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正和的校钟方法的进一步计算
[楼主] 作者:xuebinguo  发表时间:2004/11/06 22:03
点击:280次

假设B相对A以速度u向右运动,C相对A以速度v向右运动,一开始ABC重合。


则A认为将C的P钟校为与A同步的方法是:每秒发射一个光信号,C收到一个光信号则根据修正令P跳相应读数(显然与P自己的固有秒是不同的)。


同样,B认为将C的P'钟校为与B同步的方法是:每秒发射一个光信号,C收到一个光信号则根据修正令P'跳相应读数(同样与P'自己的固有秒是不同的)。


由于 A, B 问题等价, 只考虑一方A的情况,另一方可以相应推出,

以 C 的视点, 假设 A 远离 C , 观察到的是多普勒效应红移,
ΔTc = ΔTa / k , k 为多普勒因子 sqrt((c-v)/(c+v))

光信号传播时间差可以这样计算, 前后两个信号,后一个信号由于发射间隔内光源运动的影响,对时间差影响了

ΔTa * γ * v / c   (γ 为时间膨胀因子)

因此修正后的时间间隔为 ΔTc - ΔTa * γ * v / c = ΔTa * ( 1/k - γ * v/c ) = ΔTa * γ

仍然反映了 A 相对于 C 运动的时间膨胀效应. (另一方向的相对运动效果同理可以计算,结果相同)

同理,  C 接收 B 的光信号, 通过修正后仍然反映的是 B 相对于 C 运动的时间膨胀效应.

由以上结果可以看出, 正和的校钟方式, 根据接收到的时间间隔, 根据相对论进行修正后,
得到的读数快慢完全等价于理论计算得到的 A, B 分别相对于 C 的时间膨胀效应,
因此是可行的。


虽然此例的时间精度只有1秒,不过可以通过提高光信号频率来提高精度,于是相当于连续校钟。

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 [2楼]  作者:正和  发表时间: 2004/11/06 22:23 

完全正确!不过这不是“正和校钟法”,而是相对论“应用校钟法”。实际中有点改进……

……也就是不会对“修正时间间隔”进行累加,因这样会产生误差积累。

实际上还是将基准钟的读数T调制在信号中,收到钟调整自己的读数为T+deltT,所有计算按基准钟所在参照系的观点进行。

 [3楼]  作者:正和  发表时间: 2004/11/06 22:38 

这样校出来的“动钟”用于测光速得到的光速不是常数;如果在引力场中,这样校出来的“静钟”测出来的光速也不是常数。

因为这种校钟法是跨参照系的“坐标时”校钟法。引力场中不同地点静止的两个观察者也不在同一参照系中,而是在弯曲时空流形的不同区域,有不同的局域时间,而应用中一定要用全局时间,就只能是用坐标时间了。这样的坐标时间相减得到的不是固有时间,坐标时的秒与当地的固有秒不一样大(只有基准钟所在地才一样)。

特别地,在GPS中,由于涉及旋转引力场,用坐标钟测得的光速不仅各点不一样,即使在同一点各向也不一样。

这些都是在(局域)惯性系光速不变原理的基础上推出来的,不仅与相对论不矛盾,而且只有相对论能驾驭这种可变的表观光速。

[楼主]  [4楼]  作者:xuebinguo  发表时间: 2004/11/06 22:38 

回复: 我的意思是纯粹用光,不用数字信号也一样可以校准

当然,如果用信号传递附加信息的话会减小误差。

其实,用低速信号也一样可以实现校钟,只不过要考虑速度合成的效应。(正和好象原先有个帖子说只能用光校?这个我是不同意的)
这种问题其实在时空图上画世界线解几何问题最容易有直观解释了,但论坛上没法画图,只好靠公式了,麻烦。

 [5楼]  作者:正和  发表时间: 2004/11/06 22:56 

同意!没学会时空中的静态几何思维而始终用空间中的运动思维是无法很好地掌握相对论的。

而且几何化是GR的起点。不过这种思维的入门对多数人可能都是难点,因为“运动”直觉太深了。

 [6楼]  作者:yanghx  发表时间: 2004/11/07 00:22 

好象是需要“加利略修正”?

地面的静钟A要校准动钟B可能要做“加利略修正”吧?
假设A在T时刻测得B的位置坐标是X,
于是在T时刻发出包含T和X数值的校时信号P,
可是在B收到P时,A与B的距离已经改变了?
实际信号P的传送时间t要比X/c要长一点?
假设B的速度是v,那么实际的信号传播距离是:X+vt,
所以有:
t=(X+vt)/c
解得:t=X/(c-v)>X/c
那么这个(c-v)是什么意思呢?是“加利略修正”吗?

正和说:
所有计算按基准钟所在参照系的观点进行。
这我有点不太理解了,动钟怎么能与静钟同时呢?
如果上面的“加利略修正”可以用“时慢公式”取代的话,
可是对于B“接近”A的情况怎么办呢? 如果用光多普勒公式修正, 那就是说不用考虑“时慢效应”引起的时差了? “时慢公式”在此处失效了?

另外对于有待定位的GPS接收机就不能这样校时了吧?
因为此时X本身就是待测量?



[楼主]  [7楼]  作者:xuebinguo  发表时间: 2004/11/07 09:00 

补充遗漏的一点, 运动双方对这个校准本身都持同样的看法

以 A 的视点来看,此时 C 远离 A

A 认为 C 接收到的时间间隔是多普勒效应红移和时间膨胀效应的综合,
ΔTc' = ΔTa * γ / k = ΔTa * c / (c-v),  k 为多普勒因子 sqrt((c-v)/(c+v)), γ 为时间膨胀因子


光信号传播时间差可以这样计算, 前后两个信号,后一个信号由于发射间隔内接收者运动的影响,对时间差影响了

ΔTa * v / (c-v)  (注意这里与原贴的计算方法不同,因为双方的视点不同)


因此修正后的时间间隔为 ΔTc' - ΔTa * v / (c-v) = ΔTa

因此,从 A 的观点看,C 点经过接收和修正后的时钟正确反映了己方的时钟快慢。

(另一方向的相对运动效果同理可以计算,结果相同)


综合原贴 : 以 C 的视点分析,以及本贴从 A 的视点分析,双方虽然对 P 钟的快慢速度有分歧(与己方时钟对比,A 认为 P 既不快也不慢,C 认为 P 慢了),但都认为该钟与 A 的钟校准了。这也正是异地较钟能够成立的基础,并且双方不会产生逻辑上的矛盾。


以 C 的观点来看,时慢效应最终体现在:他手中的 P 和 C 不同步,P 慢,因为 P 与 A 同步。

而对于 A 来说,此例中 A 并不能看到 C 的结果,但他也同意 P 与自己同步,从而认为 P 比 C 快(时慢效应)。

但最终应该由谁来判断呢,应该由C,P两个钟附近的观察者来判断,他同意 C 的判断。

这只是我的个人意见,没有仔细想,可能还是有一些问题。希望高人能够帮我指正这两个贴算得对不对。

[楼主]  [8楼]  作者:xuebinguo  发表时间: 2004/11/07 09:45 

回复: 你校钟的时候难道不是测量前后相邻两个信号的时间差?

跟动钟离你多远有什么关系?就算再远,相邻的信号时间差也是不变的,你研究半天的 X 是可以在计算中相抵的。

前后两个相邻信号期间,由于运动产生的影响(需要在接收方修正的量),我在这个主贴和补充贴中都作了计算。你查一下。

“时慢效应”引起的时差?我觉得你是混淆了一些概念。
这个帖只是在谈,C 手中的 P(静钟)如何与 A(动钟)同步的问题。以 C 的观点来看,时慢效应最终体现在:他手中的 P 和 C 不同步,P 慢,因为 P 与 A 同步。

而对于 A 来说,此例中 A 并不能看到 C 的结果,但他也同意 P 与自己同步,从而认为 P 比 C 快(时慢效应)。

但最终应该由谁来判断呢,应该由C,P两个钟附近的观察者来判断,他同意 C 的判断。

这只是我的个人意见,没有仔细想,可能还是有一些问题。希望高人能够帮我指正这两个贴算得对不对。

 [9楼]  作者:guofengjun  发表时间: 2004/11/07 10:24 

举个实例就是:请分析我们使用的手机(联通网)的时间校对方法。
正和的校钟方法的进一步计算
 [10楼]  作者:yanghx  发表时间: 2004/11/07 12:50 

“正和测钟法”是前后两个信号吗?

实际只有地面站可以用激光精确测量卫星的距离X,
然后把X与T一起发给卫星,
卫星就把自己的钟调到T+X/c ?

这是对“地球同步卫星”说的,
但是恐怕实际的完全同步也很难的?
所以可能卫星相对某个地面站的距离X会有微小的变化?
这就是你说的B相对A是运动的了,
所以可能就要作出“加利略修正”?

[楼主]  [11楼]  作者:xuebinguo  发表时间: 2004/11/07 12:52 

解决此时钟佯缪的进一步考虑

前贴的结果导致了一个看上去的佯缪,既然 A 和 C 都对这个校钟的过程不存在异议,但为什么会对 P 的结论不同呢?

注意观察前两贴中的双方观点:
C 中,接收到的时间差为 ΔTa / k ,修正的时间差为 ΔTa * γ * v/c 
A 中,认为 C 接收的时间差为 ΔTa * γ / k ,修正的时间差是 ΔTa * v / (c-v)  

在这两个前提下,双方才会各自认为 P 的钟与 A 同步。但这两个前提是彼此矛盾的!

C 的情况比较简单,因为所有值都是自己观测出来的,因此对校钟结果没有异议。认为 P 比 C 慢。

而 A 的所有值都是计算出来的,而非观测(此例中 A不能观测到 C 的数值)。因此如果 A 知道了 C 的修正过程,它会认为对方的接收间隔和修正都是错误的,因而才会导致 P 的读数比 C 慢的结果。

而反过来讨论 A 所认为正确的较钟结果,由于 A 的计算值等同于在 A 参照系中放置无数个异地同步钟的考察情况。因而 C 有理由认为这些钟在自己看来实际上是不同步的!因而 A 的计算值在 C看来都靠不住,只有将 A 的计算结果对这些异地时钟的差异加以修正才会被 C 认可。最终的结果仍然与自己观察的结果 P 相同。

因此这个佯缪实际上等价于“时钟的佯缪“,只要绝对同时不存在,这个佯缪是可以合理解释的。双方从各自参照系的计量和观测出发,认为对方的计算和观测都是错的,根据相对论的修正,从而可以得出符合自己的结果。

 

[楼主]  [12楼]  作者:xuebinguo  发表时间: 2004/11/07 13:27 

回复: 只发一个信号怎么校准时间这种周期行为?除非是已知了距离

如果距离变化的话就最好用间隔信号的方法校准。(我不知道用一个信号是否可以,我认为是不可以。)

用你说的那种校准是在同一个参照系里面的异地校钟办法(原理上是把两个钟都认为是静钟),等同于同一个参照系内 X轴上无限个等间隔静钟的校准办法。

但跟我们说的不是一回事。我们正在说的是动钟和静钟的校对方法。当然计算原理也是观测值-修正值。只不过我一直用的是用间隔来校准,这样好像更简单一些。

 [13楼]  作者:yanghx  发表时间: 2004/11/07 13:58 

那恐怕只能校准时间间隔相等,
校准不了“同步”吧?
你再好好看看“正和校钟法”?
一次校准只发出一个信号,
只不过这个信号不是简单的闪光或单脉冲,
而是载有T和X的载波信号,

另外他好象认为卫星可以自己知道X,
其实恐怕还是地面站告诉卫星的?
[楼主]  [14楼]  作者:xuebinguo  发表时间: 2004/11/07 15:10 

回复: 我的意见是不需要附加波载信息的

单纯光信号的频率变化理论上就可以进行测量。

地面参照系根据频移可以算出 v,后面的过程一样可以修正。

波载信息能够使得测量更准确。但这个改进,只是针对测量误差而言。对于理想测量来说是不必要的。

 

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