6.时间同步与超光速
2014-6-2 刘波
两个参考系的时钟能否同步？
我们可以在同一地点同一时刻，将两个参考系的时钟校准。
例如，一列长为3千米的火车，在轨道上行驶，速度为V。轨道上有A、B两点也相隔3千米，与火车的长度L完全相等。当火车头在经过B点之后，冲至A点的那一瞬间，我们知道火车尾也刚好到达B点。
这时刻，火车时钟可以参考场面时钟校对好时钟。这样，车头与车尾的时钟就同步了。
反过来也可以。让地面时钟参考火车时钟，在同一地点同一时刻，将自己的时钟校准。
那么，火车时钟与地面时钟能随时、随地对准。在同一地点，同一时刻，两者的时钟指示相同。在不同地点，同一时刻，两者的时钟指示也相同。
这样一来，两个参考系的时钟就可以同步了。
即：我们可以令t1＝t1'， 然后令t2＝t2'
同时观念与参考系
我们也可用实例来分析。
一列长为3千米的火车，在轨道上匀速前进，速度为5千米／秒。轨道上有A、B两点也相隔3千米，与火车的长度L完全相等。当火车头在经过B点之后，冲至A点的那一瞬间，我们知道火车尾也刚好到达B点。
可以认为：车头与A重合，车尾与B重合，这是不同地点发生的两件事。但这两件事只能是同时发生的．不论是在地面上观察，还是在火车上观察，这两件事的时间间隔均等于0。并且，这两事件的空间间隔S ＝ L ＝ 3千米，无论是以地面为参考系。还是以火车为参考系，结果相同。
在这里，我们也看出：t ＝ 0， S ＝ 3千米，这两个结果均与V的大小无关．
因此，我们又可以认为：如果A、B两事件是同时发生的，则在任何参考系看来，它们都是同时发生的； 并且，这两事件发生时的空间间隔，也是一个不变量，与参考系的选择无关。
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同时绝对性原理
请大家思考：时间能否同步？
我们知道，同一参考系的时钟，能够同步。
但是，不同参考系的时钟，是否能够同步呢？
在经典力学中，已经有这一认为，只是，大家没有分析过这一问题：不同参考系的时钟，是否能够同步？
如果不能实现同步，那么，同时性，就只能是相对的！
如果能够实现同步，那么，在两个相对运动的惯性系，在同一时刻，同一地点，时钟的指示，可以是相同的！
只要能实现同步，那么，同时性，就是绝对的！
只要能实现同步，那么，我们可以下一个结论：
时间同步原理 如果A、B两事件是同时发生的，则在任何参考系看来，它们都是同时发生的。
例如，7点正，火车中点同时发出闪光，7点01分同时到达车头与车尾，然后，7点02分，又同时返回中点。这一过程，在火车上观测，结果是这样。换成地面参考系来观测，结果也一样。换成其它高速运动的参考系，结果也一样：
结果（1）7点正，在火车中点发出闪光的这一时刻，与火车中点重合的时钟，全都指向7点正，不同参考系的时钟，在这一时刻，得以同步。
结果（2）7点01分同时到达车头与车尾，与火车头或火车尾重合的时钟，全都指向7点01分，不同参考系的时钟，在这一时刻，得以同步。
结果（3）7点02分，闪光同时返回中点，与火车中点重合的时钟，全都指向7点02分，不同参考系的时钟，在这一时刻，得以同步。
时间同步原理，在没有足够理由否定这一结论时，我们可以将它看作一个真理，一个公理！当然，也可当作一种规定，当作统一时间的标准！
有了统一的时间标准，才会有统一的观测结果，如某个事件发生的时间，结束时间，持续时间，两个物体的相对速度，一列火车的长度......
通过时间同步原理，我们还可得出一些结论，如：
1）时间一致定理 两事件的时间间隔△t ，在任何参考系看来，都是一致的。同一过程经历的时间△t ，与参考系的选择无关。如闪光穿过火车的时间是1秒，则在其它参考系看来，都是1秒。
2）长度一致定理 物体的长度L，与参考系的选择无关。如火车的长度是1000米，在其它参考系看来，也是1000米。
3）速度相对定理 任何物质的运动速度都是相对的，不存在一个绝对不变的速度。即速度是个可变量，与惯性系的选择有关。
4）光速可变定理 ......
利用这些定理，我们可以解决许多问题，可以化解许多矛盾！例如：
超光速现象 ......目前观测到的最大红移量Z已超6，那么，这类星体的退行速度实际上已超过6C 。
但是，许多人提出疑问：退行速度已超过了光速，那么，它发出的光波，怎么可能到达地球？
原因：光在真空中的速度，是由它的传播路径决定的，与光源自身的运动无关。所以，即使一个星球以10倍光速远离我们，但它所发出的光线，仍可能到达地球。
超光速现象，其实是一种合理现象，在宇宙中，速度超过光速的星球，其实很多很多，是一种非常普遍现象！是一种客观现象！
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极限速度不存在?
论光速可变(1)
设真空中的光速为C(相对于地球)
现有一光源K在向西匀速运动，速度V＝0.5C。
在t1时刻，光源K在地点O发出闪光，
该光波的原始频率为f0，原始波长为λ＝100ｍ
在t2时刻，东西两方向的闪光分别到达A、B两地点，光源K到达D地点。
（t1与t2间隔一个周期T＝λ/C＝100ｍ/C）
这时刻，OA＝OB＝100ｍ，DA＝50ｍ，DB＝150ｍ（在地面观测者看来）
求：在与光源K相对静止的观测者看来，KA与KB在t2时刻的大小？ 分析：当K到达D点的那一时刻，两闪光分别到达A、B两点，
此时刻，K与D重合，两闪光分别与A、B重合（如图）
所以，KA＝DA＝50ｍ，KB＝DB＝150ｍ
由此推论：在参考系K看来，向西的光速变慢，向东的光速变快。
C西＝C-V＝0.5C，C东＝C+V＝1.5C，
λ西＝KA＝DA＝50ｍ，λ东＝KB＝DB＝150ｍ 这一结果也表明：在运动参考系看来，光速不再恒定；光速的大小与方向有关，与参考系相对于地球的速度有关。
结论：真空中的光速是可变的。 另外，在此实验中，我们也看出：K与D重合，两闪光分别与A、B重合，这是在同一时刻发生的3事件。这3事件的时间间隔为0。取任一参考系看来均有：
Δｔ＝0，KA＝DA＝50ｍ，KB＝DB＝150ｍ
由此推论：同时性是绝对的！
同时发生的两事件，其时间间隔为0，与参考系的选择无关；其空间间隔ΔL也与参考系的选择无关。如KB＝DB＝150ｍ，取任一参考系看来均等。 但是，如果两事件不是同时发生的，其空间间隔ΔL就是相对的。ΔL与参考系的选择有关。例如，A、B两事件不是同时发生的，A先B后，时间间隔Δｔ＝0.1秒，空间间隔ΔL＝10C（在地面观测者看来）
但这里的ΔL与参考系的选择有关。
当观测者的速度V达到100C时，A、B两事件空间间隔ΔL可缩短为0。
不过当Δｔ＝0 时，观测者的速度V即使达到百万倍C，也无法让ΔL缩短1毫米。
论光速可变(2)
但是，如果按照相对论效应分析，则是另一种结果。
假设在参考系K看来，C西＝C东＝C，则有
（1）在t1时刻 KA＝KB＝100ａ＝86.6ｍ（ａ＝0.866）
OA＝OB＝KB＝86.6ｍ
（2）在t2时刻， KA＝DA＝50ａ＝43.3ｍ
KB＝DB＝150ａ＝130ｍ
KA＝KO＝DO＝43.3ｍ
（3）在参考系K看来，两闪光到达A、B两点所花的的时间也变了
西向闪光相对A的速度变为 C1＝C+V＝1.5C
东向闪光相对B的速度变为 C2＝C-V＝0.5C
西向闪光到A所花的的时间 Δｔ西＝OA/C1＝86.6/1.5C＝57.7/C
东向闪光到B所花的的时间 Δｔ东＝OB/C2＝86.6/0.5C＝173.2/C
Δｔ东:Δｔ西＝3:1
Δｔ东 - Δｔ西＝115.5/ｃ＝ Δｔ
(Δｔ是两闪光到达A、B两点的时间间隔) 如此看来，Δｔ的大小，在不同参考系有不同的数值。
但是，如果V＝0.9C，则 Δｔ东＝4.36T，Δｔ西＝0.235T，Δｔ＝4.125T
如果V更接近C，则 Δｔ将更大，这就出现一个问题。
例如，本来1毫秒两闪光就分别到达了A、B两地点，但是在参考系K看来，西向闪光不到1毫秒就到达了A地点，而东向闪光却几天都到不了B地点。
这显然不合事实！
正确的结果应当是——在同一时刻，两闪光分别到达A、B两地点，光源K到达D地点。这一结果与参考系的选择无关。
在光源K到达D地点之后，在参考系K看来，有一个不可否认的事实——东向闪光已到达了B地点。 这些分析表明——即使照相对论效应分析，光速也是可变的。
可以肯定——C西＜C东（在参考系K看来），这是不可否认的事实！
由C西＜C东，C西＜C，C东＞C 又可以推论——超光速是一种普遍现象！ 以上分析表明——
任何物质的运动速度都是相对的，不存在一个绝对不变的速度。即速度是个可变量，与惯性系的选择有关。（速度相对原理）