[文章摘要]:时间会不会因运动而改变自身的流失速率或方向是物理学需要解决的最基本问题之一。本文通过对相对观察者存在不同运动状态下的标准时钟所显示的实时时刻及其相互关系,来分析时间是否真的会因运动而改变。相对观察者运动的时钟会因时钟与观察者之间距离的变化而导致观察者读取时刻与实际时刻间存在差异,这只是因为观察者读取时钟时刻是通过传递速度有限的光来实现的。因此,这种读取时刻与标准时刻间的差异并不是因相对运动导致的,而是因相对距离的变化导致的。并不能证明相对观察者距离相同的两个或以上的、运动状态不同的时钟所指示时刻是不同的,更不能证明时间与运动速度相关。
一、几个重要的术语及其相互关系
1、几个重要术语
1.1 标准时钟:或称作理想时钟,是能够准确指示时刻和时间的时钟(本文中所指的时钟均是标准时钟)。一个惯性系中只有一台或无数台指示时刻完全相同的标准时钟,其所指示的时刻和时间不会因任何因素(包括时钟的运动状态及所处环境的力场不同)而改变;
1.2 本地时钟:与观察者距离为0且运动状态完全一致的时钟。在同一惯性系中,任意空间位置上的本地时钟所指示的时刻和时间都是相同的。如:地球时中,无论时钟位于北京、上海、广州,还是纽约、华盛顿、伦敦、格林威治,它们所指示的时刻和时间都是完全相同的;
1.3 异地时钟:与观察者距离不为0但距离不随时间变化且运动状态完全一致的时钟。异地时钟与本地时钟任意时刻所指示的时间都存在一定的差异,但差异是固定不变的。如:在广州的观察者用同一种方法读取北京的时钟时,都会得到北京的时钟比广州的本地时钟所指示的时刻早一些。同理,北京的观察者读取广州的时钟时刻也会得出同样的结论:广州的时刻比北京的时刻早一些;
1.4 静止时钟:相对观察者静止的时钟。同一惯性系中,任意位置上静止时钟所指示的时刻是完全相同的,但因时钟离观察者距离的不同,观察者读取的时刻会随距离和使用读取方法的不同而不同;
1.5 运动时钟:相对观察者运动的时钟。由于运动速度的大小和方向都是相对的,因此运动时钟本身所指示的时刻和时间不应因运动状态的不同而改变,只会因观察者相对时钟的运动状态不同而发生改变,即会出现观察者效应而非时钟的运动效应。详见本人的《时空与运动速度大小无关的理论证明》(https://www.toutiao.com/article/6623264892663104004/);
1.6 时刻:任意时刻读取时钟所指示的位置所表达的时间或数值。详见本人的《时间的真谛》(https://www.toutiao.com/article/6632146039761551880/);
1.7 时间:两个时刻之间的间隔或持续时段长度。
2、几个重要术语之间的相互关系
2.1 本地时钟与标准时钟之间的关系:在一般情况下,两者所指示的时刻和时间是完全一致的;
2.2 异地时钟与标准时钟之间的关系:一般情况下,异地时钟所指示的时刻与标准时钟(含本地时钟)会存在一定的时间差异。这是因为观察者与异地时钟存在一定的距离,而观察者读取时间只能使用传递速度有限的光等媒介来实际。详见本人的《以对表校钟常用方法分析获取运动钟准确时间的正确方法与注意事项》(https://www.toutiao.com/article/7310622866410848804/);
2.3 静止时钟与标准时钟之间的关系:在一般情况下,静止时钟与标准时钟所指示的时刻与时间是一致的,但当观察者与时钟之间的距离不同时,其无论用何种方式读取时钟的时刻都会因距离的不同而不同,但因观察者与时钟的距离是固定不变的,在读取时刻的方式不变的情况下,其读取的时刻与标准时钟的差异是固定的,所以,两次读取的时刻之间的时间或称其为时差是准确的、固定不变的;
2.4 运动时钟与标准时钟之间的关系:在一般情况下,因时钟的运动而导致观察者与时钟的距离会随时间变化,从而导致观察者不同时刻计取时钟时刻的结果会不同,且读取的时间差也会随时间变化;
2.5 本地时钟和异地时钟之间的关系:所谓本地时钟和异地时钟只是针对不同位置上的观察者而言的。同一惯性系中静止的时钟,相对不同位置上的观察者而言,有可能是本地时钟,也有可能是异地时钟。因此,其所指示的时刻和时间应该是完全一致的,不会因为观察者位置的不同而不同。只会因为观察者位置的不同和使用读取时刻的方法不同才会出现其读取的时刻和时间不同;
2.6 静止时钟和运动时钟之间的关系:虽然所谓的运动是绝对的,不运动是相对的,但运动速度的大小与方向是相对的,而不是绝对的。因此,在一个惯性系中是静止的(或运动的),在另一个惯性系中就可能是运动的(或静止的)。由此可见,运动时钟所指示的时刻和时间与静止时钟的应该完全相同,不会因为其在运动而发生变化。只是因为相对时钟运动的观察者不同时刻读取时钟所指示的时刻和时间时,因其相对时钟的距离不同而不同。也就是说:无论时钟如何运动,其任意时刻所指示的时刻和时间应该与其所在空间位置上静止的时钟所指示的完全相同,不会因其在运动而不同。因此,要证明运动时钟与静止时钟所指示的时刻和时间是不同的,就必须证明同时刻、同一位置上的运动时钟与静止时钟所指示的时刻和时间是不同的。不能用观察者的本地时钟来衡量非本地的运动时钟所指示的时刻和时间。
二、洛伦兹变换中的时间含义及其存在的问题
1、洛伦兹变换数学形式
洛伦兹变换是狭义相对论中两个作相对匀速运动的惯性参考系(S和S′)之间的坐标变换。若S系的坐标轴为X、Y和Z,S′系的坐标轴为X′、Y′和Z′。为了简单,让X、Y和Z轴分别平行于X′、Y′和Z′轴,S′系相对于S系以不变速度v沿X轴的正方向运动,当t=t′ = 0 时,S系和S′系的原点互相重合。同一个物理事件在S系和S′系中的时空坐标由下列关系式相联系:
以上内容摘自[百度百科]。
2、洛伦兹变换中时间的含义
本文只讨论洛伦兹正变换中的时间含义,逆变换中的时间与此相同,在此不再重复。
从该变换(公式1)中可知:运动参照系S'中的时刻t'不仅与其运动速度u和光速C有关,还与观察点P的空间位置x有关。也就是说:当静止参照系S中的某一时刻t时所对应的运动参照系S'中的不同位置上的t'的时刻是不同的。这样一来,运动参照系S'中的时间就不是唯一的,就没有标准时钟,而是因地制宜→不同位置上的时间不尽相同。这显然是有问题的。
三、洛伦兹变换对时间含义的理解的错误
由以上分析可知:洛伦兹变换中的时间是与观察点的位置相关的,也就是说:在同一参照系中,不同位置上的时钟所指示的时刻和时间是不同的。但我们知道:在同一参照系中,不同位置上的时间是相同的。也就是说:在同一参照系中,时间与时钟所处的空间位置是无关的,每一个参照系中只能有一个标准时钟。由此可见,洛伦兹变换中的时间含义是不符合时间的定义与本质的,也自然是错误的。
无论如何,两个惯性系或匀速直线运动的参照系之间的时间对应关系只能是固定不变的,不能因空间位置的不同而改变对应关系。如:地球时与月球时的对应关系是:地球自转一周为1天;月球自转一周为27.32天。若都以自转一周为计时单位时,两者的对应关系是1:27.32,不会因为地球和月球的位置不同而不同。
总之,要搞清楚运动是否真的会影响时间,就得用同一时刻、同一空间位置上不同运动状态的时钟所指示的时刻与时间来进行比较,不能用异地时钟进行比较。这样才能消除因读取时刻所使用的方法的不同所导致的时间差异和距离的不同带来的影响。