相对论分析同时的相对性
关键字:相对论，同时，相对性，光速，时间，运动作者：吴兴广
根据相对论有速度极限问题，那么如何处理极限速度问题？
（在参考系O看来，）物体A以光速运动，另一个物体B以一个很小的速度V，相对于物体A运动，那么在物体B看来，物体A的速度是多少？在物体A看来，物体B的速度是多少？如果另一个物体D与物体B相静止，同样以速度V运动，并且方向相同，（例如A,B处在一个物体的两端）。
那么根据相对论的速度叠加公式得出物体A与B的速度相同为C.根据相对论时间相对性公式得出两者时间收缩相同；根据相对论长度收缩公式得出两者空间收缩相同。那么一种物理现象对两个物体来说就一样吗？答案是否定的。这里还要考虑一个运动方向问题。
在同时的相对性中，‘有一列爱因斯坦火车(S''?系)相对于地面(S系)匀速向右运动，在爱因斯坦火车上A、B两点分别放置信号接收器，在它们的中点M放置一光信号发生器。设在某时刻，M发出一光信号。我们将A接收到光信号称为事件1，将B接收到光信号称为事件2。
????在S''?系观察，由于MA=MB，各个方向光信号的传播速度都是c，所以光信号必定同时传到两个接受器，即事件1和事件2是同时发生的。
在S系观察这两个同样的事件，由于A、B?随着S''?系一起移动，在光信号从M发出到达A的这一段时间内，A已迎着光走了一段距离；而在光信号从M发出到达B的这一段时间内，B却背着光走了一段距离。光信号传播速度在各个方向上还是c，因此事件1先发生，事件2后发生。’【1】这里A，B相对于光是不是运动的？答案是是的。那么在光看来，物体A的速度是多少？根据相对论速度公式得出在光看来，物体A的速度是C.同理，在射向B的光看来物体B的速度是C.
根据相对论的速度叠加公式，时间收缩公式，空间收缩公式，这样的物体是没法计算的，事实并非如此。爱因斯坦在没有得出相对论的一系列结论的时候，就已经进行了计算。
我们要考虑物体A，B、的运动速度，方向。A，B虽然相对于射向自己的光的速度是一样的，但是由于一个向着光运动，一个远离光运动，就会造成不同的结果。这里‘由于A、B?随着S''?系一起移动，在光信号从M发出到达A的这一段时间内，A已迎着光走了一段距离；而在光信号从M发出到达B的这一段时间内，B却背着光走了一段距离。光信号传播速度在各个方向上还是c，因此事件1先发生，事件2后发生。’在这里我们主要讨论的问题不是方向的不同造成不同的结果，而是讨论速度极限问题。我们从新开始推一下相对论的速度叠加公式得出的过程。首先我们假设光速不变，解决光源或者观察者的运动问题，光源或者观察者的运动对光速没有影响；接着由于光速不变我们得出同时的相对性；由同时的相对性继而引出时间的相对性，再导出空间的相对性，速度的叠加公式。再而我们根据速度的叠加公式，无法分析出一个物体相对于以光速运动的物体的运动的问题，包括物体相对于光的运动。例如观察者相对于光的运动。对于观察者或光源相对于光的运动的问题，又回到光速不变的假设上。对于光速不变的假设的理解，需要同时的相对性。在同时的相对性中，我们对于观察者的运动对光速造成什么样的影响，又要用到什么呢？
‘由于A、B?随着S''?系一起移动，在光信号从M发出到达A的这一段时间内，A已迎着光走了一段距离；而在光信号从M发出到达B的这一段时间内，B却背着光走了一段距离。光信号传播速度在各个方向上还是c，因此事件1先发生，事件2后发生。’
为什么事件1先发生，事件2后发生？因为运动可以改变两物体间的空间距离。无论（这个）物体以什么样的速度运动，包括光速，另一个物体的运动都会改变两物体间的空间距离。从而造成这个物体到达另一个物体的时间的变长或变短。
就是说如果认为光速是不变的，那么处理物体相对于‘光或者光速运动的物体’的运动的问题，需要用到‘运动可以改变两物体间的空间距离’的结论。
运动可以改变两物体间的空间距离。即S=vt.
而物体的运动可以改变两物体间的空间距离，直接推论就是相对速度的改变。两物体间的空间距离为S,物体的运动速度V，那么物体(A)到达另一个物体(B)所用的时间就是t=S/V.如果另一物体B运动从而造成这个物体到达另一个物体的时间的变长或变短。物体A到达另一个物体B所用的时间t发生变化。另一个物体B是运动，在另一个物体自身看来自己是不动的（即以另一物体为参考系），另一物体B与物体A间的空间距离就是从物体A到另一物体B自身的距离。在另一物体看来两者间的距离就是物体A开始运动的时候两者间的距离，即两者间距离与另一物体B不动的时候的距离S一样。所以在另一物体B看来物体A的速度就是V=S/T.T与t不同，所以速度V不同。即合速度发生变化。（这就是经典速度合成的由来。）
为什么物体的运动会造成这个物体到达另一个物体的时间的变长或变短？‘由于A、B?随着S''?系一起移动，在光信号从M发出到达A的这一段时间内，A已迎着光走了一段距离；而在光信号从M发出到达B的这一段时间内，B却背着光走了一段距离。光信号传播速度在各个方向上还是c，因此事件1先发生，事件2后发生。’在这里从光源看来是由于A已迎着光走了一段距离，即运动改变了两物体间的空间距离，而在光源看来光速不变，所以两物体间的空间距离发生变化，从而使光到达A的时间变短；而在A看来（即以自身为参考系），A觉得自己是静止的【2】，而两物体间的空间距离发生变化是由于光的运动造成，所以在A看来，两物体间的空间距离发生变化是由于光相对于A的速度（即合速度）造成的。
在‘由于A、B?随着S''?系一起移动，在光信号从M发出到达A的这一段时间内，A已迎着光走了一段距离；而在光信号从M发出到达B的这一段时间内，B却背着光走了一段距离。光信号传播速度在各个方向上还是c，因此事件1先发生，事件2后发生。’中，光信号先到达A，那么光信号先到达A多长时间？我们可以先求出A与光相遇所用的时间t。那么A已迎着光走了一段距离为Vt,光所走的距离为ct,A与光所走的距离为S,那么S=Vt+ct，得出t=(S-Vt)/c=S/(V+c).而根据A来说，光的合速度符合伽利略变换经典速度合成定律为V+c，光到达A所用的时间t1=S/(V+c)。所以t=t1。对于光速不变假设的理解，我们需要同时的相对性，在同时的相对性中光速不变，又由于接收器运动可以改变两物体间的空间距离，从而造成所用时间的不同，产生同时的相对性。（宏观上，光速不变产生同时的相对性，同时的相对性解释了光速不变。光速不变造成了同时的相对性，同时的相对性解释了光速不变。）为什么运动可以改变两物体间的空间距离，从而造成所用时间的不同？而根据而光速不变假设，观察者或光源的运动对光速没有影响，是解释不了的。这个时间的不同是多少？我们可以通过光速可变的伽利略变化，得出这个的结果。就是说同时的相对性中包含着光速可变。
我们对光速不变的认识是否要从新考虑？我们是否从新考虑光速的问题？见《真空电容率与磁导率的改变》。
在光速可变的认识下，光速符合经典速度合成定律，符合伽利略变换。在介质中，光源与观察者，介质三者都运动，但三者相互静止，那么光速与光源和观察者的运动无关。这个结论与参考系运动与否无关，即相对性原理。三者运动的时候在参考系的观察者看来（属于不参考系见的运动转换），光速可变，光速为三者运动的速度加上光速（运动方向一致，在一条直线上的情形）。符合绝对速度合成定律。
光源与观察者相互静止但一起运动，与光同向在一条直线上，介质与参考系相静止，那么，在介质中传播的光在光源看来，此时虽然光的合速度符合伽利略变换，符合绝对速度合成定律，但此时的合速度为光速减去光源的速度。对于参考系来说，光速不变。
光源与观察者不动，介质运动（不考虑运动是否改变介质的性质的情况下）,对于观察者来说，介质的运动改变介质与观察者间的距离，光速发生变化，合速为光速加上介质速度。
观察者向着光源运动，合速度增加；远离光源运动，合速度减小。
真空情况相同。主要说一下真空的运动。我们可以把真空管的运动看成真空的运动。如果光源在真空管中与真空管一起运动，那么在参考系看来，合光速就是光速加上真空管的速度（真空管运动方向与光的运动方向相同，在一条直线上）。光源在真空运动，（对参考系来说）光速不变，对于光源来说，在真空传播的光相对于光源来说，合光速变小，对于观察者来说，光速不变。不过，由于光源的运动造成光源与观察者间的距离变小，光的频率发生变化。与声波类似。（光源运动方向与光的运动方向相同，在一条直线上）。
运动可以改变光的接收频率，所谓光的频率发生变化，指的是一次全振动的时间变短或变长。例如一部一小时的电影，应该一个小时才能看完；但由于你向着光运动，你小于一个小时的时间就看完了这部电影。或者远离光造成你超过一个小时却还没有看完这部电影。声波一样。
对于对时间的认识见以前的文章，例如《时间就是物体在看空间的位置》等，对于空间的认识见以前的文章，例如《空间认识》等。
参考文献：【1】《同时的相对性》http://jpkc.tjpu.edu.cn/2003/wl/daxuewuli/modernphy/ch2/page/ch41.htm【2】《参考系的作用原理》新浪小马吃鱼博客
2012-12-2513:37:47
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