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时间同步与超光速

(2014-07-08 18:41:15)
标签:

时间同步与超光速

分类: 相对论问题

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。
————————————————————————————————
  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点正,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!
—————————
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)

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