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$\开始组$

我一直都知道SR的众所周知的效应——比如时间膨胀、长度收缩等等——是时空几何的特性,因此它们在抽象意义上适用于时空。例如,一个惯性系中两条平行世界线之间的空间距离可以在另一惯性系中进行长度压缩。长度收缩可以用测量杆的概念来可视化,但原则上,无论是否有物理测量杆,收缩都会发生。换句话说,长度收缩可以简单地看作是两个不同坐标系之间转换的结果。

在对埃伦菲斯特佯谬的典型解释中,我们被要求考虑一个圆周的周长,这个圆周是由杆子测量出来的,如果杆子围绕圆周运动,它必须收缩,在杆子之间留下间隙,这就是我在概念上遇到困难的地方。假设我们把棒子当作抽象。然后,两个相邻的杆可以被认为是三个点之间的距离ABC,其中A和B之间的距离是第一个抽象杆的长度,而B和C之间的距离是第二个抽象杆的长度,B是两个虚拟杆的端部相交的公共点。当从这个抽象意义上考虑时,似乎有一个矛盾,因为如果我们假设距离AB是收缩的长度,而距离BC是收缩的距离,那么总距离AC也是收缩的长度。由于两个虚拟杆共享一个公共点B,因此无法在它们之间形成“间隙”。我们可以扩展具有公共端点的连续虚拟杆的概念,使其形成一个圆,现在,圆周上任何地方都无法出现“间隙”,这与物理测量棒之间出现间隙的通常解释不一致。我如何调和这两者?

$\端组$
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  • $\开始组$ 你被这种想法所吸引真正地合同,除非它们碰巧是一个缺口;)是的,我指的是“另一个问题”! $\端组$ 2月10日11:13
  • $\开始组$ @m4r35n357,但这就是我的观点——我不认为事物会收缩——我认为这是一个四维时空几何的问题。我不高兴的是,传统的解释似乎与我的观点相冲突。 $\端组$ 2月10日11:25
  • $\开始组$ 我不记得曾经读过关于ehrenfest悖论的“令人满意的”解释——它总是让我感到欠缺。我会重读凯文·布朗的话,他通常对这些事情最清楚。mathpages.com/home/iphysics.htm啊,好吧,不幸的是,我认为他从未解决过这个问题。 $\端组$ 2月10日11:49
  • $\开始组$ 最近的问题-埃伦菲斯特悖论与死亡之墙 $\端组$
    – 女士314
    2月10日16:33
  • $\开始组$ @女士314谢谢,正是这个问题激发了我的兴趣。 $\端组$ 2月10日16:50

4个答案4

重置为默认值
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$\开始组$

通过检查圆周上每个点的空间轴倾斜的影响,解决了埃伦菲斯特佯谬。如果我们考虑一个时空图,它沿着时间轴将圆盘延伸成圆柱体,并在每个点绘制移动帧的空间和时间轴,并尝试将其延伸到圆柱体的其余部分,我们会发现定义“现在”的空间轴不再连接成一个圆,而是在时间上偏移,因此它形成一个螺旋。螺旋线一圈的长度为不同的相对于圆周,但静止圆盘和运动圆盘所占据的时空体积完全相同。

圆柱周围的螺旋

现在我们来看一个围绕圆周的加速杆的例子,当我们谈论匀速加速时,我们必须小心我们的意思。在静态帧中测量的均匀加速度在加速帧中并不均匀,因为静态帧中同时发生的事件在加速帧的不同时间发生。如果我们假设这些杆是在加速框架中测量长度,因此在加速框架内保持一个固定的长度(这称为“玻恩刚度”),那么末端在时空中遵循双曲线路径,具有相同的光速渐近线。也就是说,在静态帧中,前端和后端的加速度不同。

下图显示了一条直线上的静杆在同一时刻以一种天生的刚性方式开始加速。连接曲线的“阶梯横档”显示了移动帧中的局部“现在”(局部空间轴)。您可以看到杆之间的间隙打开,但杆在移动框架中的长度都是恒定的。

杆沿直线承受的刚性加速度

我们可以将其缠绕在圆柱体上,以查看埃伦菲斯特圆盘的相应行为。我们有各种“长度”来测量圆周——静态框架中的长度,在特定静态时刻选择的移动框架中的长度之和,以及移动框架中螺旋线的一个环的长度。它们都是不同的,但它们是允许的,因为它们在时空中的倾斜角度不同。它们都位于时空中完全相同的事件圆柱表面。

圆盘周围杆的加速度

$\端组$
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  • $\开始组$ +1表示非常有用的答案。我现在很匆忙,但稍后会补充评论。干杯! $\端组$ 2月10日15:04
  • $\开始组$ 你的第三张图非常有帮助,因为它让我能够以如下清晰的方式表达我在概念上遇到的困难。想象一下,在两个相邻静杆之间每个间隙的中心都有一个点。当棒开始沿圆形路径移动时,每个连续点之间的距离会发生什么变化? $\端组$ 2月10日20:32
  • $\开始组$ 在静态坐标系中,距离保持不变,但在旋转坐标系中距离会增加,因为您正在沿着世界线测量另一个点的“长度”。所示的刚性杆是固定长度的,就像一把测量尺。如果你延伸杆来填补间隙,它们就不再是刚性的了——它们必须拉伸。“长度”被定义为在“同一时间”拍摄的每条世界线上的点之间的时空间隔。但“同一时间”的定义因帧而异。对于一个旋转的框架,并没有全局的“同一时间”,因为它是一个螺旋。 $\端组$ 2月10日21:37
  • $\开始组$ 旋转框架中的距离增加。这是我的问题,因为你也说杆子不会增加,而我的理解是,SR的所有效应都是几何效应,所以杆子和时钟只是可视化的辅助工具。你的杆子可能只是两个端点之间的间隙。所以我们似乎有矛盾。。。 $\端组$ 2月10日22:39
  • $\开始组$ ……如果我们考虑与杆端相对应的两点,它们之间的间隙不会扩大,但是如果我们考虑我在上面的第二个评论中要求你可视化的两点,他们之间的间隙会扩大。 $\端组$ 2月10日22:41
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$\开始组$

当从这个抽象意义上考虑时,似乎有一个矛盾,因为如果我们假设距离AB是收缩的长度,而距离BC是收缩的距离,那么总距离AC也是收缩的长度。由于两个虚拟棒共享一个共同点B,因此无法在它们之间形成“间隙”。

这是正确的。事实上,这是一个矛盾。解决方法是认识到AB、BC和AC所发生的并不是长度收缩。这从根本上是不同的。以下是一些区别:

  1. 不存在与长度收缩相关的材料应变,也不存在与玻恩刚性线性加速度相关的材料应变,但角加速度中存在不可避免的材料应变。

  2. 长度收缩是对称的。每个框架都会看到另一个框架的杆正在收缩。在旋转运动中,它是不对称的。两个帧都识别并同意哪个帧实际在旋转。

  3. 长度收缩是洛伦兹变换的一个特征,但洛伦兹转换没有给出旋转帧和非旋转帧之间的关系。

  4. 公制在旋转坐标系和惯性坐标系中有不同的形式。

由于这些原因(可能还有其他原因),将旋转框架中发生的情况与“长度收缩”的概念混为一谈是完全错误的。它们在数学上、理论上和物理上都是不同的。同样对待他们,不可避免地会导致矛盾,比如你所确定的那种。

旋转的大问题是同时性。当你谈论长度收缩时,长度被定义为给定时刻两点之间的距离。在惯性系中,我们可以使用标准的爱因斯坦同步来定义给定的时间矩,从而定义长度。

此过程在旋转框架中不起作用。当你在一个旋转的框架中对相邻的时钟进行爱因斯坦同步,并继续绕着圆圈旋转时,你最终会得到一个间隙。有一个左右邻居不同意的时钟。

所以惯性系中的自然同时性约定在旋转系中不起作用。因此,长度在旋转坐标系中的含义与在惯性坐标系中不同。

为了避免这个问题,我们可以把重点放在张量上。特别是,我们可以将轮换观察员的集合视为同余这使得我们能够对这些旋转观测器的几何结构进行独立于坐标的描述。

如果观测器从静止开始,然后经历角加速度,那么在与框架相关的意义上,它们将具有正膨胀标量。这意味着他们将在身体上彼此距离更远。这种物理拉伸可以用局部应变仪直接测量,因此与不产生这种应变的长度收缩不同。

$\端组$
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    $\开始组$ 嗨,戴尔,抱歉-我以为我上周末对你的回答发表了评论,但我一定是在点击“添加评论”按钮之前关闭了浏览器。我真的很感谢你和其他海报为你花费的时间。我想我现在已经清楚了这些原则。 $\端组$ 2月15日12:42
  • $\开始组$ 酷,我很高兴能帮上忙 $\端组$
    – 山谷
    2月15日12:53
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$\开始组$

首先,我将试图说服你们,在线性案例中,间隙是如何出现的,这一点争议较小。

在此处输入图像描述

在上图中,两个物体(最初彼此相邻,没有间隙)以Born刚性方式单独加速,以便它们自然收缩,并在其静止框架中保持恒定的适当长度。在原始惯性参考系中的任何时刻,每个物体都具有与另一个物体相同的适当加速度。蓝色列车前部的加速速度与绿色列车前部相同,列车任何部分的加速速度也相同。在原始惯性参考系中,中心到中心(或前后或前到前)的距离在任何时刻都保持不变。如图所示(红色部分),会出现一个大于物体本身长度的间隙。这仅仅是物理上发生的事情和可以测量的事情,完全符合狭义相对论。

你可以想象在纸上画出许多这样的火车首尾相连的直线,然后把纸卷成圆筒。然后,您将得到与Nullius发布的最后两个图表非常相似的结果。主要区别在于,我的图表显示了惯性观测器测量的不加速瞬时长度,而他的图表显示了线段同时的倾斜线。严格地说,同时线应该向相反的方向倾斜,因为线段的后部加速速度比线段的前部快,并且在时空中行进得更远。

现在,对于圆形案例:

在此处输入图像描述

正如线性情况一样,循环列车的单个长度随着列车间距的增加而缩短。由于Born刚性加速度,单个循环列车在加速阶段始终保持适当的长度。

可以看出,以适当的相等加速度加速每列列车是一种自然行为。考虑爱因斯坦的旋转圆盘。如果标尺前端固定在外围,尾端自由伸缩,当圆盘旋转时,每个标尺在固定端的任何时刻都会经历相同的适当加速度。事实上,给定标尺上的任何一点都会经历与周边任何其他标尺上等效点相同的瞬时固有加速度。

至于向心力和离心力,这可以忽略不计。坐在火车上的观测者所经历的适当向心力为$$F_c=\gamma(m\omega^2 R)=\frac{mv_t^2}{R\sqrt{1-v_t^2/c^2}}$$哪里$v_t$是瞬时切向速度。对于恒定的最终切向速度,唯一的变量是R美元$向心力可以通过R美元$任意大。

在动画中,所有列车(直线列车和循环列车)的长度与移动观测者测量的长度相同,并且由于Born刚性加速度,没有与运动平行的应力或应变。

循环列车动画也说明了另一个相对论概念“瞬时共动惯性框架MCIF”这个概念允许SR扩展到处理加速物体,并表示在足够小的时间和空间间隔内,加速物体的时间膨胀和长度收缩(线性或圆形)物体与惯性参考系完全相同,惯性参考系与物体的无穷小部分瞬时移动。在gif中可以清楚地看到线性和循环列车长度收缩的等效性,即使在加速阶段也是如此。

不难想象,如果循环列车用薄的弹性带连接,这些弹性带就会被拉伸,并具有可测量的张力。如果四列火车通过非弹性联轴器连接,很容易看出火车会在自己的休息架中被拉伸,并承受巨大的张力。这就是为什么埃伦菲斯特圆柱在角速度增加时必须发生物理变形的原因。

另一件需要记住的事是,虽然SR可以处理加速度,但标准的洛伦兹变换不能。标准变换假定观测者和被观测对象的相对速度永远不变。在加速情况下,重要的是要考虑是观测者还是被观测者加速。例如,如果我相对于另一枚火箭加速,达到恒定速度并重新同步我的时钟,我会观察到未加速火箭后部的时钟比前部的时钟提前,正如洛伦兹变换所预测的那样。现在,如果我保持静止,观察另一个火箭加速到最终恒定速度,加速火箭后部的时钟将延迟,而不是相对于前部的时钟提前。这是因为在加速火箭加速后,由于长度收缩,火箭后部比火箭前部移动得更远,后部的时钟将经历更多的时间膨胀。

编辑:虽然在旋转框架中测量“全局”距离很困难,因为无法始终同步时钟,但可以对具有恒定角速度的圆柱体进行合理的局部测量。例如,我们可以将一把尺子放在埃伦菲斯特圆柱体的边缘,也可以将时钟放在本地尺子的两端。可以在本地同步时钟。我们可以然后测量标尺的雷达长度,发现无论从哪一端测量,本地雷达长度都是相同的。这个本地雷达长度是标尺的正确长度。

最后一个想法。想象一下,爱因斯坦圆盘上的标尺被钉在前后两面,而圆盘是静止的。当圆盘旋转时,标尺被强制保持在圆盘外观测器的惯性参考系中测得的相同长度。这意味着,通过旋转圆盘上的移动观察者测量,标尺的适当长度在其自身的参照系中被拉伸,它们受到张力,就像贝尔火箭佯谬中的弦一样。

$\端组$
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  • $\开始组$ 非常感谢!我想直到明天我才有时间考虑你的答案,但与此同时,想必火车的加速度在你的例子中扮演了一个角色,因为如果我加速,而不是火车,它们在我的身体里长度很短,没有空隙。 $\端组$ 2月11日16:22
  • $\开始组$ 我同意你的结论。我在回答的最后特别提到了这个问题。 $\端组$
    – KDP公司
    2月11日16:25
  • $\开始组$ 你考虑过了吗?我想,一旦你看到它证明了在线性情况下,差距可以扩大,一切都会变得清晰起来。 $\端组$
    – KDP公司
    2月15日5:31
  • $\开始组$ 嗨,抱歉,我经历了这样的一周!我想我已经在心里解决了这个问题,但让我们来看看我的想法。以两列火车的线性设置为例,这两列火车静止不动,彼此之间没有间隙。他们加快速度,延长合同期限,出现缺口。现在,考虑两个点粒子,两个静止火车的一端,假设它们加速而不是火车。我们是说它们之间的距离增加了,而不是长度缩短了吗?这是一个苏格拉底式的问题,旨在促使你作出回应,因为我心里有一个答案! $\端组$ 2月15日10:03
  • $\开始组$ 当圆柱体旋转起来时,轮辋上的每个点都会获得相等的适当加速度。当它们具有相等的适当加速度时,根据初始惯性参考系中的观测者,它们保持恒定的间隔(如果半径不变),就像第一张图中的虚线一样。这就像贝尔火箭悖论中的弦一样。相等的适当加速度等于惯性系中的恒定分离,以及在同向旋转系或瞬时静止系中增加适当分离。 $\端组$
    – KDP公司
    2月15日10:18
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$\开始组$

旋转时沿圆周均匀圆周运动和沿直径运动是两个不同的参考系:

  1. 沿圆周的运动可视为惯性系。

沿圆周的切向速度是恒定的,没有切向加速度。所有加速度都是向心的,在半径相等的所有点上都是均匀的。如果将半个圆周C拉伸成一条直线,则向心加速度将类似于沿直线长度的恒定加速度(如重力)。如果拉伸的直线施加恒定的法向力来对抗向心加速度,则加速度之和为零。

现在,惯性系的所有要求都已满足,相对论切向速度也满足了$$C'=\压裂{C_o}{\gamma}$$

  1. 沿圆周直径的运动表现出均匀的圆周运动是一个非惯性参考系。

沿直径方向的任何运动都有一个不断变化的向心加速度,该加速度平行于运动方向,在R处最大,接近中心时接近最小值(0)。沿着直径的运动与正弦波振幅的运动(简谐运动)相同,并且可以通过观察以恒定角频率旋转的车轮上的销钉的阴影来将其建模为旋转运动。图15.4.1:通过观察以恒定角频率旋转的车轮上销钉的阴影,SHM可以建模为旋转运动。

沿半径的运动可以表示为$x(t)=Acos(ωt)$

如果对埃伦菲斯特佯谬有一个完整的狭义相对论解决方案,那就是对长度或沿直径运动的测量进行适当的处理,以便问题可以用惯性参考系来表示。

$\端组$

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