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$\开始组$

想象一下,两个双胞胎同步时钟,然后双胞胎A迅速加速到速度v。一段时间后,T双胞胎B迅速加速到2v,赶上双胞胎A。哪个会更年轻?当两者在某一点都有加速度时,你如何选择“首选”帧。

$\端组$
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    $\开始组$ 是什么阻止你计算他们的年龄并进行比较? $\端组$
    – 威洛
    评论 5月22日16:57
  • $\开始组$ 动力学时间膨胀实际上与加速度无关。它只与速度和在该速度下花费的时间长度(或以该速度行驶的距离)有关。因此,如果两个双胞胎跑的距离相同,但其中一个跑得更快,那么他会更年轻。就这么简单。 $\端组$ 评论 5月23日1时54分
  • $\开始组$ 没有要拾取的首选帧。任何惯性框架就行了。 $\端组$
    – 山谷
    评论 5月24日15:04

3个答案

重置为默认值
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$\开始组$

对于任何观察者来说,都有一个属性称为适当的时间这等于他们持有的时钟所显示的时间。因此,为了找出这对双胞胎经过的时间是如何进行比较的,我们只需计算出他们旅行经过的正确时间。

尽管相对论享有可怕的声誉,但计算适当时间的方程式却出奇地简单。假设我们观察某人旅行一段距离$\增量x$在一段时间内$\增量t$然后是合适的旅行时间美元\ Delta\套$由以下公式给出:

$$c^2\增量\tau^2=c^2\\增量t^2-\增量x^2$$

该等式称为闵可夫斯基公制这是狭义相对论的基本方程。

不管怎样,让我们看看这对双胞胎是怎么回事。美元$准时出发$t=0$和位置$x=0$以一定的速度$v(美元)$、和时T美元$已达到一定距离$vT(美元)$所以A旅行的合适时间是:

$$c^2\tau_a{}^2=c^2 T^2-(vT)^2$$

给:

$$\tau_a=T\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}\tag{1}$$

这只是时间膨胀的常见方程:

$$\tau=\frac{t}{\gamma}$$

哪里$\伽马$洛伦兹因子,我相信你以前见过。

现在让我们对B的旅程做同样的计算。B分两个阶段进行。在第一阶段,B只是一动不动地坐在起点上一段时间12T美元$,所以对于这个阶段,B从$t=0,x=0$$t=\tfrac12T,x=0$因此,此步骤的适当时间是:

$$c^2\Delta\tau_{b1}{}^2=c^2\\tfrac14T^2-0$$

我们只是得到$\tau_{b1}=\tfrac12T$到目前为止还不太令人兴奋。在第二阶段,B加速至20亿美元$并以这种速度再行驶一段时间12T美元$所以他们达到了$vT(美元)$时间T美元$即及时与A.会面。对于本阶段$\增量t=\tfrac12T$但是现在$\增量x=vT$因此,此步骤的适当时间是:

$$c^2\tau_{b2}^2=c^2\\tfrac14T^2-v^2T^2$$

给:

$$\tau_{b2}=\tfrac12 T\sqrt{1-\frac{4v^2}{c^2}}$$

所以B旅行的总适当时间,$τ{b1}+τ{b2}$是:

$$\开始{align}\tau_b&=\tfrac12 T+\tfrac12T\sqrt{1-\frac{4v^2}{c^2}}\\&=T\左(\tfrac12+\tfrac12-sqrt{1-\frac{4v^2}{c^2}}\右)\tag{2}\结束{align}$$

比较方程式(1)和(2美元/吨$对于这对双胞胎来说,速度范围可达$v=0.5摄氏度$-$v(美元)$不能大于这个,否则孪晶B的移动速度会比光快:

适当的时间

从图中可以立即看出,在所有速度大于零的情况下,孪生B的正确时间比孪生a小,所以孪生B具有更大的整体时间膨胀。所发生的是,B在实验的前半部分没有时间膨胀,但在实验的后半部分,B的时间膨胀是A时间膨胀的两倍以上。最终的结果是B的总时间膨胀更大。

我用静止在起点的观测器的框架进行了计算,所以所有的时间和位置都是由静止观测器测量的。然而,使用适当的时间计算的好处是它适用于任何参考框架。我本可以使用孪生兄弟A或B的休息框架,得到相同的最终结果,尽管计算会更加困难。在计算适当的时间时,我们可以使用任何最方便的框架,并且我们可以确保无论框架如何,我们都会得到正确的答案。

$\端组$
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$\开始组$

更新如下。


在双胞胎中,惯性的是“首选”的。
在两个固定赛事中,参观这两个赛事的惯性孪生选手年龄最大。
然而,一般来说,人们必须计算沿每条世界线经过的适当时间,例如使用计算或可能以图形方式计算,如下所示。

把“年龄”想象成“沿世界线经过的手表时间[正确的时间]”,
类似于“沿空间路径读取里程表”的“距离旅行”。

robphy-RRGP-多路

从我的回答到多重旅行者情境或悖论与双胞胎悖论的关系.


更新:

为了更直接地解决您描述的场景,这是一张时空图(绘制在“旋转绘图纸”上)您的场景(具有更方便的相对速度)。

由于使用两倍于第一对孪生兄弟的速度没有什么神圣可言,我选择了速度$v(美元)$从0c、(3/5)c和(4/5)c开始。它们具有相应的多普勒因子$k=\sqrt{\frac{1+v}{1-v}}$1、2和3的组合[它们是有理的,因此与毕达哥拉斯三元组相关]。

我们已经画出了旅行者保护时间的滴答声(由一个携带在分段式世界线区段上的光钟追踪)。

  • doppler-factor帮助我们绘制这些“光钟钻石”通过拉伸网格菱形[图中静止框架的光钟菱形]千美元$在未来的方向和收缩千美元$在后向-未来方向(这样可以保持边缘的斜率(光速)和菱形的面积(因为boost具有单位行列式))。[因果钻石的面积等于对角线的平方英寸。]

    因此,我们在这张图上描绘了这两个分段惯性旅行者使用的三个惯性框架。
    [在前面的图中,有5个惯性框架,由5个分段惯性旅行者使用(其中一个是惯性)。]

因此,惯性跳闸OZ记录16个节拍,而分段惯性OTZ记录(5+9=)14个节拍。这本质上是发车和发车相对速度不相等的时钟效应。
在这一部分中,“OZ是首选”,因为OZ是惯性的。提升可以使OZ在时空图上垂直,该图忠实地表示时空中的所有事件。
这对OTZ来说是不可能的。(为什么?看我的答案https://physics.stackexchange.com/a/507592/148184
解释双胞胎悖论的正确方法是什么?)

所以,通过计算,
旅行者SOZE记录了20个滴答声,而迟到的补奶者SOTZE记录18个滴答。
两位旅行者都不是“首选”。。。人们只需(通常)加上沿着不同的区段向上移动适当的时间。

当然,你当然可以使用公式并处理更一般的情况。

但是,为了培养相对论和时空物理学的直觉,你可以使用这种图形方法(我称之为“旋转图形纸上的相对论”)来创造各种情况。。。而且进行计算所需的数学可能更容易理解。(有关更多信息,请参阅我的博客贡献:https://www.physicsforums.com/insights/relativity-rotated-graph-paper/)

robphy-RRGP-waitThenMeetup(等待会面)

$\端组$
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$\开始组$

这是常见的双胞胎悖论场景,A是“呆在家里”的双胞胎,B是“旅行”的双胞胎,但从惯性参照系来看,在他们的旅行中,B与A在一起。因此,和往常一样,当他们再次见面时,B会比A年轻。

相对论原理说惯性参考系是等效的,你可以在其中任何一个中分析实验,得到相同的结果。只有当你忘记B在整个实验中不是惯性的时候,孪生“悖论”才是一个问题。

$\端组$

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