跳到主要内容
Sandbox Physics

狭义相对论 · 加速观察者

双生子的钟与雷达时间

出门旅行的双生子把家里的哪一刻算作“此刻”?掉头为什么要紧? 出门的双生子回来时更年轻,是因为那条拐了弯的时空路径累积的固有时更少;谁也不会看到对方的钟跳一下。家里哪一刻算作“此刻”是一种约定。雷达时间取回波发出和返回时读数的平均,掉头前后都连续;在一个个瞬时静止系之间切换,家里的时间就会突然跳过一大段。

让双生子之一出门再返回,比较两人怎样给对方那头的事件定时间:雷达回波给出连续的答案,瞬时静止系在掉头时会跳变。

交互模型双生子的钟与雷达时间
旅程结束时 A 的钟10 yr10\,\mathrm{yr}
旅程结束时 B 的钟6 yr6\,\mathrm{yr}
B 给家中事件定的雷达时间3 yr3\,\mathrm{yr}
B 收到它的光时4.33 yr4.33\,\mathrm{yr}

绿线是雷达时间,紫线是瞬时静止系;右图数的是两人各自收到的闪光。

更多读数与保存的记录
非滑行阶段的固有加速度∞\infty
B 收到的 A 的年度闪光1010
A 收到的 B 的年度闪光66
光还能追上 B 的最晚家中时刻∞\infty

JSON 记录包含 B 的采样世界线、家中事件的雷达时刻对,以及每次闪光和它的接收时刻。

物理教程

两只钟,一次重逢

背景双生子 A 留在家里,B 飞出去、掉头、再飞回来。两人一直互发每年一次的闪光和雷达回波,重逢时把两只钟并排对照。

为什么值得理解年龄差本身没有争议。真正的问题是:B 在路上应该怎样给家里的事件定时间,掉头时是否藏着一次突然的跳变。

先抓重点

核心问题
出门旅行的双生子把家里的哪一刻算作“此刻”?掉头为什么要紧?
一句话直觉
谁更年轻,由各自路径上的固有时决定。雷达时间让 B 用可操作的方式、连续地判定家里哪件事与自己同时;瞬时静止系做不到这一点。

核心数学模型

雷达时间与雷达距离

τ=12 (τ++τ−),ρ=12 c (τ+−τ−)\tau=\tfrac12\,(\tau^{+}+\tau^{-}),\qquad \rho=\tfrac12\,c\,(\tau^{+}-\tau^{-})

B 在自己的读数 τ−\tau^{-} 发出回波,在 τ+\tau^{+} 收回。Dolby 和 Gull 对任何观察者,无论是否加速,都用这个平均值。

沿路径的固有时

τ=∫1−v(t)2/c2  dt\tau=\int \sqrt{1-v(t)^2/c^2}\;\mathrm{d}t

以八成光速出行并瞬间掉头、家里过了 10 年时,B 的钟只走了 6 年。

瞬时静止系里家中的“此刻”

thome=tB−v xBc2t_{\mathrm{home}}=t_B-\frac{v\,x_B}{c^2}

掉头时 v 一变,这个家中时间就跟着突变。在“瞬间掉头”预设里,它从 1.8 年跳到 8.2 年。

从静止开始的恒定固有加速度

x(t)=c2a(1+a2t2c2−1),thorizon=cax(t)=\frac{c^2}{a}\left(\sqrt{1+\frac{a^2t^2}{c^2}}-1\right),\qquad t_{\mathrm{horizon}}=\frac{c}{a}

家里在视界时刻之后发出的光永远追不上 B。加速度取每平方年半光年时,这个时刻是第 2 年。

常见难点

少掉的年份不在掉头那一刻

容易误解B 少掉的年份是加速时丢的。

正确理解把掉头时长缩向零,年龄差并不消失,而是趋向两段滑行决定的值。差别来自两条路径各自的固有时长度。

“同时”是一种约定

容易误解对 B 来说,家里有唯一一件“真正此刻”发生的事。

正确理解远处的“同时”需要一条规则。雷达时间是一条可操作的规则,对加速观察者也不跳变;只有当回波的发出和返回都落在同一段滑行时,它才和爱因斯坦对钟一致。

模型省略了什么

容易误解这张图考虑了引力或火箭发动机。

正确理解只有一维空间,光速取每年一光年。观察者 A 静止在原点。B 的固有加速度分段恒定,按 B 自己的钟用四阶龙格-库塔法积分,步长不超过 0.02 年;瞬间掉头处理为快度的跳变。雷达时间采用 Dolby 与 Gull(2001)的定义:回波发出和返回时 B 的钟读数取平均。瞬时静止系的同时线只作对照。模型不含引力、不计火箭燃料,也不模拟真实成像。

动手实验

  1. 01

    重逢时数年份

    从“瞬间掉头”预设开始,让旅程播放。

    你会看到: A 的钟显示 10 年,B 的钟显示 6 年。两条闪光阶梯也停在同一对数字上。
  2. 02

    用雷达给家中事件定时

    沿 A 的世界线上下拖动圆形的家中事件。

    你会看到: B 的雷达时间连续变化;第 5 年的家中事件得到雷达时间 3 年,正好是 B 旅程的中点。
  3. 03

    比较两种“此刻”

    看掉头时 A 世界线上的紫色和绿色标记,再试“缓慢掉头”。

    你会看到: 瞬间掉头时,紫色的静止系标记一下跨过家里好几年,绿色的雷达标记则平稳前进。
  4. 04

    找到视界

    选择“一直加速,家被视界挡住”,把家中事件拖过第 2 年。

    你会看到: 它发出的光永远到不了 B,雷达时间和接收时间都变成无穷大。

相关实验与文章

相对论测量 · 阅读路径

把相对论当成测量:钟、光信号与四动量

这条阅读路径里用到本实验的文章,后面跟着它们推荐的其他实验。

  1. 文章固有时就是运动的钟自己记下的时间
  2. 实验光信号与运动的钟用三种办法给同一下滴答计时
  3. 文章从各自收到的信号看双生子之旅
  4. 文章给加速的观察者用雷达时间
  5. 文章对照原文读 Dolby 与 Gull 的雷达时间论文
反馈这个页面有错误、看不明白,或者缺了什么?告诉我们
反馈类型

提交时会附带本页地址、Lab ID、网站语言和设备类型。请不要填写个人信息。反馈最多保存 12 个月。隐私政策