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數學家是怎麼理解時間這個問題的

圖文 更新时间:2024-10-21 07:04:53

數學家是怎麼理解時間這個問題的(動的時間為什麼會比靜止的時間更慢)1


上篇文章中,大家紛紛提到了時間。認為小編對于時間的表述是有問題的,事實上,我們很難對于時間給出一個定義,因為那經常會把時間給帶進來,犯了循環定義的錯誤,變成了在語言上轉圈。

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小編将采取一種實用的方法,将時間具體定義為鐘表測量的東西。我們将鐘表看成勻速、規則、循環運動的測量儀器,通過時針和分針的轉動圈數來确定時間。

當然了,有人可能會說:規則的循環運動這句話本身也隐含着時間的概念。是的,因為“規則”本身就是代表每個循環的時間間隔相同。從實用角度出發,我們希望鐘表反複循環,不受任何改變。

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現在,小編已經用鐘表定義了時間;下一步,我們就開始認識運動如何影響時間的流逝!當然,這個問題可以轉換為運動如何影響鐘擺的“滴答”?首先,要先确定一點:機械零件的因素我們并不考慮。我們隻是讨論:運動如何影響鐘表的節律。

科學家為此,引入了一種“光子鐘”。這種光子鐘由架子上的兩面相對的小鏡子組成,光子在兩面鏡子上可以來回反射。兩面鏡子距離15cm。

根據光速,光子來回一趟需要十億分之一秒。科學家把光子一次的往返作為光子鐘的一次“滴答”。嘀嗒10億聲就意味着經過了1秒。

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兩面平行鏡子構成的光子鐘,中間有一粒光子

光子每完成一次往返,鐘就“嘀嗒”一聲

此時,我們用光子鐘來測量兩件事的時間間隔。隻需要計算出“滴答”的次數,便可以得到對應的時間。比如,博爾特的百米賽跑過程中,光子來回的次數為98億次,那麼我們就知道他跑了9.8秒。

運用光子鐘的原因是,它的力學性質簡單,可以擺脫外來影響,幫大家認識運動如何影響時間過程。我們觀察一下桌子上的光子鐘是如何計時的。同時,大家可以思考一個問題:運動的鐘與靜止的鐘,會有同樣的“嘀嗒”嗎?

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前面是靜止的光子鐘,另一隻光子鐘勻速滑過

對于這個問題,我們在自己的角度看光子在鐘内該走的路徑。如上圖,光子從鐘底出發,到達上方鏡子。在大家眼中,鐘是運動的,光子的路徑應該像下圖這樣。如果光子不走這條路,就會錯過上方的鏡子,飛向空中。

但是,滑動的鐘也可以說自己是靜止的,其他物體是運動的。因為,光子一定會抵達上方的鏡子,然後從上面反射到下面的鏡子,敲響滑動的鐘。

不過,此時光子的路線為兩條斜線,比靜止在鐘裡從上到下的直線更長。在觀察者的角度:光子不僅上下運動,還随滑動的鐘做斜線的左右斜線運動。

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在前幾天的文章中,我們論述了光速不變的原理。事實上,滑動鐘與靜止鐘一樣,光子都以相同的速度運動。但滑動的鐘路線更長,因此,它的“滴答”聲會比靜止的鐘更慢。

我們認為滴答聲反應時間的長短。假如我們用滑動的鐘,我們會發現,運動的時間變慢了光子在滑動的鐘裡需要飛過更長的路徑,所以它“敲響”的鐘聲會比靜止的鐘聲少。

這個簡單的論證說明,從我們的視點看,運動着的光子鐘比靜止的光子鐘“嘀嗒”得慢。而我們已經認為“嘀嗒”的次數反映了經曆時間的長短,因此我們看到,運動的時間變慢了。

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可能有人會說,這不過是滑動的光子鐘的路線較長而已。假如我們的手表測得的時間也會變慢嗎?我們把手表和光子鐘同時固定在火車的地闆上,此時的火車沿着軌道勻速直線運動,車廂沒有窗戶。

根據相對性原理,此時的車上的人無法判斷列車是否在運動。但如果手表和光子鐘不同步,人們就可以發現運動的效應。因此,我們用兩種表測相同的時間間隔。實驗中,我們會發現,隻要在相對運動,鐘表就會測出不同的時間節律。

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這時,光子鐘的實驗說明,靜止與運動的時間差,在于飛行路線的距離。當然,這也決定于鐘滑動的速度。從觀測者的角度看:鐘滑動越快,光子飛行距離越長。因此,滑動的鐘滑動越快,它的滴答節律就越慢。

因此,這個理論我們得出:運動觀察者的時間過得比靜止觀察者的慢。這就是真實的區别。最後,大家對于這一理論,有什麼看法,歡迎在評論區留言!

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