12.量杆和鐘在運動時的行為

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我沿着K&rsquo的x&rsquo軸放置一根米尺,令其一端(始端)與點x&rsquo=0重合,另一端(末端)與點x&rsquo=1重合。問米尺相對于參考系K的長度為何?要知道這個長度,我們隻須求出在參考系K的某一特定時刻t、米尺的始端和末端相對于K的位置。借助于洛倫茲變換第一方程,該兩點在時刻t=0的值可表示為:

    兩點間的距離為。但米尺相對于K以速度度v運動。因此,沿着其本身長度的方向以速度v運動的剛性米尺的長度為米。因此剛尺在運動時比在靜止時短,而且運動得越快剛尺就越短。當速度v=c,我們就有=0,對于較此更大的速度,平方根就變為虛值,由此我們得出結論:在相對論中,速度c具有極限速度的意義,任何實在的物體既不能達到也不能超出這個速度。

    當然,速度c作為極限速度的這個特性也可以從洛倫茲變換方程中清楚地看到,因為如果我們選取比c大的v值,這些方程就沒有意義。

    反之,如果我們所考察的是相對于K靜止在x軸上的一根米尺,我們就應該發現,當從K&rsquo去判斷時,米尺的長度是,這與相對性原理完全相合,而相對性原理是我們進行考察的基礎。

    從先驗的觀點來看,顯然我們一定能夠從變換方程中對量杆和鐘的物理行為有所了解,因為x,y,z,t諸量不多也不少正是借助于量杆和鐘所能獲得的測量結果。如果我們根據伽利略變換進行考察,我們就不會得出量杆因運動而收縮的結果。

    我們現在考慮永久放在K&rsquo的原點(x&rsquo=0)上的一個按秒報時的鐘。t&rsquo=0和t&rsquo=1對應于該鐘接連兩聲滴嗒。對于這兩次滴嗒洛倫茲變換的第一和第四議程給出:

    t=0。

    從K去判斷,該鐘以速度v運動;從這個參考物體去判斷,該鐘兩次滴嗒之間所經過的時間不是1秒,而是秒,亦即比1秒鐘長一些。該鐘因運動而比靜止時走得慢了。速度c在這裡也具有一種不可達到的極限速度的意義。