时,无论是相对于K或是相对于K',对于同一条光线而言(当然对于每一条光线都必须如此)真空中光的传播定律必须被满足。若这两个坐标系在空间中的相对取向如图2所示,这个问题就可以由下列方程组解出:

x'=γ(x-vt)..........................(1)
y'=y
z'=z
t'=γ(t-vx/c²).......................(2)

【注:γ=1/√(1-v²/c²)】

这个方程组称为"洛伦兹变换"。 

......
 
通过下述例示,我们可以很容易地看到,按照洛伦兹变换,无论对于参考物体K还是对于参考物体K',真空中光的传播定律都是被满足的。例如沿着正x轴发出一个光信号,这个光信号按照下列方程前进 

x=ct...................................(3)

亦即以速度c前进。按照洛伦兹变换方程,x和t之间有了这个简单的关系,则在x'和t'之间当然也存在着一个相应的关系,事实也正是如此:把x的值ct代入洛伦兹变换的第一个和第四个方程中,我们就得到:

x'=γ(c-v)t
t'=γ(1-v/c)t

这两方程相除,即直接得出下式: 

x'=ct'.................................(4)

亦即参照坐标系K',光的传播应当按照此方程式进行,由此我们看到,光相对于参考物体K'的传播速度同样也是等于c。对于沿着任何其他方向传播的光线我们也得到同样的结果。当然,这一点是不足为奇,因为洛伦兹变换方程就是依据这个观点推导出来的。

以上选自爱因斯坦《狭义与广义相对论浅说》第11节

 

大家学习完以上基础后,请继续往下看:

【证明】

首先,我们用洛伦兹变换证明相对性原理,即从正变换推导出逆变换。

由(1)和(2)可以得到:
x=x'/γ+vt............................(5)
t=t'/γ+vx/c².........................(6)
把(6)代入(5):
x=x'/γ+vt'/γ+v²x/c²
整理后有:
x(1-v²/c²)=(x'+vt')/γ
x=γ(x'+vt')..........................(7)
同样,把(5)代入(6),可得:
t=γ(t'+vx'/c²).......................(8)

(7)和(8)构成洛伦兹变换的逆变换,于是我们证明了洛伦兹变换满足相对性原理。


然后,我们将根据以上式子证明v=0。

为了简便起见,令β=v/c,则γ=1/√(1-β²) 。

把 (3) 代入(2),得:
t′= γ(1-β)t........................(9)

把 (4) 代入(8),得:
t = γ(1+β)t′......................(10)

把(9)、(10)左右两边分别相减,得:
t′-t = γ(1-β)t-γ(1+β)t′
(1+γ+βγ)t′= (1+γ-βγ)t        ...... (11)

把(10)代入(11),得:
(1+γ+βγ) = (1+γ-βγ)γ(1+β)        
γ(1+β) = (1+γ+βγ)/(1+γ-βγ) ...... (12)

把(9)代入(11),得:
(1+γ+βγ)γ(1-β) = (1+γ-βγ)       
γ(1-β) = (1+γ-βγ)/(1+γ+βγ) ...... (13)

把(12)、(13)左右两边分别相加,得:
2γ = (1+γ+βγ)/(1+γ-βγ)+(1+γ-βγ)/(1+γ+βγ) 
                                         ...... (14)

把(12)、(13)左右两边分别相减,得:
2γβ = (1+γ+βγ)/(1+γ-βγ)-(1+γ-βγ)/(1+γ+βγ) 
                                         ...... (15)

把(14)代入(15),得:
   β(1+γ+βγ)/(1+γ-βγ)+β(1+γ-βγ)/(1+γ+βγ) 
= (1+γ+βγ)/(1+γ-βγ)-(1+γ-βγ)/(1+γ+βγ) 


化简得:
β[(1+γ+βγ)²+(1+γ-βγ)²-4βγ²]=0
                                          ...... (16)

2β[(1+γ)²+β²γ²-2βγ²]=0 
由γ=1/√(1-β²)知:β²γ² = γ²-1,则上式变成:                                    
2β[(1+γ)²+γ²-1-2βγ²]=0
4βγ(1+γ-βγ)..................(17)
因1+γ-βγ>0,故由上式可知:
β=0...............................(18)
于是:
v=0................................(19)

v=0表示任意两个匀速运动的参考系间的相对速度都是0.
这就是说:任意两个相对匀速运动的参考系都是相对静止的!
【证明完毕】

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