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物理的感悟:(三十六)長度其實沒有收縮
2025/07/30 06:32:50瀏覽19|回應0|推薦0

相對論從提出到現在已經超過100年。當愛因斯坦提出相對論時物理界對時空的理解尚停留在力學的會隨時間變化的三維空間的觀念上。以至於除了閔考斯基,其他的物理學者對於相對論中推導出的許多現象的理解是錯的。這些錯誤流傳到今天仍然在書籍裡、課堂中繼續誤導學生。長度收縮(length contraction)的觀念就是其中之一。

在相對論的解說中,通常會提到長度收縮這個觀念。簡單的說,就是當一個物體與觀察者有相對速度,物體的長度會變短。這個現象稱為長度收縮。

長度收縮這個觀念最早是由費茲傑羅(George Francis FitzGerald)與勞崙茲(Hendrik Lorentz)提出來解釋邁克生-莫雷(Michelson-Morley)實驗結果所提出的解釋。基本觀念是運動中的物體沿運動方向的長度會收縮。收縮後的長度是原長/勞崙茲因子。其中原長(proper length)是物體靜止時的長度。而勞崙茲因子是,值大於或等於1。

從邁克生-莫雷實驗結果證明長度收縮所描述的現象確實存在。問題是物體長度為什麼會收縮?是物體長度真的收縮?還是因為人類觀察的干擾而收縮?還是人類的錯覺?還是什麼其他原因?

事實在勞崙茲提出長度收縮之前,黑維塞(Oliver Heaviside)推導出靜電場會因速度而從球形變成橢球形。速度是相對速度。不同的相對速度,橢球形狀不同。因此靜電場的形狀與相對速度相關。形狀是相對的。

為了解釋這個現象,勞崙茲認為構成物體的原子之間的距離縮短。

在愛因斯坦提出相對論之後,愛因斯坦提出的解釋是由於閔考斯基度量,以勞崙茲變換可以證明長度會因相對速度而收縮。

所謂長度收縮所描述的長度縮短現象確實存在。但是我認為這個現象不應該理解為長度收縮。也就是說,長度收縮這個觀念是錯的。

  

以一個簡單的比喻來說。有一塊長方形的木板。寬度1公尺。有一個人拿尺量木板的寬度。但是沒有與寬邊平行測量。而是與寬邊傾斜30度測量。測出的值是1.154公尺。於是這個人宣稱發現了「寬度伸長」現象與規律。測量的值的確變大了,但是木板的寬度其實並沒有伸長。其他人只會認為這個人測量斜了。而且當物體不是長方形,就不符合「寬度伸長」的規律。

  

長度縮短以閔考斯基空間來理解就變得很簡單。有一個慣性觀察者甲及一根長1公尺的棍子。棍子的四維路徑向甲的x軸方向傾斜30度。對甲而言,棍子的長度不是1公尺,而是0.816公尺。為什麼?

在「四維空間中人類如何觀察物體」中說過,人類觀察物體的長度是四維超體在觀察者垂直三維空間切體的長度。然而只有物體四維路徑的垂直三維空間切體長度才是物體的真正長度,稱為原長(proper length)。當物體的四維路徑與觀察者的四維路徑存在夾角,也就是斜了,觀察者的三維垂直空間與物體的三維垂直空間也斜了。測量的長度自然不是原長。所以長度變短現象的真正原因是量斜了,而不是什麼特殊的長度收縮。

為什麼量斜了會變短而不是變長呢?這是因為閔考斯基度量中的相減而不是歐幾米得度量的相加所導致的差異。

( 知識學習科學百科 )
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