再上一期的文章中,我们重点强调了狭义相对论中“惯性系”的定义和要求,同时我们也听说过:狭义相对论只适用于惯性系。那么当一个参考系具有了加速度属于非惯性系,狭义相对论就不适用了吗?

非惯性系是指什么的参考系(参考系是非惯性系)(1)

其实我们通常听说的“狭义相对论只适用于惯性系”,这里的适用是指狭义相对论的运用范围,当一个参考系有加速度的时候,如果我们把这个非惯性系,转化为惯性系,那狭义相对论不就可以继续运用了吗。那么问题来了,一个非惯性系(有加速)的参考系,如何才能转化为惯性系呢?

非惯性系是指什么的参考系(参考系是非惯性系)(2)

还是以一列火车为例子,火车原来静止于地面,然后火车动力打开,火车发动机开始发力慢慢推着火车往前走,一直走到速度为1/10c。(c是光速)为了简化例子,我们假设发动机提供的动力是恒定的,那么火车产生的加速度也是恒定的,根据牛顿第二定律F=ma,F是力,m是质量,a是加速度(这里严格意义上很难恒定,因为根据相对论效应,质量会变大)。

非惯性系是指什么的参考系(参考系是非惯性系)(3)

但是火车的速度可不是恒定,会从0一直均匀加速到1/10c(其实也做不到严格意义的匀加速),当然我们知道,这个速度一直增加,会一直靠近光速而无法达到光速,更无法超越光速(关于为啥无法超光速,之前的文章已经多次谈到,这里不重复)。此时如果火车里有个人,他以火车做参考系,看外面的世界,会发现,外面的一切都在向后运动。但是这个过程火车是有加速度的,不是惯性系,能否用狭义相对论处理?

非惯性系是指什么的参考系(参考系是非惯性系)(4)

答案是可以,因为速度是一直连续变化,其实每一个瞬时速度,就是一个参考系。这个人在列车里从静止开始随着列车运动,其实他就是在一直切换惯性系,相当于他从速度为0这个惯性系,一直连续移动到下一个速度的惯性系,直到速度等于1/10c,他的惯性系才稳定不变了。我们可以把每一个瞬时速度对应的惯性系,用狭义相对论来处理,然后把他从速度0到速度为1/10c的所有相对论效应算出的结果,做累加不就行了。

非惯性系是指什么的参考系(参考系是非惯性系)(5)

肯定有人会疑惑,我去!没搞错吧,这里速度从0到1/10c可是有无数个瞬时速度(因为任意两个实数之间都有无数个实数,这在数学上早就证明了),你能把无数个瞬时速度对应的惯性系里的相对论效应做累计吗?哈哈,如果你认为这做不到,那你太小看我们的数学了。数学里有一个操作就可以做到把无限项进行累加求和,那就是:积分!当然这里我就不详细讲解微积分了,科普的读者没必要去把微积分先复习一遍,然后再去看狭义相对论。从0到1/10c的定积分,其实是很容易就能算出来。

非惯性系是指什么的参考系(参考系是非惯性系)(6)

所以狭义相对并非面对非惯性系,就不能用了,只要是有规律的非惯性系,可以用微积分来解决!我是头条号《小彭来给您解惑》,如果喜欢我的文章可以关注我,如果对文章有异议可以留言评论,我会一个一个回复。

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