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谈谈简单的一维时空波动

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在相对论中,是不允许存在牛顿绝对刚体的。因为它不允许信息传播速度超过光速。尽管如此,我们仍然可以找到相对论允许的最刚的刚体(它的信息传播速度达到极限速度C),我们把这种“刚体”可称之为爱因斯坦理想刚体。

如图,设爱因斯坦理想刚杆AB初始时静置于S系中。端点A重合于S系原点。S’系相对于S系以速度v向X正轴方向运动。t=t’=0时刻,两系原点重合。
在t=0时刻,端点A突然获得恒定速度v向X正轴方向运动。由于信息传播速度的有限性,A点的运动不能马上使刚杆的其它点跟随运动。对理想刚体,这个信息传播速度只能是极大速度c。因此,对刚杆AB中的任意一点P(其坐标为x),它将在时刻

收到A点运动的信息,并被刚性所拖曳,立刻获得速度v跟随A点运动。
根据洛仑兹变换,在S’系中,P点被拖动的时空坐标分别为:

由(1)式可见,在S’系中,A点运动的信息也是以光速c传播的。
在刚杆自身的固有坐标系S*中,刚杆的任意点都是静止不动的。因此P点在S*系中的坐标:

又P点运动后静止于S’系中,其在S’系中的空间坐标固定不变,于是根据(1)式,有:

在P点刚开始运动的时刻,S系中的时钟S’系的时钟有一个时间差:

由于P点运动后P点的固有时钟静止于S’系中,它的时钟速率与S’系钟的速率相同,因而P点的固有时钟将与S’系的时钟维持恒定的时间差,于是有:

(2)式是S*系到S’系的时空变换式。
由于时空间隔的不变性,由(2)式,我们有:

故S*系的度规张量为:

上式即为刚杆AB的时空波动方程,如下图所示。

从上可知:
A. 刚杆AB上的时空波,就是AB的度规张量的波动,它以光速-c从A向B传播。
B. 当刚杆的时空波传播到刚杆的另一个端点B之后,刚杆全域都具有统一的度规张量:

这是一个常量张量,因而其黎曼曲率为0,刚杆又重新回到了惯性系(实质上就是S’系)。但它的时空关系却是错乱的,各点的时钟没有校准同步。只有再次进行对钟后才能同步。
C. 设刚杆原始自由长度为L0,当它再次回到惯性系后,由(2)可知,它的自由长度变为:

这就是说,刚杆的自由长度与原始自由长度不同了(可长可短,取决于其波动历史)。
这说明,刚杆在时空波动后,其长度会发生变化,而且这种变化不会引起任何材料力学效应。这一点对理解车库佯谬是有价值的。


IP属地:广东1楼2023-02-22 13:42回复
    👍👍👍


    IP属地:山东来自Android客户端2楼2023-02-23 06:04
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      IP属地:山西来自Android客户端3楼2023-02-23 06:52
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