变慢了,由于火车在运动,车上的一切物理、化学过程和生命过程都变慢了:时钟走得慢了,化学反应慢了,甚至人的新陈代谢也变慢了......可是车上的人自己没有这种感觉,他们反而认为地面上的时间进程比火车上的慢,因为他们看到,地面正以同样的速度朝相反的方向运动!
教学时要分析清楚"动钟变慢"与同时的相对性的联系,使学生知道运动的钟变慢是同时的相对性带来的时空属性。
①时间间隔的相对性可以通过长度的相对性的一些简单例子加以说明。
②要讲清"动钟变慢"(或时间膨胀)是两个不同惯性系进行时间比较的一种效应,不要误认为是时钟的结构或精度因运动而发生了变化。
③教学中特别指出,运动时钟变慢完全是相对的,由于两个惯性参考系是平权的,在它们上面的观测者都将发现对方的钟变慢了。
四、时空相对性的验证
根据相对论,时间在运动中会进行的比较缓慢,也就是说,在空间中高速移动的时钟,比固定于地面上的时钟走得慢.
从两式可以看到,只有当两个参考系的相对速度可与光速相比时,时间与空间的相对性才比较明显.目前的技术还不能使宏观物体达到这样的速度,但是随着对微观粒子研究的不断深入,人们发现,许多情况下粒子的速度会达到光速的90%以上,时空的相对性应该是不可忽略的.事实正是如此.时至今日,不但狭义相对论的所有结论已经完全得到证实,实际上它已经成为微观粒子研究的基础之一.
时空相对性的最早证据跟宇宙线的观测有关(1941年).宇宙线是来自太阳和宇宙深处的高能粒子流,它和高层大气作用,又产生多种粒子,叫做次级宇宙线,它们统称宇宙线.次级宇宙线中有一种粒子叫做μ子,寿命不长,只有3.0μs,超过这个时间后大多数μ子就衰变为别的粒子了.宇宙线中μ子的速度约为0.99c,所以在它的寿命之内,运动的距离只有约890m.μ子生成的高度在100km以上,这样说来宇宙线中的μ子不可能到达地面.但在实际上,地面观测到的宇宙线中有许多μ子,这只能用相对论来解释.
我们说μ子的寿命为3.0μs,这是在与它相对静止的参考系中说的.从地面参考系看,μ子在以接近光速的速度运动,根据(l)式,它的寿命比3.0μs长得多,在这样长的时间内,许多μ子可以飞到地面.
如果观察者和μ子一起运动,这个现象也好解释.这位观察者看到,μ子的寿命仍是3.0μs,但是大地正向他扑面而来,因此大气层的厚度不是100km,由于长度的相对性,在他看来大气层比100km薄得多,许多μ子在衰变为其他粒子之前可以飞过这样的距离.
相对论的第一次宏观验证是在1971年进行的.当时把铯原子钟放在喷气式飞机上作环球飞行,然后与地面上的基准钟对照.实验结果与理论预言符合得很好.
五、相对论的时空观
牛顿物理学的绝对时空观:物理学的空间与时间是绝对分离没有联系的,脱离物质而单独存在,与物质的运动无关。
而相对论认为:有物质才有时间和空间,空间和时间与物体的运动状态有关。
人类对于空间、时间更进一步的认识而形成的新的时空观,是建立在新的实验事实和相关结论与传统观念不一致的矛盾基础上,不断发展、不断完善起来的。
什么是时间?什么是空间?时间和空间有什么性质?经典物理学对这些问题并没有正面回答.但是从它对问题的处理上,我们体会到,经典物理学认为空间好像一个大盒子(一个没有边界的盒子),它是物质运动的场所.至于某一时刻在某一空间区域是否有物质存在,物质在做什么样的运动,这些对于空间本身没有影响,就像盒子里是否装了东西对于盒子的性质没有影响一样.时间与此相似,它在一分一秒地流逝,与物质的运动无关.换句话说,经典物理学认为空间和时间是脱离物质而存在的,是绝对的,空间与时间之间也是没有联系的.