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和满认为凡相互运动的观测者,必然会认为对方的时钟速率与己方不同。而相对论又认为两个事件之间的固有时流逝是不变的。他认为在这两种说法中存在矛盾。 这种质疑的观点我认为是非常普遍的,因此我打算就我的理解分析一下。 在普遍的四维时空中,无论 SR 还是 GR,其邻近两点(事件)之间的四维距离都可以用 c2dτ2 表示,其起点到终点的矢量表示一个四维位移,其长度 c2dτ2 可以按空间和时间维分解为两项的'相加'(由于没有采用虚时间,实际上是相减)。恒有 c2dτ2 = c2dT2 - dσ2 (1) dT 代表观测者测得的时间间隔 这个公式的意义在于何处?首先我们应该承认,dτ 一般是无法直接测量的,而 dT 和 dσ 才是可测量的物理量。只有在 dσ = 0,即没有空间位移的情况下,dT 才与 dτ 相等。因此我们也把 dτ 称为随动观测的固有时,代表运动时钟的真实流逝时间。 我在前面的帖子给出了一个计算运动标准钟的速率公式, dτ = dt {[(g00)1/2 -γiui/c]2 – u2/c2}1/2 (2) 不难看出(1)(2)两式是完全等价的,这里 dT = dt [(g00)1/2 -γiui/c] (3,时间间隔) 对于任意的观测者,对于 dT 和 dσ 可能有不同的测量结果,但对于由此得到的 dτ 的计算结果,也就是运动标准钟的速率——乘以 c2 后即为四维位移的长度,都会得出相同的结论。 因而我们不难理解,dT 与 dt 的差异对应时钟的观测效应,而运动时钟自身的真实流逝时间,必须要用 dτ 来表示。 我们再回过头看一看 SR 与 GR 在这一分析过程中的差别。 GR 的度规计算,普遍采用各参照系坐标时的微分 dt 相等的解法。因在一般引力场条件下,g00因子各点不同,只能采用统一坐标时速度。于是对于同一个观测者而言,无论采用何种坐标系,所测的 dT 和 dσ 都是不变的。而其它以一定速度运动的邻近观测者,虽然它们测到的 dT 和 dσ 彼此之间互不相同,但计算出来的 dτ 仍然是一致的。 SR 的度规计算采用的是另一种方式,即各个惯性系自身的 dt 是不同的,那么两个相互运动的惯性系之间由于各自的 dt 不同,根据(3)(4)两式则分别对应了时涨和尺缩效应。但它们计算出来的dτ 仍然是一致的。 为了总结一下上面的对比,我们拿地球上空同一圆周轨道上的两颗卫星A, C 相交的一刹那为例。设相交点处还有一个始终相对地心静止不动的钟 B。 根据(2)可以知道三个钟的标准速率是: dτA = dτC = dt (1-3m/r)1/2 dτ 是参照系变换不变量,根据以下各自观点的运算结果也可用(2)式自行验算。 I. 以 A 观点,做φ方向的变换,可以得到:(下标1表示待测者,下标2表示观测者,下同,有兴趣的可以用史瓦西度规,令 φ' = φ - ωt 做变换) dTAA = dt (1-3m/r)1/2 dσAA = 0 II. 以 B 观点,可以得到: dTAB = dt (1-2m/r)1/2 dσAB = dt (m/r)1/2 III. 以 C 观点,做φ方向的变换,可以得到: dTAC = dt (1-m/r)/(1-3m/r)1/2 dσAC = dt [(1-2m/r)(4m/r)/(1-3m/r)]1/2 IV. 根据以上计算结果可以看出 dTAC = dTCA (AC相互观测的对称时涨现象) dσAC = dσCA (AC相互观测的对称尺缩现象) 但与 dτA = dτC = dt (1-3m/r)1/2 没有矛盾。 |