根據尺縮效應,近光速飛行的人回到地球后身體尺寸會變小嗎?

長度收縮效應,又稱尺縮效應,是相對論性效應之一。一根靜止長杆的長度可以用標準尺子進行測量。對於沿杆子的方向作勻速直線運動的另一根杆子,如果要想知道它的長度,就必須同時記下它兩端的空間位置。這兩個空間位置之間的距離就定義為運動杆子的長度。狹義相對論預言,沿杆子方向運動的杆子的長度比它靜止時的長度短。此效應表明了空間的相對性。

鐘慢效應和尺縮效應在非慣性參考系中的確是同時出現,但在回到同一參考系中結果卻不相同。以下為詳細說明。

相對論中的鐘慢效應和尺縮效應

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相對論中的鐘慢效應

時間膨脹是一種物理現象:兩個完全相同的時鐘之中,拿著甲鐘的人會發現乙鍾比自己的走得慢。這現象常被說為是對方的鐘“慢了下來”,但這種描述只會在觀測者的參考系上才是正確的。時間膨脹效應適用於任何解釋時間速度變化的過程。

根據狹義相對性原理,慣性系是完全等價的,因此,在同一個慣性系中,存在統一的時間,稱為同時性,而相對論證明,在不同的慣性系中,卻沒有統一的同時性,也就是兩個事件(時空點)在一個慣性系內同時,在另一個慣性系內就可能不同時,這就是同時的相對性,在慣性系中,同一物理過程的時間進程是完全相同的,如果用同一物理過程來度量時間,就可在整個慣性系中得到統一的時間。

在今後的廣義相對論中可以知道,非慣性系中,時空是不均勻的,也就是說,在同一非慣性系中,沒有統一的時間,因此不能建立統一的同時性。

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相對論中的尺縮效應

相對論導出了不同慣性系之間時間進度的關係,發現運動的慣性系時間進度慢,這就是所謂的鐘慢效應。可以通俗的理解為,運動的鐘比靜止的鐘走得慢,而且,運動速度越快,鍾走的越慢,接近光速時,鍾就幾乎停止了。

尺子的長度就是在一慣性系中"同時"得到的兩個端點的座標值的差。由於"同時"的相對性,不同慣性系中測量的長度也不同。相對論證明,在尺子長度方向上運動的尺子比靜止的尺子短,這就是所謂的尺縮效應,當速度接近光速時,尺子縮成一個點。

由近光速飛行回到地球之後

由上述可知,鐘慢效應和尺縮效應的表達有很重要的一個前提,就是在非慣性參考系中。當一個人在近光速飛行時,他相對於地球的觀察者這個參考系,時間的流逝和空間尺寸,由於鐘慢效應和尺縮效應,在觀察上的確是發生了變化。

根據尺縮效應,近光速飛行的人回到地球后身體尺寸會變小嗎?

狹義相對論公式

但當他回到地球上,與地球的觀察者處於同一參考系時,將不再具有鐘慢效應和尺縮效應的表達。

但是由於在近光速飛行時,由於鐘慢效應,他所經歷的時間要比地球的觀察者要少,所以會表現得更年輕。但是當與地球的觀察者處於同一參考系,尺縮效應的影響不再,所以身體尺寸並不會發生變化。

結論

結論就是近光速飛行的人回到地球后的確會比同齡人年輕,但是身體尺寸並不會變小。


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