相对论基石——洛伦兹变换的奥义为什么移动的物体长度会收缩?

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长度缩短是一种相对论现象,即一个运动物体的长度被丈量为比它在静止坐标系中的长度短。它只产生在运动的方向上,并且它的影响只要在物体以接近光速的速度运动时才显著。

1905年,当阿尔伯特·爱因斯坦仍是伯尔尼联邦知识产权办公室的助理审查员时,他在科学杂志《物理学年鉴》上发表了四篇革命性的论文。这篇文章中,咱们将对其中的一篇论文(即关于运动物体的电动力学)进行评论。在这篇论文中,爱因斯坦介绍了他的狭义相对论。为了谐和其时已知的麦克斯韦电磁学方程和力学方程,爱因斯坦不得不在牛顿的时空概念中引入革命性的改变。

图1:爱因斯坦和他用洛伦兹变换介绍洛伦兹缩短的狭义相对论论文。狭义相对论的假设

在我最近的一篇文章从洛伦兹变换得到时刻胀大方程,狭义相对论最深刻的理解中,我阐明晰狭义相对论的两个假设。为了坚持本文的完整性,我将重复它们:

相对论原理:任何由观察者进行的实验都不会依赖于他相关于其他观察者的速度。光速的普遍性(不变性):光速相关于任何观察者是恒定的,与光源和观察者之间的相对运动无关。为了丈量时空,爱因斯坦将一个由时钟和棒子组成的网格抱负化了,如下图所示:

考虑如下图3所示的以速度v移动的火车车厢。汽车里有一盏灯和一面镜子。明显,关于车里的观察者来说,信号(光)需要:

式6:洛伦兹缩短。下面是一个长度缩短的比如。一般情况下,在旋转的轮子接触地面的一点,接触点的速度v有必要为零,否则轮子就会打滑。长度缩短产生在车轮的上部,在那里 v 0。图5中的动画清楚地说明晰洛伦兹缩短的产生。

图4:在上面的部分,有最大的旋转,而在较低的部分,有最小的旋转咱们得出结论: Δx Δx’,外界观测到的间隔要小一些。

目前,物理学作为自然科学的两大支柱之一(另外一个是数学),在众多学科之中,物理学越来越重要。但是对于大多数人来说,物理是最难的学科。其中抽象的概念,物理原理,令许多孩子苦不堪言。

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