上篇文章中,大家纷纷提到了时间。认为小编对于时间的表述是有问题的,事实上,我们很难对于时间给出一个定义,因为那经常会把时间给带进来,犯了循环定义的错误,变成了在语言上转圈。
小编将采取一种实用的方法,将时间具体定义为钟表测量的东西。我们将钟表看成匀速、规则、循环运动的测量仪器,通过时针和分针的转动圈数来确定时间。
当然了,有人可能会说:规则的循环运动这句话本身也隐含着时间的概念。是的,因为“规则”本身就是代表每个循环的时间间隔相同。从实用角度出发,我们希望钟表反复循环,不受任何改变。
现在,小编已经用钟表定义了时间;下一步,我们就开始认识运动如何影响时间的流逝!当然,这个问题可以转换为运动如何影响钟摆的“滴答”?首先,要先确定一点:机械零件的因素我们并不考虑。我们只是讨论:运动如何影响钟表的节律。
科学家为此,引入了一种“光子钟”。这种光子钟由架子上的两面相对的小镜子组成,光子在两面镜子上可以来回反射。两面镜子距离15cm。
根据光速,光子来回一趟需要十亿分之一秒。科学家把光子一次的往返作为光子钟的一次“滴答”。嘀嗒10亿声就意味着经过了1秒。
两面平行镜子构成的光子钟,中间有一粒光子
光子每完成一次往返,钟就“嘀嗒”一声
此时,我们用光子钟来测量两件事的时间间隔。只需要计算出“滴答”的次数,便可以得到对应的时间。比如,博尔特的百米赛跑过程中,光子来回的次数为98亿次,那么我们就知道他跑了9.8秒。
运用光子钟的原因是,它的力学性质简单,可以摆脱外来影响,帮大家认识运动如何影响时间过程。我们观察一下桌子上的光子钟是如何计时的。同时,大家可以思考一个问题:运动的钟与静止的钟,会有同样的“嘀嗒”吗?
前面是静止的光子钟,另一只光子钟匀速滑过
对于这个问题,我们在自己的角度看光子在钟内该走的路径。如上图,光子从钟底出发,到达上方镜子。在大家眼中,钟是运动的,光子的路径应该像下图这样。如果光子不走这条路,就会错过上方的镜子,飞向空中。
但是,滑动的钟也可以说自己是静止的,其他物体是运动的。因为,光子一定会抵达上方的镜子,然后从上面反射到下面的镜子,敲响滑动的钟。
不过,此时光子的路线为两条斜线,比静止在钟里从上到下的直线更长。在观察者的角度:光子不仅上下运动,还随滑动的钟做斜线的左右斜线运动。
在前几天的文章中,我们论述了光速不变的原理。事实上,滑动钟与静止钟一样,光子都以相同的速度运动。但滑动的钟路线更长,因此,它的“滴答”声会比静止的钟更慢。
我们认为滴答声反应时间的长短。假如我们用滑动的钟,我们会发现,运动的时间变慢了光子在滑动的钟里需要飞过更长的路径,所以它“敲响”的钟声会比静止的钟声少。
这个简单的论证说明,从我们的视点看,运动着的光子钟比静止的光子钟“嘀嗒”得慢。而我们已经认为“嘀嗒”的次数反映了经历时间的长短,因此我们看到,运动的时间变慢了。
可能有人会说,这不过是滑动的光子钟的路线较长而已。假如我们的手表测得的时间也会变慢吗?我们把手表和光子钟同时固定在火车的地板上,此时的火车沿着轨道匀速直线运动,车厢没有窗户。
根据相对性原理,此时的车上的人无法判断列车是否在运动。但如果手表和光子钟不同步,人们就可以发现运动的效应。因此,我们用两种表测相同的时间间隔。实验中,我们会发现,只要在相对运动,钟表就会测出不同的时间节律。
这时,光子钟的实验说明,静止与运动的时间差,在于飞行路线的距离。当然,这也决定于钟滑动的速度。从观测者的角度看:钟滑动越快,光子飞行距离越长。因此,滑动的钟滑动越快,它的滴答节律就越慢。
因此,这个理论我们得出:运动观察者的时间过得比静止观察者的慢。这就是真实的区别。最后,大家对于这一理论,有什么看法,欢迎在评论区留言!
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