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再讲时钟相对性和固有时不变性,和满的卫星钟问题
[楼主] 作者:xuebinguo  发表时间:2004/12/25 13:17
点击:411次

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 c22 表示,其起点到终点的矢量表示一个四维位移,其长度 c22 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

c22 = c2dT2 - dσ2       (1)

dT 代表观测者测得的时间间隔
dσ 代表观测者测得的空间间隔

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)1/2iui/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)1/2iui/c]   (3,时间间隔)
dσ = u dt                        (4,空间间隔)

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:

A = dτC = dt (1-3m/r)1/2
B = dt (1-2m/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
dTBA = dt (1-2m/r)/(1-3m/r)1/2
dTCA = dt (1-m/r)/(1-3m/r)1/2

AA = 0
BA = dt [(1-2m/r)(m/r)/(1-3m/r)]1/2
CA = dt [(1-2m/r)(4m/r)/(1-3m/r)]1/2

II. 以 B 观点,可以得到:

dTAB = dt (1-2m/r)1/2
dTBB = dt (1-2m/r)1/2
dTCB = dt (1-2m/r)1/2

AB = dt (m/r)1/2
BB = 0
CB = 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
dTBC = dt (1-2m/r)/(1-3m/r)1/2
dTCC = dt (1-3m/r)1/2

AC = dt [(1-2m/r)(4m/r)/(1-3m/r)]1/2
BC = dt [(1-2m/r)(m/r)/(1-3m/r)]1/2
CC = 0

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)

AC = 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。

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 [2楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2004/12/26 01:29 

时钟与参考系时间

xuebinguo

其中“c22 = c2dT2 - dσ2       (1)

dT 代表观测者测得的时间间隔
dσ 代表观测者测得的空间间隔”

一个时钟可对应时间轴或时空参考系中与时间轴平行的线,运动时钟对应动系时间轴。对于运动观察者来说,时间dτ的测量不是问题。但在整个时空参考系中进行时间测量则几乎是不可能的,我们不可能有那么多时钟测dT ,因为dT 是异地时间间隔,是不可以用一个时钟测量的,而且光速在以dT 表示时间的参考系中不是常数,而是坐标时。对动点的dT 和dσ 的测量就更不准确了。实际可测的一般限于静止长度和一个时钟的时间。一个参考系的测量只能用GPS或更复杂的系统。

 

[楼主]  [3楼]  作者:xuebinguo  发表时间: 2004/12/26 10:30 

小的地方我们还是有些分歧的

引用就引用吧,别断章取义啊?公式上面的一句,你就给漏掉了。

"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。"

把几句合起来看,我的意思是只有随动观测,dτ 才能准确测量,而此时由于 dσ = 0,dT 在随动观测系中也不是异地时钟,不存在你怀疑的问题。

在任意参考系来测量 dτ 当然是不现实的,但是 dτ 不变是公设,相当于四维距离不变。没有这一条,任意参考系之间的变换就建立不起来。因此任意参考系总可以通过邻近的局部惯性系来测量同一个 dτ 。

我这个公式里面的 dT (公式里故意用大写的,表示区分)不是原先的坐标时 dt,相反,dT 首先包含了用标准钟测得的时间间隔,只不过在一般非正交情况下,还包括了一些空间项而已。因此用 dσ/dT 的话,应该测出来的是固有光速,恒为 C,也没有非常数的问题。

至于你讲的动点的dT 和dσ 的测量不能实际测,我希望就这个问题而言,可以把实际测量称为 △T和△σ,以示和微分量的区别。微分量本来就只对应瞬间局部作用,综合效果还是要看积分,只有用微分揭示规律、并用积分路径求和对我们才有实际意义。

 [4楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2004/12/27 13:16 

你还是没有搞清楚固有时与坐标时的不同

对相对运动问题的测量,当精度要求达到可测出相对论效应时,必然是多时钟测量。

地球的坐标时,不是你在相对论书中看到的,更不是通过一个因子sqrt(g00)就可以转换成固有时的。这样的转换不可能将各向异性的光速变成各向同性。

 

[楼主]  [5楼]  作者:xuebinguo  发表时间: 2004/12/27 21:55 

久广说别人不清楚,那自己想必是清楚了。

我可从来没有说过光速的各向异性是由于 g00 因子引起的,我一直都说的是非时轴正交导致的。正交化消去矢势的过程就等于将矩阵对角化的过程,没错吧。用坐标时测量光速得出的各向异性,通过正交化,可以变成各向同性,有什么不对?这个正交化当然不是乘上一个 g00 那么简单啦。

你认为哪个概念不对?如果取自然坐标单位令 c = 1的话。

坐标时 dt = dx0
固有时隔 dT = dxig0i/sqrt(g00) ≠ dx0sqrt(g00)
固有长度 dσ = sqrt[(g0ig0k/g00 - gik)dxidxk]
随动测量的原时 dτ2 = dT2 - dσ2

 [6楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2004/12/28 11:36 

你又错了

固有时隔 dT = dxig0i/sqrt(g00) ≠ dx0sqrt(g00)
是什么意思?在正交系中固有时恒等于0,时间可以不走吗?

我的理解是几何图象,不清楚用公式应当如何表示,也不知道是否可以又公式表示。

 

 

[楼主]  [7楼]  作者:xuebinguo  发表时间: 2004/12/29 21:21 

固有时隔的i下标是从 0~3 的,你要是能算出恒等于零算你有创意
时轴正交系的 g0i = 0 ,下标只表示 1~3 ,久广这个问题还出错实在不应该。
 [8楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2004/12/30 10:50 

你的创意没用

相对论给出的是一个固有时钟的时间,不是参考系时间。空间点无所谓正交,线和面才有正交。与时轴正交的是爱因斯坦同时线,而有限范围的爱因斯坦同时面一般是不存在的。因此一般是不会有时轴正交的。

 

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