尺缩效应的验证与光速不变的冲突
光速不变原理
光速不变原理
光速不变原理是指在真空中，光的传播速度是恒定不变的，不受光源运动状态的影响。
这一原理是由爱因斯坦所提出的，并成为狭义相对论的重要基础之一。
根据狭义相对论的原理，物体的质量和速度之间存在着一个关系，即质量随着物体的速度增加而增加。
而根据相对论的光速不变原理，光的传播速度是一个恒定不变的极限值，为
299,792,458米每秒，即光速。
光速不变原理的意义在于，它改变了我们对时间和空间的观念。
在相对论中，时间和空间是相互关联的，并与物体的速度有关。
当物体的速度接近光速时，时间会变慢，空间也会收缩。
这就是著名的时间膨胀和长度收缩效应。
光速不变原理的实验验证也得到了许多的确认。
例如，麦克斯韦方程组预言在真空中传播的电磁波速度为光速，这一速度得到了实验的证实。
此外，著名的钟差实验也验证了光速不变原理。
在这个实验中，将两个原子钟分别放置在高速飞行的飞机和地面上，经过一段时间后，发现两个钟的时间存在微小差异，这就是由于飞机的速度接近光速导致的时间膨胀效应。
总之，光速不变原理是狭义相对论的重要基础之一，它改变了我们对时间和空间的观念，并通过实验证实了它的正确性。
狭义相对论尺缩效应的数学推导
狭义相对论之尺缩效应高中数学推导1首先依据光速不变原理，假设垂直光子钟，在相对于地面以V 速度匀速运行的火车上相对于火车垂直上下运动，推导出钟慢效应公式221C V tT -=此处T 表示相对运动坐标系观察的时间（数值大） t 表示在相对运动物体静止的时钟观察到的时间（数值小）。
2 假设在该火车上有人自车尾部使用激光测距朝列车运行方向照射测量火车长度，则火车上人测量的距离 2ctl =，而地面上的人观察到的测量过程为光子在某一时刻自火车后面追击火车头，飞向前方，列车运行t1时刻后，追上列车头反射，间隔t2时间长度与相向而行的火车尾部的观测仪器相遇。
Tt t ct vt L ct vt L =++==+212211L cT t t 221≠>由此必须使用时间这唯一能沟通两个参照系的量来测算距离22212112,2//c v t T cl t ct l VC L V C L t t T VC L t VC L t -===++-=+=+=-= 22212112,2//c v t T cl t ct l VC L V C L t t T VC L t VC L t -===++-=+=+=-= 最后三个公式可形成等式2222221212c v c l c v t V C LC V C L V C L T -=-=-=++-=22222222222222222222221,1,11,1,1,1c v l L l c vLcv l C V L cv l C V C L cv l V C LC Vv c C c v c l VC LC -==--=--=--=-==-=-由此可知 运动物体在空间中所占有的的长度 在运动方向上会减少，数值为静止坐标系下测量长度的221c v -倍，该数值永远小于1。
发生了尺缩。
爱因斯坦的实验原理
爱因斯坦的实验原理
爱因斯坦的实验原理是指爱因斯坦在提出相对论的过程中进行了一系列实验，通过实验观测和数据分析的方法，验证了相对论的理论推断和预测。
其中最著名的实验是迈克尔逊-莫雷实验（Michelson-Morley experiment），该实验旨在检验以太学说的正确性。
根据以太学说，光以一定速度在介质中传播，而与介质的运动方向有关。
然而，实验结果却表明无论地球在任何方向上的运动，光速都是始终不变的。
这一结果违背了以太学说，成为相对论发展的关键。
爱因斯坦还通过其他实验，如钟慢效应（Time Dilation）、尺缩效应（Length Contraction）等来验证相对论的理论预言。
这些实验证明了基于光速不变原理的相对论的正确性，并对我们理解时间、空间、相对运动等提供了新的认识。
总的来说，爱因斯坦的实验原理是指他在相对论研究中所开展的一系列实验，用以验证相对论的理论预言，奠定了相对论的实验基础，对现代物理学的发展产生了深远影响。
相对论尺缩效应
所以： L=L0(1-v^2/c^2)^-2
狭义相对论尺缩效应也是光速不变原理的必然结果
狭义相对论尺缩效应:
如图，小车以高速 v 运行，其左侧有一个激光源，右侧是反射镜。光脉冲由 S 发出，被反 射镜 M 反射后又回到 S。现在从车厢参考系和地面参考系两种观点去分析此现象。 在车厢参考系上，测得的车厢长度记为 L0，光脉冲在两侧车厢板之间往返一次所需时间 2Δt0=2L0/c
在地面参考系上，测得车厢长度记为 L，由光速不变原理，地面上看到光脉冲的速度仍然为 c。由于车厢在运动，所以光脉冲在车厢两侧之间往返一次所用的时间 Δt 可以分成两部分之 和：Δt=Δt1+Δt2，Δt1 为光脉冲由 S→M 所用时间；Δt2 为光脉冲由 M→S 所用时间，如图所 示。由几何关系可得：
L+vΔt1=cΔt1 L=cΔt2+vΔt2 可得: Δt1=L/(c-v) Δt2=L/(c+v) 因此: Δt=Δt1+Δt2=(2Lc)/(c^2-v^2) 由于：
Δt=Δt0/(Δt=Δt0/(1-v^2/c^2)^-2) 则：
Δt=Δt0/(Δt=Δt0/(1-v^2/c^2)^-2)=(2L0)/(c(1-v^2/c^2)^-2))=)=(2L0)/(c^2-v^2)^2 由此得：
在论坛里，有人认为相对论验证实验中“粒子寿命变长，不等于时间变慢，用粒子"寿命"的 变化推及时间变化.. 我不认同这种观点。以下我利用光速不变原理，推导出狭义相对论的时间延缓效应。
一辆高速运行的车厢，速度为 v，在车厢的底部有一激光光源，光源上方的车厢顶部有一个 平面镜。两个惯性系的观测者，甲在车厢参考系，乙在地面参考系。如图所示，观测者甲， 在车厢参考系中观测车厢发生的事件 1——光源发出光信号；事件 2——光源接收到反射回 来的光信号。甲用车厢内的钟测得的这两件事件的时间间隔为 Δt0，（即光脉冲往返一次的 时间间隔为 Δt0）， 则：Δt0=2h/c 乙在地面参考系用地面钟测得同样两个事件的时间间隔 Δt，（即光脉冲往返一次的时间间隔 为 Δt）。如图所示，由于车厢匀速向右运动，地面观测者看到光往返的光程 cΔt（根据光速 不变原理）比 2h 长了，是如图 b）所示的等腰三角形的两腰，车厢在此段时间内的路程 vΔt 是等腰三角形的底边。 由勾股定理可得：（vΔt /2）^2+h^2=（cΔt）^2 而：cΔt0=2h 代入化简，得：Δt=Δt0/（1-v^2/c^2）^-2 由此可见，Δt 〉Δt0 这就是高速运动的时间延缓效应，也称为时间膨胀，是光速不变原理的必然结果。
相对论尺缩效应，是物体自身真的变短了吗？
相对论尺缩效应，是物体自身真的变短了吗？“运动着的物体，其运动方向上的长度会变短”这句话经常出现在相对论科普中，虽然表述不太严谨，但作为科普来说，还是可以的，不过这也导致了一个问题：如题所言，很多朋友对这个尺缩效应感到不解，这里的变短到底是指物体真的变短了，还是测量结果变短？抑或是看上去变短了呢？1905年，爱因斯坦在大量思考的基础上，发表了一篇名为《论动体的电动力学》的论文，这篇论文在现在看来，是属于颠覆性质的，它否定了数百年来由牛顿建立的绝对时空观，直接以光速不变作为原理，结合狭义相对性原理，给出了一个新的物理学基础框架。
理所当然的是，这篇论文一开始并不被众人接受，视为离经叛道也不为过，但幸运的是该论文深得物理大佬普朗克的喜欢，在普朗克的关爱下，爱因斯坦此后终于从一个专利局的小职员逐步走向了物理界高处，所谓伯乐识千里马也就是这般了。
在这篇论文当中，运动物体的长度会收缩是被明确表示出来的，但为了区别于一句话科普介绍，我们现在必须得介绍这个尺缩效应到底是怎么一回事。
原则上来讲，一切狭义相对论的仔细讲解，必须涉及洛伦兹变换，这是各种推论（除了尺缩效应，还有钟慢效应、质能方程等等）的数学基础，而洛伦兹变换实际上是一组数学方程，如果放到科普文中进行介绍，想必也没人会仔细看，所以我就不浪费时间了，因此大家只需记住洛伦兹变换是涉及惯性系之间时间、空间等物理量的变换公式即可。
（毕竟狭义相对论的颠覆性就体现在它否定了经典时空观）既然是惯性系之间，那么至少需要关系到两个惯性系，我们才可以谈论尺缩效应。
因此我们设计这样一个物理场景：首先我们知道地面可以作为一个很好的惯性系，那么再假设地面上有一个沿直线匀速移动的小车，就有了第二个惯性系，并且我们在小车的车顶上粘上一把数米长的直尺（比方说两米），那么试问这把尺的长度在地面观察者的角度下有多长？在小车内部的观察者角度下又有多长？请注意刚才那两个问句的用词，通常情况下这两个问句应该是这样问的：“直尺的长度在地面观察者看来是多长？。
伸缩的尺悖论
伸缩的尺悖论
伸缩的尺悖论是相对论中的一个著名问题，它提出了这样一个场景：一把快速运动着的尺子，在观察者看来，它的长度似乎发生了缩短。
这个问题主要源自于相对论中的时间膨胀和长度收缩效应。
在相对论中，当一个物体以接近光速的速度运动时，观察者会发现该物体的长度和时间都发生了变化。
长度收缩是指物体在运动方向上的长度会变短，而时间膨胀是指物体内部的时间会变慢。
伸缩的尺悖论的解决关键在于理解相对论中的相对性原理。
在相对论中，不同的参考系之间存在相对的运动速度，因此，观察者所观察到的物理现象也会有所不同。
在这个问题中，观察者需要根据自己所处的参考系来理解和解释所观察到的现象。
具体来说，当尺子以接近光速运动时，观察者需要先将尺子相对于自己静止时的长度进行修正，然后再考虑尺子在运动方向上的长度变化。
通过这种方式，观察者可以准确地测量出尺子的长度，并解决这个悖论。
总之，伸缩的尺悖论是一个有趣而深刻的物理问题，它揭示了相对论中的时间膨胀和长度收缩效应。
解决这个悖论的关键在于理解相对论中的相对性原理和参考系之间的相对运动速度。
光速是恒定不变的
光速是恒定不变的在物理学中，光速是一个非常重要的概念。
在相对论中，我们认为光速是恒定不变的。
这意味着不论观察者的运动状态如何，光速在真空中始终保持不变。
这个理论颠覆了牛顿的经典物理学，引发了对时间和空间的全新理解。
本文将详细解释光速恒定不变的原因，并探讨其在现实世界中的应用。
首先，要理解光速恒定不变的原因，我们不能忽视爱因斯坦的狭义相对论。
相对论认为，时间和空间是相对的，而不是绝对的。
它改变了我们对时间和空间的观念，提出了一个全新的理论框架。
在相对论中，光速被定义为真空中传播的最高速度，标记为c。
无论观察者的运动状态如何，光速在真空中始终保持不变。
光速恒定不变的原理可以用以下两个概念来解释：时间的相对性和尺缩效应。
首先，时间的相对性意味着观察者的运动状态会影响他们所测量到的时间。
当一个观察者以接近光速的速度运动时，时间会相对减缓。
这个现象被称为时间膨胀。
从观察者的角度来看，他们自己的时间是正常流逝的，但与他们相对静止的人相比，他们的时间流逝较慢。
因此，当一个光子以光速传播时，它所经历的时间为零，无论观察者的运动状态如何。
这就是为什么光速被认为是恒定不变的。
其次，尺缩效应意味着观察者的运动状态会影响他们所测量到的长度。
当一个观察者以接近光速的速度运动时，物体的长度会相对缩短。
从观察者的角度来看，他们所测量到的物体比它们相对静止的人所测量到的更短。
因此，当一个光子以光速传播时，它看起来没有长度，也没有经过空间。
这再次表明了光速恒定不变的特性。
光速恒定不变的重要性可以从各个领域的实际应用中得到验证。
首先，在天文学中，我们使用光学望远镜来观测远离地球的天体。
由于光速是恒定不变的，我们可以确保我们看到的图像是基于远离我们的天体所发出的光，而不是由于时间延迟引起的。
这样一来，我们能够准确地解释和研究宇宙中的现象。
其次，在相对论物理学中，光速恒定不变的原理是理解整个相对论框架的关键。
它使我们能够推导出狭义相对论中的其他重要结果，如质量增加、能量转换、动量守恒等。
专题7-5 相对论时空观与牛顿力学的局限性(人教版2019必修第二册)(解析版)
专题7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性【人教版】【题型1 光速不变原理】........................................................................................................................................... 【题型2 同时的相对性】........................................................................................................................................... 【题型3 时间延缓效应】........................................................................................................................................... 【题型4 长度收缩效应】........................................................................................................................................... 【题型5 质量问题】................................................................................................................................................... 【题型6 综合问题】................................................................................................................................................... 【题型7 牛顿力学的局限性】...................................................................................................................................【题型1 光速不变原理】【例1】关于狭义相对论的说法，不正确的是()A．狭义相对论认为在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的B．狭义相对论认为在一切惯性参考系中，光在真空中的速度都等于c，与光源的运动无关C．狭义相对论只涉及无加速运动的惯性系D．狭义相对论任何情况下都适用答案D解析狭义相对论认为在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的，选项A正确；狭义相对论认为在一切惯性参考系中，光在真空中的速度都等于c(光速不变原理)，与光源的运动无关，选项B正确；狭义相对论只涉及无加速运动的惯性系，故选项C正确，D错误．【变式1-1】（多选）设某人在速度为0.5c的飞船上打开一个光源，则下列说法正确的是()A．飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为1.5cB．飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为0.5cC．在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是cD．在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c答案：CD【变式1-2】如图所示，考虑几个问题：(1)如图所示，参考系O′相对于参考系O静止时，人看到的光速应是多少？(2)参考系O′相对于参考系O以速度v向右运动，人看到的光速应是多少？(3)参考系O相对于参考系O′以速度v向左运动，人看到的光速又是多少？解析根据狭义相对论的一个基本假设：光速不变原理，可知光速是不变的，都应是c.答案(1)c(2)c(3)c【变式1-3】如图所示，强强乘坐速度为0.9c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光束的传播速度为()A．0.4c B．0.5c C．0.9c D．c答案：D【题型2 同时的相对性】【例2】如图所示，沿平直铁路线有间距相等的三座铁塔A、B和C.假想有一列车沿AC方向以接近光速的速度行驶，当铁塔B发出一个闪光，列车上的观测者测得A、C两铁塔被照亮的顺序是()A．同时被照亮B．A先被照亮C．C先被照亮D．无法判断答案C解析列车上的观测者看到的是由B发出后经过A和C反射的光，由于列车在这段时间内向C运动靠近C，而远离A，所以C的反射光先到达列车上的观测者，看到C先被照亮，故只有C正确．【变式2-1】如图所示，在地面上M点固定一光源，在离光源等距的A、B两点上固定有两个光接收器，今使光源发出一闪光，问：(1)在地面参考系中观测，谁先接收到光信号？(2)在沿AB方向高速运动的火车参考系中观测，谁先接收到光信号？解：(1)因光源离A、B两点等距，光向A、B两点传播速度相等，所以光到达A、B两点所需要的时间相等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
对于光速不变原理错误性的论证
温海龙
（河北省保定市农业科学研究所，河北保定071000）
摘要：关于光速不变原理，有很多支持他的实验，但是依然有很多人对此表示怀疑，也有很多人坚信他是错误的。
而本文中也通过一个具体的分析，找出他自身在逻辑上就存在的一个问题，为光速不变原理的错误性也找出一个论证。
关键词：光速不变原理钟慢效应尺缩效应
对于光速不变原理，我也有自己的看法，我的看法是光速不变，不是在所有情况下都成立的。
下面，通过具体的实验来说明这一点。
如下图所示，一列火车以速度V沿铁轨BG方向行驶，在火车顶有一点C，C与A在同一水平位置，A位于B点正上方。
C处有一电灯泡，在火车过B点时（这里指C与A重合时），电灯正巧被打开，在火车底部靠前方有一点F，当火车行驶一段距离后，从电灯C处发出的一条光线正好到达F，也可以说正好到达与F接触的在铁轨BG上的E点（因为可能存在尺缩效应，所以取了火车上一点F和铁轨BG上一点E，当然，即使BE等于BF也不影响结果）。
还有一条光线，是在C处电灯发出的相对火车竖直方向的光线，到达火车下方的D点。
现在具体分析下这两条光线。
先来看相对火车竖直方向的光线，相对于火车是CD，相对于火车外是AD，火车是以速度V匀速运动，根据相对论的钟慢效应，火车内的时间与火车外之比就是CD比AD。
再来看火车内CF方向的光线，相对于火车外就是AE，如果光速不变，在火车内，从C 到F所用的时间应该是CF/C，在火车外，光线就是从A到E，时间就是AE/C，所用时间之比就是CF/AE！从C到F，和从A到E，这是相对于两个参考系都实实在在的光线，如果光速确实不变的话，他们所用的时间之比就是距离之比，也就是钟慢效应的时间比是CF/AE。
根据爱因斯坦的钟慢效应，通过相对运动的物体的速度，就可以计算出他们的时间对应，也就是时间比是一样的，也就是说，如果这样说正确的话，那么，上面两条光线算出的钟慢
效应结果应该是一样的，也就是要求CD/AD=CF/AE 。
在火车参考系内，光线从C同时到达CF和CD，所以可以认为CF=CD，代入CD/AD=CF/AE，可以得出AD=AE，现在我们就来分析下，这个E点，需要在什么位置上，才能满足这个条件。
现在，我们让BE与CD相交于点O，并且假设OF=nOE，这时候分析下3个直角三角形的情况。
在直角三角形中ACD中，AD/CD=C/V,也就是钟慢效应的时间比，同时AC2+CD2=AD2 在直角三角形ABE中，AB2+BE2=AE2
在直角三角形COF中，CO2+OF2=CF2
同时，还知道AD=AE,CD=CF，便可以求出n2=1+2BO/OE我的计算方法是在直角三角形ABE中，AB2+BE2=AE2=AD2= AB2+ (BO+OE)2
在直角三角形COF中，CO2+OF2=CF2 =CD2=AB2+n2OE2
所以AD2 -CD2 = AB2+ (BO+OE)2-( AB2+n2OE2),同时AD2 -CD2=AC2=BO2
所以n2=1+2BO/OE，推到这里，也就足够了，至少可以推出相对论的尺缩效应是错误的。
我们看到，n是一个与BO，OE相关的量，现在，还是上图，火车的速度不变，我们把C 点的位置上移，这个时候依然有一束光线可以射向F，同时对应着BO的距离也变大，依旧可以画出这个图，依旧满足这个结果n2=1+2BO/OE，但是根据相对论，火车速度不变，对应的尺缩效应比也不会改变，也就是OF/OE不变，n不变n2也就不变，同时火车上OF是固定的，那么OE也就不变，但是在n2=1+2BO/OE中，BO的距离变大，也就同时要求n2 和OE也要跟着变化，也就是说E点是随着BO的距离移动的，他既不与相对论的尺缩效应相对应，也不与F点重合，这用光速不变原理根本就无法解释。
关于光速不变原理，我以前写过一篇文章《关于光速不变原理的数学推论和尝试》，我的看法在文章里面有具体介绍，我的看法是空间中两个物体的联系与距离成反比，空间中每一个不同的点都是一个相对独立的时空，都有一个属于自己的时间体系，他们之间通过光速产生联系。
为了形象说明这一点，我举个例子来说明。
在我们的空间中，有相距非常遥远的两个点A和B（我认为分别位于两个平行空间的两点，完全等价于处于一个光速联系的空间中相距无限远的两点），有一对双生子甲和乙，在他们都11岁的时候，把甲带到A，把乙带到B，当甲12岁时，我们可以通过某种对应（可以是虫洞，可以是超光速，也可以是其他具体的方法）让甲去B点见乙，此时乙可以是11岁，这时候的解释是在乙到达B时，乙的时间暂停了，时间停在了那一刻，此时也可以通过某种对应，让他们见面时，乙20岁了，这时候的解释可以是乙的时间加快了，比甲还要快。
这个实验反过来做，让乙去A点见甲，也是一样的结果。
因为A和B两点是空间中不同的两点，完全等价的两个点，他们分别拥有着自己的时间体系，在他们不产生联系时，对方的时间流逝跟自己没有任何关系，我们也就没有理由让他们的时间必须始终保持一致了。
他们的时间完全按照他们自己的法则前进着，并且通过光速产生着联系。
所以，我认为，这才是相对论中的钟慢效应，超光速时间倒流的实质，而实质上，超光速也不会破坏事物的因果律，如果真的存在超光速的话。
参考文献
（1）温海龙.关于光速不变原理的数学推论和尝试.科技风, 2014，（10）.。