摆的等时性与同时的相对性

材料一：有一次，伽利略他站在比萨的天主教堂里，眼睛盯着天花板，一动也不动。他在干什么呢？原来，他用右手按左手的脉搏，看着天花板上来回摇摆的灯。他发现，这灯的摆动虽然是越来越弱，以至每一次摆动的距离渐渐缩短，但是，每一次摇摆需要的时间却是一样的。于是，伽利略做了一个适当长度的摆锤，测量了脉搏的速度和均匀度。从这里，他找到了摆的规律。钟就是根据他发现的这个规律制造出来的。--摘自百度百科《伽利略.伽利雷》

摆的等时性原理是指不论摆动幅度（摆角小于5°时）大些还是小些，完成一次摆动的时间是相同的。摆的周期公式为:T=2π*根号下L/g.可见,摆的周期与摆长和当地重力加速度有关。--摘自百度百科《摆的等时性原理》

材料二："同时"的相对性  假设一列很长的火车在沿平直轨道飞快地匀速行驶.车厢中央有一个光源发出了一个闪光，闪光照到了车厢的前壁和后壁，这是两个事件.车上的观察者认为两个事件是同时的.在他看来这很好解释，因为车厢是个惯性系，光向前、后传播的速度相同，光源又在车厢的中央，闪光当然会同时到达前后两壁（图甲）.车下的观察者则不以为然.他观测到，闪光先到达后壁，后到达前壁.他的解释是：地面也是一个惯性系，闪光向前、后传播的速度对地面也是相同的，但是在闪光飞向两壁的过程中，车厢向前行进了一段距离，所以向前的光传播的路程长些，到达前壁的时刻也就晚些（图乙），这两个事件不同时. --摘自《同时的相对性》宝坻教研网

我们分析摆的等时性的相对性原理的时候，即在运动参考系中摆的等时性同样成立，那么在地面的观察者看来，运动的参考系中的摆的等时性还成立吗？在这里我们是直接根据相对论的结论同时具有相对性带入摆的实验？还是把摆的实验带入同时的相对性的验证中，即带入上面的火车中，摆会同时到达车厢的前壁和后壁吗？

根据相对论那么在地面的观察者看来，运动的参考系中的摆的等时性不成立。因为，根据相对论同时具有相对性，同一个事件在不同的惯性系看来是不同的。

如果根据相对性原理和摆不具有光速一样的性质，那么车上的观察者认为两个事件是同时的.因为相对性原理对于摆来说是成立的，所以在运动系中摆到达车厢的前壁和后壁所用的时间是一样的。车下的观察者认为摆不具有光速一样不变的性质，摆始终是与车厢一起运动，火车的运动是摆与火车所共有的，火车的运动不会改变摆的运动规律，所以在车下的观察者看来，摆是同时到达车厢的前壁和后壁的。两个观察者的结论是一样的。

那么，我们为什么能够得出同时具有相对性呢？1，相对性原理；2，光速不变原理。如果只有1相对性原理成立，我们能够得出同时的相对性吗？通过上面的分析我们知道不能。只有相对性原理与光速不变原理同时成立，才能得出同时的相对性。所以，有可能我们根据光速不变原理与相对性原理得出的结论同时具有相对性只适用于光这个特殊的现象，我们不能根据光的特殊性得出的结论，同时的相对性，时间的相对性，速度的极限，然后再推广到一切物体，得出一切物体都因如此的结论。

相对论中的光速不变是这样理解的

根据麦克斯韦方程组得出的光速不变，即c^2=1/(εμ)，光速是一个恒量，与观察者，光源的运动无关。这里的光速说的光波自身的速度，不是光与观察者或光源的相对运动。通常我们说‘物体的运动'指的是两种运动，1，物体自身的运动；2，物体与另一物体的相对运动，即运动差或说速度差。我们把1,2都叫做物体的运动。如果1中物体自身的运动的大小用速度表示的话，那么2中物体与另一物体的相对运动就是两个物体（ 自身运动的大小）速度的速度差，我们也叫做一个物体的速度。【4】我们把光在介质中传播的速度包括真空叫做光自身的运动，即光自身的速度，光自身的运动与观察者，光源的运动无关，只与介质的性质磁导率和介电常数有关。而光自身的速度与其他物体的相对运动却是由其他物体的速度与光自身的速度共同决定的，这就是相对运动的意义。根据麦克斯韦方程组得出的光速不变，即c^2=1/(εμ)，我们得出，静止系的观察者看到的光速（即光速与静止系的观察者的相对速度）与运动系的观察者光速（即光速与运动系的观察者的相对速度）是不同的。例如火车实验中，假设光相对于地面观察者的速度是C（这个应该是不可能的），光从闪光的地点发出，那么光相对于车上观察者的速度就不是C.因为观察者随着火车一起运动，而光速是相对于真空说的，不是相对于火车说的，不会随着火车一起运动，光与运动观察者的相对速度会不同。这样如果我们只根据麦克斯韦方程组的光速不变也不会得出同时的相对性。如果把麦克斯韦方程组的光速不变与相对性原理结合，那么，根据相对性原理，在火车上的观察者看来光在真空的传播速度不变，光向各个方向的速度一样，火车上的观察者就会得出光同时到达车厢的前壁和后壁。而路面上的观察者根据麦克斯韦方程组的光速不变，得出，光是在闪光的地点发出的，不会随着火车一起运动，在真空传播的速度是C.这样我们就得出同时的相对性。

在这里用到相对性原理，如果把相对性原理用到介质【5】就是，介质的运动对光速的传播没有影响，光在介质中的传播，在与介质一起静止的观察者看来速度不变。那么把相对性原理用到真空就是真空的运动对光速的传播没有影响，光在真空中的传播，在与真空一起静止的观察者看来速度不变。

光在真空的传播与真空是否运动无关，火车运动的时候，光相对于真空的光速不变，这里的真空是随着火车一起运动的，而路面上的观察者说的光相对于真空的光速不变，这里的真空不随着火车一起运动。关键是真空会运动吗？假设真空会运动，那么相对性原理能够用到真空中吗？假设真空会运动，例如介质包围着的真空，如真空管，并且相对性原理能够用到真空，那么真空运动的时候，光速不变。那么还有观察者运动，真空不运动的时候呢？这里就不能用到相对性原理了，对于静止的观察者和运动的观察者看来，光都是从闪光的地点发出的，光在真空的速度都是C，但光到达静止的观察者的时候，运动的观察者由于远离的运动就会造成晚到达。这样，光相对于观察者的速度就是不同的。

根据麦克斯韦方程组得出的光速不变与相对性原理，我们对光速的理解就变成光速绝对不变。如果放弃光速的绝对性，我们对相对性原理就会有以下的理解。

相对性原理的涵生原理

运动的惯性系中实验与静止的惯性系中实验一样，我们不能用实验验证参考系是运动的还是静止系的。同样，相对性原理的成立，不会随着观察者的不同而改变相对性原理。与观察者的速度无关与观察者的位置无关。

就是说在静止惯性系中的观察者看来，运动惯性系中的物理现象的结论是一样的，观察者或者说参考系不改变相对性原理的成立。例如摆的等时性。

我们不能用实验验证参考系是运动的还是静止的。在运动惯性系中，我们不能用实验验证参考系是运动的，那么运动是相对于谁说的?另一个参考系。相对性原理在运动惯性系的成立在另一个参考系看来就是，参考系的运动不影响实验的结果，不影响物理规律，包括力学规律，电磁规律。例如光在运动介质中的传播，介质的运动不影响光速。在相对于介质静止的观察者看来，光速不变。相对性原理不会随着观察者的不同而改变，在静止的观察者看来，介质的运动不影响光在介质中的传播速度。

如果相对性原理的成立不会随着观察者的不同而改变，那么运动惯性系中的物理规律或说结论，在静止惯性系看来是不变的， 这样的话，我们就会得出，运动的火车里传播的光，在路面的观察者看来也是同时到达车厢的前壁和后壁的。

如果真空也能够符合相对性原理，那么参考系的运动带动真空运动，真空运动中真空磁导率与介电常数保持不变。

参考文献：【1】百度百科《伽利略.伽利雷》【2】百度百科《摆的等时性原理》【3】《同时的相对性》宝坻教研网【4】《相对运动中力与参考系的关系》【5】《相对性原理在介质中的应用》【6】《惯性系与非惯性系的对应关系式》【7】《物理学中量的计算与相对论的关系》【8】《重提古老的话题--光速》【9】《波频率的相对性》【10】《惯性2013最新认识》【11】《迈克尔逊莫雷实验和《自然科学的哲学原理》的结合》【12】《等效原理最新理解20131101》【13】《关于《广义相对性原理独特视角》的公告》

2013年11月16日8:08:09吴兴广