时间膨胀和长度收缩

148 时间膨胀和长度收缩

主题

长度收缩和时间膨胀

缺点

在通常的语言中和在技术用语中，收缩和膨胀表示过程，即某种东西随着时间的推移发生了变化。如果开始时比较长的物体变短了，我们就说它在收缩；如果开始时比较短的物体变长了，我们就说它在膨胀。然而，这与在相对论中所说的长度收缩和时间膨胀并不是同一意思。这里，长度的值和时间的值仅仅是因为参考系的变换而发生了变化。换句话说，这是对同一物体或同一过程的不同数学描述。

这种因参考系的变换而发生的物理量值的变化在物理学中是一种法则。

所有物理学家都知道，动能的值会随参考系的变换而变化。然而，我们不会因此说能量增加了。能量增加这一表述会引发一个问题：能量变化率d E/d t为多大？

同样，动量的值也会随参考系的变换而变化。然而，我们不会因此说动量增加了。当你说动量增加时，你得回答这样的问题：相应的动量变化率d p/d t为多大？这动量变化率是引起动量变化的力。

你也许会说，我们未必要说得这样微妙，因为这些道理大家都知道。如果不涉及相对论，也许你这样说是对的。

初学者艰难地学习长度收缩和时间膨胀及所有相关知识。收缩的尺子没有发生变化，相对于其他钟表走慢了的钟表也没有发生变化。参考系变换后，不但尺子变短了，整个世界都变短了。这就是我们生活在这个世界中却没有觉察到任何收缩的原因。

但是，初学者在相对论的其他主题中学到了长度变短或变长的内容。他们认为这跟参考系变换时的现象是相同的。例如，用来观察引力波的迈克耳孙干涉仪。在这个实验中，镜子之间的距离发生了变化，因而光传播的路径和干涉图样都发生了变化。然而，其他长度（光的波长、尺子的长度、研究者的体型尺寸）是否也发生了变化？如果是，长度缩短的现象将无法被观察到。

当然，这个结论是错的。我们必须涉及实际发生的过程，这种过程不会因为参考系的变换而消失。如果我们不清晰地区分“物理过程”和“参考系的变换”

这两个概念，就建立不起这样的观点。

另外，反复地断言以太不存在或空间是空的，上面这个问题也会得到加重。如果空间是空的，按照我们对空的正常想象，空间膨胀的概念是无意义的。

历史

长度收缩这一名称只适用于洛伦兹的概念框架中[1]。根据洛伦兹理论，长度收缩是材料物体之间距离的实际减小。在他的前辈菲茨•杰拉德（Fitz Gerald）的概念框架中[2]，收缩是一个实际的过程（图2）。

图1. 长度收缩的前相对论概念

建议

请小心，避免产生这样的印象，即洛伦兹公式描述的是一个过程。特别地，要避免使用长度收缩和时间膨胀这样的名称。

相反，在涉及用干涉仪检测引力波的问题时，要清楚地断定镜之间的距离在变化；相应地，也要清楚地断定宇宙确实在膨胀。在这里，收缩或膨胀这两个词

是合适的。问题出来了，谁在收缩或膨胀？如果你已取缔了以太这个词，你需要对这个膨胀的实在物取另一个名称。如果我们把它叫做空间，这对学生没有帮助。在通常的语境中，空间仅仅意味着物体的空间。如果空间的概念仅仅如此，那么空间只能增加而不会膨胀。

[1] H. A. Lorentz: Die relative Bewegung der Erde und des Äthers(Zittingsverlag, Amsterdam, Akad. v. Wet., 1 (1892), p. 74

[2] G. F. Fitz Gerald: The Ether and the Earth’s Atmosphere, Science, Vol. XIII, No. 328, Letters to the editor, p. 390

F. Herrmann

（陈敏华，2016年7月5日译毕于浙江省绍兴市柯桥区碧水金柯）