有兩列速度相同的高速列車載原子鐘,一列向東開,另一列向西開,哪列車上的原子鐘耗時少?

時間 2021-05-06 17:48:12

1樓:楊昇山

你提的問題在2023年就有人做了實驗(我不能判斷是不是真的做了),就是使用飛機上的原子鐘對相對論效應進行驗證。具體你可以搜尋我寫的《物理鐘的變化不能作為相對論正確的證據》。

2樓:張冠偉

首先我們假設地球不旋轉,同時忽略地球自身公轉等導致的非慣性運動,那麼地面上的人就是天然的慣性系。我們以他的座標為參考係原點。為了簡化問題,我們假設他們在赤道上。

以原點向東為x軸正方向,以原點豎直向上為y軸正方向,另一維度(南北)與問題無關,就不參與計算了。地球半徑為R,列車速度為v。

這樣,向東的列車在執行過程中,經過的路徑為:

以下需要使用微積分進行非勻速直線運動的本地時的計算,可以跳過不看[注]

由閔式度規不變,得到:

變形後得到本地時的微分為:

這說明,慣性系下,乙個物體在僅做勻速圓周運動時,固有時等於慣性系下的時間除以洛倫茲因子,即可以直接應用鐘慢效應。

兩趟列車對稱執行,因此相對論效應是等效的。所以,兩趟列車回到起點時,經過的固有時相同,且比慣性系時間慢。即互相看對方的鐘錶時,發現時間相等,但看慣性系的鐘錶時,會發現慣性系時間快了一些。

接下來是地球存在自轉的情況。假設地球自轉速度為V,而兩趟列車相對地面速度為v,即列車實際圓周運動速度為V-v(向西)和V+v(向東)。(為了方便起見,我們強行讓列車在慣性系下的速度是這麼多,雖然這樣實際火車上的人看來相對地面的速度並不是v)。

此時,地面上的人在進行速度為V的圓周運動,不再處於慣性系,也會有鐘慢效應發生。

列車速度v小於地球自轉V

由於向西運動的列車速度最小,向東移動的列車速度最大,因此鐘慢效應作用下,向東的車上鐘最慢,地面的鐘第二慢,向西的車鍾慢得最少。以地面的鐘為基準,就是向東執行一圈的鐘變慢,向西執行一圈的鐘變快。

列車速度v等於地球自轉V

由於此時向西運動的列車相當於速度為零,處於慣性系的狀態,因此不具有鐘慢效應。而地面的鐘鐘慢效應較弱,向東的車鐘慢效應較強。結論同第乙個情況。

列車速度v大於地球自轉V,但小於2V

此時向西運動的列車開始具有真正意義上的「向西」的速度,實際速度值小於地球自轉值V,因此鐘慢效應依舊較弱,結論同第乙個情況。

列車速度v等於2V

此時向西運動的列車向西的速度,等於地球自轉向東的速度。因此,鐘慢效應與地面鐘相同,而向東的車鐘慢效應更強。此時以地面鐘為基準,向東執行一圈後的鐘變慢,向西執行一圈後的鐘不變。

列車速度v大於2V

此時,由於兩個方向上,列車實際速度均大於地球自轉,因此,鐘慢效應均大於地面鐘。此時以地面鐘為基準,向東執行一圈後的鐘變慢較多,向西執行一圈後的鐘變慢較少。

由於地球赤道自轉速度為466m/s,即時速約為1677公里。現今並無超音速列車,最快列車時速為605公里,需要在80度緯度以上才能大於等於2V,出現4或5的情形。否則,向西的時鐘將變快,向東的時鐘將變慢。

3樓:民科心中的物理

其實,運動過程中的時間變慢跟都卜勒效應直接相關,都卜勒效應越明顯(速度合值越大)則鐘慢越明顯;都卜勒效應越不明顯(速度合值越小)則鐘慢越不明顯!物質鐘慢有兩種可能性,一種是向速度的極限發展,速度越快,原子周邊的電子都卜勒效應越明顯,這時候化學過程越弱化,熵會變慢,還有就是力也會產生都卜勒效應,物質衰變會減慢,包括原子鐘的頻率都會降低,所以計時會變慢,即鐘慢;還有一種情況就是溫度的下限,及越往溫度的極限發展,也會出現鐘慢效應,因為理論上在極限溫度的情況下,原子失去所有能變得靜止,當然不可能再有化學的變化,也不可能再有輻射的現象,所以計時也會變慢或靜止,及鐘慢!綜合起來看,速度的上限是運動(C),溫度的下限也是運動(運動為0),所以鐘慢表現在速度的兩個極端,越往極端發展,鐘慢越明顯!

4樓:李德甲

先說結論:無法比較快慢。

原子鐘的讀數度量了這個鐘錶在時空中的運動距離長短(是時空距離的長短,不是空間中的空間距離),所以可以說2個原子鐘都是正常的,沒有快慢之分,讀數不一樣,只是原子鐘走過的路徑長度不一樣而已。

真想比較快慢,也不是不行,但這樣需要讓2個原子鐘在起點對好時,然後還得再找乙個時空點讓它們相遇,也就是說,2個原子鐘在時空中的路徑需要是乙個閉合的圈才行。可題目中的假設,這2個原子鐘此生是不會再相見了。

5樓:能趴著就不想坐著

有三種比較方式。

假設有三個觀察者:abc。ab在兩個車上,c在地面上。

a觀察時,對面的鐘在運動,對面車的時間在減慢,自己的鐘比對面的快。

b觀察時也一樣得到自己的鐘比對面的快的結論。

c觀察時,兩個車速度值一樣,所以時鐘一樣快慢。

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