물리학

긴 절연 두 차선 도로를 틀었으로는 불모의 땅에서 모두 측면입니다.

그림 1. 사람들은 거리를 다르게 묘사 할 수도 있지만 상대 론적 속도에서는 거리가 실제로 다릅니다. (신용: Corey Leopold,Flickr)

영원히 계속되는 것처럼 보이는 길을 운전 한 적이 있습니까? 앞을 내다 보면 약 10km 가 남았다고 말할 수 있습니다. 또 다른 여행자는 앞으로의 도로가 약 15km 길이 인 것처럼 보인다고 말할 수 있습니다. 그러나 둘 다 도로를 측정했다면 동의 할 것입니다. 일상적인 속도로 여행하면 둘 다 측정하는 거리가 같을 것입니다. 그러나이 섹션에서 상대 론적 속도에서는 사실이 아니라고 읽을 것입니다. 빛의 속도에 가까울수록 측정 된 거리는 다른 관찰자가 측정 할 때 동일하지 않습니다.

적절한 길이

모든 관찰자가 동의하는 한 가지는 상대 속도입니다. 도계 측정 서로 다른 경과 시간에 대해 동일한 과정,그들은 여전히 동의하는 상대 속도,거리로 나누어 경과 시간은 같습니다. 이것은 거리도 관찰자의 상대 운동에 의존한다는 것을 의미합니다. 두 명의 관찰자가 서로 다른 시간을 보게되면 상대 속도가 각각 동일하도록 서로 다른 거리를보아야합니다.

동시성 및 시간 팽창에서 실시예 1 에서 논의된 뮤온은 이러한 개념을 설명한다. 지구상의 관찰자에게 뮤온은 0.950c 에서 생산 된 시점부터 붕괴 될 때까지 7.05μs 로 이동합니다. 따라서 그것을 이동하는 거리

L0=vΔt=(0.950)(3.00×108m/s)(7.05×10-6s)=2.01km

상대적인 것을 아주 중요하게 생각합니다. Muon 의 참조 프레임에서 수명은 2.20μs 에 불과합니다. 그것이 충분한 시간 여행지만

L0=vΔt0=(0.950)(3.00×108m/s)(2.20×10-6s)=0.627 입니다 있습니다.

사이의 거리가 동일한 두 개 이벤트(생산과 부패의 뮤)람에 따라 조치 그리고 어떻게 그들이 이동하는 상대습니다.

적절한 길이

적절한 길이 L0 은 두 지점 사이의 거리를 측정해서 관찰자들이 나머지에 있는 상대를 모두 포인트입니다.

지구인 관찰자의 조치에 적절한 길이 L0,기 때문에 포인트는 뮤 생산 및 붕괴가지는 것을 아주 중요하게 생각합니다. 뮤온에게 지구,공기,구름이 움직이기 때문에 그것이 보는 거리 L 은 적절한 길이가 아닙니다.

부에서는 관찰자를 관찰 지상에서의 프레임을 참조 뮤 위 땅 속도 v 에서 오른쪽으로 방향입니다. 뮤온과 그것이 분해되는 장소 사이의 거리는 두 점 제로 하나입니다. 파트 b 에서 시스템은 좌측 방향으로 속도 v 를 갖는 모션으로 도시된다. 그래서,구름과 땅은 반대 방향으로 제로 포인트 여섯 두 일곱 킬로 미터를 변위된다.

그림 2. (a)지구에 묶인 관찰자는 뮤온이 구름 사이를 2.01km 여행하는 것을 본다. (b)뮤온은 그 자체가 같은 경로를 여행하지만 0.627km 의 거리 만 본다. 지구,공,구름을 이동하는 상대에게 컴퓨터를 프레임에서,모든 표시하는 작은 길이의 방향을 따라 여행.

길이의 수축

을 개발하는 방정식에 관한 거리를 측정하여 다른 관계자,우리는 속도는 상대적인 세속 관찰자에서 우리의 뮤 예 의해 주어집

v=\frac{L_0}{\델타{t}}\\.

지구 결합 관찰자에 상대적인 시간은 Δt 이며,시간 지정되는 물체는이 관찰자에 상대적으로 움직이기 때문입니다. 이동 관찰자에 상대적인 속도는

v=\frac{L}{\Delta{t}_0}\\에 의해 주어진다.

움직이는 관찰자는 뮤온과 함께 이동하므로 적절한 시간 Δt0 을 관찰합니다. 따라서,

\frac{L_0}{\Delta{t}}=\frac{L}{\Delta{t}_0}\\.

우리는 Δt=γΔt0 을 알고 있습니다. 대체 이 방정식으로 관계가 위의를 제공

L=\frac{L_0}{\감마}\\

대체 γ 제공 방정식에 관한 거리를 측정하여 다른 관계자.

길이 수축

길이 수축 L 은 관찰자의 프레임을 기준으로 움직이는 물체의 측정 된 길이의 단축입니다.

\displaystyle{L}=L_0\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}\\

경우 우리의 길이를 측정하고 움직이는 사물이나 상대를 우리의 구조,우리는 그 길이 L 보다 작은 것이 적절한 길이 L0 는 것을 측정하는 경우 목표가 정상적인지 확인합니다. 예를 들어,뮤온의 기준 프레임에서,그것이 생산 된 지점과 그것이 부패한 지점 사이의 거리는 더 짧습니다. 그 점들은 지구에 상대적으로 고정되어 있지만 뮤온에 상대적으로 움직입니다. 구름과 다른 물체도 뮤온의 기준 프레임에서 운동 방향을 따라 계약됩니다.

실시예 1. 을 계산하는 수축 길이 사이의 거리는 별이 계약을 여행 할 때 높은 속도

가 우주 비행사와 같은 쌍둥이에서 논의한 시간과 동시성 팽창,여행을 그래서 빠르는 γ=30.00.

  1. 그녀는 여행은 지구에서 가장 가까운 성급 시스템,알파 센타,4.300 빛 년(ly)멀으로 측정되는 지구밖에 없는 관찰자. 우주 비행사가 측정 한 지구와 알파 센타 우리스는 얼마나 멀리 떨어져 있습니까?
  2. c 의 관점에서,그녀의 속도는 지구에 상대적으로 무엇입니까? 태양을 기준으로 지구의 움직임을 소홀히 할 수도 있습니다. (그림 3 참조.)
부에서는 사이의 거리는 지구와 알파 센타가로 측정되는 L-니다. 시계에서 주어진 이 그림을 보여주는 시간 delta-t. 우주선 비행 속도 v 같 L-영상 delta-t 지구에서 스타가 표시됩니다. 파트 b 보여줍니다 우주선의 프레임에서 참조하는 거리 L 사는 지구와 성급 계약을 체결로 이동하는 것과 같은 속도에서는 반대 방향입니다. 파트 b 에서 클럭은 파트 a 의 클럭보다 경과 된 시간이 적음을 보여줍니다.

그림 3. (a)지구 바운드 관찰자는 지구와 알파 켄타 우리 사이의 적절한 거리를 측정합니다. (b)우주 비행사는 지구와 알파 센타 우리(Alpha Centauri)가 그녀의 배를 기준으로 움직이기 때문에 길이 수축을 관찰합니다. 그녀는 빛의 속도를 초과하지 않고 더 작은 시간(그녀의 적절한 시간)에이 짧은 거리를 여행 할 수 있습니다.

전략

첫 번째는 빛 년(ly)편리한 단위 거리의 천문학적 규모에—그것은 거리에 있는 여행 해합니다. 1 부,참고 4.300ly 사이의 거리 Alpha 우리 지구는 적당한 거리 L0 기 때문에,그것은 측정하는 지구밖에 없는 관찰자를 누구를 두 스타는(대략적인 금액)정상적인지 확인합니다. 를 우주 비행사,지구와 알파 센타가에 의해 움직이는 동일한 속도,그리고 그들 사이의 거리가 계약 길이 L.2 부에서는,우리는 주어진 γ 고,그래서 우리는 우리를 찾을 수 있습 v 에 의해 다시 정렬하의 정의 γ 표현하는 v 를 측면에서 c.

솔루션을 위한 제 1 부

식별족 및 친:

L0−4.300ly;γ=30.00

알 수없는 식별:L

적절한 방정식을 선택하십시오.

L=\frac{L_0}{\감마}\\.

미지에 대해 풀 수있는 방정식을 다시 정렬합니다.

\을 시작{array}{lll}L&&\frac{L_0}{\감마}\\\text{}&&\frac{4.300\text{ly}}{30.00}\\\text{}&&0.1433\text{ly}\끝{array}\\

솔루션에 대한 2 부

식별 알:γ=30.00

식별하는 알 수 없음: v in terms of c

Choose the appropriate equation.

\displaystyle\gamma=\frac{1}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}\\

Rearrange the equation to solve for the unknown.

\begin{array}{lll}\gamma&&\frac{1}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}\\30.00&&\frac{1}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}\end{array}\\

Squaring both sides of the equation and rearranging terms gives

\displaystyle900.0=\frac{1}{1-\frac{v^2}{c^2}}\\그래서는 1-\frac{v^2}{c^2}=\frac{1}{900}\\및\frac{v^2}{c^2}=1-\frac{1}{900.0}=0.99888\점\\

로스트 우리가 발견\frac{v}{c}=0.99944\\는 재배열을 생산하는 가치에 대한 속도 v=0.9994c.

토론

첫째,기억하지 않아야 합 둥글게 계산할 때까지의 최종 결과를 얻을 수있다,또는 당신을 얻을 수 있는 잘못된 결과입니다. 이것은 차이가 몇 소수점 이하 자릿수 후에 만 드러날 수있는 특수 상대성 이론 계산에 특히 해당됩니다. 상대 론적 효과는 여기에서 크다(γ=30.00),그리고 우리는 v 가 빛의 속도에 접근(동일하지 않음)하고 있음을 알 수 있습니다. 이후까지의 거리를 측정하여 우주 비행사가 너무 많은 작은 우주 비행사할 수 있는 여행지에서 훨씬 더 적은 시간에 그녀의 프레임입니다.

사람들이 전송될 수 있 매우 큰 거리(또는 수천 수백만의 빛 년)대 단지 몇 년 동안 경우 방법에 그들은 여행에서 매우 높은 속도를 얻을 수 있습니다. 그러나 과거의 수세기 동안의 이민자들처럼,그들은 그들이 알고있는 지구를 영원히 떠날 것입니다. 는 경우에도 그들이 돌아,수천 수백만 년의 것에 통과 지구를 죽이고,의 대부분은 지금 무엇이 존재합니다. 또한 더 많은 심각한 실질적인 장애를 여행하기에 이런 속도;대단히 큰 에너지 보다 고전물리학을 예측하는 것을 달성하기 위해 필요한 높은 속도를 얻을 수 있습니다. 이것은 관계 적 에너지에서 논의 될 것이다.

수평 파이프를 통해 오른쪽으로 속도 v 로 이동하는 전자. 전기장 선은 반경 방향으로 들어갑니다.

그림 4. 고속 하전 입자의 전기장 선은 길이 수축에 의해 운동 방향을 따라 압축됩니다. 이것은 입자가 길이 수축의 실험적으로 검증 된 효과 인 코일을 통과 할 때 다른 신호를 생성합니다.

왜 우리는 일상 생활에서 길이 수축을 느끼지 않습니까? 식료품 가게까지의 거리는 우리가 움직이고 있는지 아닌지에 달려있는 것처럼 보이지 않습니다. 검사 방정식 L=L_0\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}\\,우리는 낮은 속도(v<<c)길이가 거의 동등한 것,클래식 기대합니다. 그러나 길이 수축은 일반적으로 경험하지 않으면 진짜입니다. 예를 들어,입자,전자와 같이 여행하기에서 상대 속도는 전기장이는 라인 압축을 따라 방향 운동의 본에 의해 정지되는 관찰자. (그림 4 참조. 로)전자 전달하는 감지기와 같은 코일 와이어의 분야 상호 작용하는 훨씬 더 간단히 효과 관찰에서 입자 가속기과 같은 3km 스탠포드 선형 가속기(SLAC). 사실,slac 에서 빔 파이프 아래로 이동하는 전자에 가속기와 지구는 모두 움직이고 있으며 길이가 계약되어 있습니다. 상대 론적 효과는 가속기가 전자에 0.5m 에 불과한 것보다 너무 큽니다. 실제로 쉽게 전자 빔을 아래로 파이프터,빔어야 하지 않으로 정확하게 얻을 대상으로 아래로 짧은 관는 것처럼 하나 아래로 3 있습니다. 이것은 다시 특수 상대성 이론에 대한 실험적 검증입니다.

당신의 이해를 확인하십시오

입자가 0.750c 의 속도로 지구 대기를 통해 여행하고 있습니다. 파티클이 파티클의 참조 프레임에서 얼마나 멀리 이동합니까?

솔루션

\displaystyle{L}=L_0\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}=\left(2.50\text{km}\right)\sqrt{1-\frac{\left(0.750c\right)^2}{c^2}}=1.65\text{km}\\

섹션에서 요약

  • 모든 관계자에 동의하는 것이 상대적인 속도입니다.
  • 거리는 관찰자의 움직임에 따라 달라집니다. 적절한 길이 L0 은 두 점 모두에 상대적인 휴식 상태에있는 관찰자가 측정 한 두 점 사이의 거리입니다. 지구에 묶인 관찰자는 지구에 상대적으로 고정되어있는 두 지점 사이의 거리를 측정 할 때 적절한 길이를 측정합니다.
  • 길이의 수축 L 은의 단축 측정한 길이의 움직이는 물체를 상대하는 관찰자의 프레임:
    L=L_{0}\sqrt{1-\frac{{v}^{2}}{{c}^{2}}}=\frac{{L}_{0}}{\감마}\\.

개념 질문

  1. 누구를 가리키는 개체는 것에 큰 길이,관찰자와 함께 이동 객체 또는 관찰자의 이동 객체를 기준으로? 어떤 관찰자가 물체의 적절한 길이를 측정합니까?
  2. 자동차 및 비행기에는 시간 팽창 및 길이 수축과 같은 상대 론적 효과가 있습니다. 왜 이러한 효과가 우리에게 이상하게 보입니까?
  3. 우주 비행사가 빛의 속도의 상당 부분에서 지구를 기준으로 움직이고 있다고 가정합니다. (a)그는 시계의 속도가 느려지는 것을 관찰합니까? (b)그가 볼 수있는 지구 바인딩 시계의 속도에 어떤 변화가 있습니까? (c)그의 배가 짧아지는 것처럼 보입니까? (d)그의 움직임과 평행 한 선에 놓여있는 별들 사이의 거리는 어떨까요? (e)그와 지구에 묶인 관찰자는 지구에 상대적인 그의 속도에 동의합니까?

문제를&연습

  1. 우주선 200m 길이로 보이 보드에 움직임에 의하여 지구에 0.970c. 길이는 무엇입으로 측정되는 지구밖에 없는 관찰자?
  2. 6.0m 길이의 스포츠카가 5.5m 길이 만 나타나기 위해서는 얼마나 빨리 당신을 지나쳐야할까요?
  3. (a)동시성과 시간 팽창의 실시 예 1 의 뮤온은 지구 결합 관찰자에 따라 얼마나 멀리 여행합니까? (b)그것과 함께 움직이는 관찰자가 볼 때 얼마나 멀리 여행합니까? 지구와 그것이 사는 시간(적절한 시간)에 상대적인 속도에 대한 계산을 기반으로하십시오. (c)이 두 거리가 길이 수축 γ=3.20 을 통해 관련되어 있는지 확인하십시오.
  4. (a)이 얼마나 뮤 예제 1 에서 시간과 동시성 팽창 살고 있으로 관찰에 땅을 경우 속도 0.0500c? (b)지구에서 관찰 된대로 얼마나 멀리 여행했을까요? (c)뮤온의 프레임에서 이것은 어떤 거리입니까?
  5. (a)예 1 의 우주 비행사가 0.99944c 에서 4.30ly 를 여행하는 데 얼마나 걸립니까(지구 경계 관찰자에 의해 측정 된 바와 같이)? (b)우주 비행사에 따라 얼마나 걸립니까? (c)주어진 시간에 γ=30.00 으로 시간 팽창을 통해이 두 시간이 관련되어 있는지 확인하십시오.
  6. (a)운동 선수가 100yd 를 길게 보이기 위해 100m 경주를 위해 얼마나 빨리 달릴 필요가 있습니까? 답은 상대 론적 효과가 평범한 상황에서 관찰하기 어렵다는 사실과 일치 하는가? 설명한다.불합리한 결과. (a)다음 상황에 대한 γ 의 값을 찾으십시오. 우주 비행사는 우주선의 길이를 25.0m 로 측정하는 반면,지구 경계 관측자는 100m 로 측정합니다. (b)이 결과에 대해 불합리한 것은 무엇입니까? (c)어떤 가정이 불합리하거나 일관성이 없습니까?불합리한 결과. 우주선은 제목으로 지구상에서 속도의 0.800c. 우주 비행사의 보드에는 주장을 보낼 수 있는 용기로 지구에서 1.20c 지구를 기준으로. (a)캐니스터가 우주선에 상대적으로 있어야하는 속도를 계산하십시오. (b)이 결과에 대해 불합리한 것은 무엇입니까? (c)어떤 가정이 불합리하거나 일관성이 없습니까?

용어집

적절한 길이:L0; 두 점 사이의 거리를 측정해서 관찰자들이 나머지에 있는 상대를 모두 포인트는 지구밖에 관계자 측정이 적절한 길이를 측정할 때 두 점 사이의 거리는 고정 지구를 기준으로.

는 수축 길이:L,의 단축 측정한 길이의 움직이는 물체를 상대하는 관찰자의 프레임:

L=L_0\sqrt{1-\frac{{v}^{2}}{{c}^{2}}}=\frac{{L}_{0}}{\감마}\\

선택한 문제에 대한 솔루션을&연습

1. 48.6 메터3. (에이)1.387km=1.39km;(비)0.433 km; (c) \begin{array}{lllll}L&&\frac{{L}_{0}}{\gamma }&&\frac{1.387\times{10}^{3}\text{m}}{3.20}\\\text{ }&&433.4\text{ m}&&\text{0.433 km}\end{array}\\

Thus, the distances in parts (a) and (b) are related when γ = 3.20.

5. (a) 4.303 y (to four digits to show any effect); (b) 0.1434 y; (c)\델타{t}=\감마\델타{t}_{0}\Rightarrow\gamma=\frac{\델타{t}}{\델타{t}_{0}}=\frac{4.303\text{y}}{0.1434{y}}=30.0\\

따라서,두 개의 시간과 관련된 경우 γ=30.00.7. (a)0.250;(b)γ 는≥1 이어야하며;(c)지구 결합 관찰자는 더 짧은 길이를 측정해야하므로 더 긴 길이를 가정하는 것은 무리입니다.

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