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Sandbox Physics
相对论测量 · 边学边做实验

L2 · 第 4 章

固有时就是运动的钟自己记下的时间

钟读出的,是它沿自己在时空中的路径累积起来的时间,叫固有时;坐标时间则是某个参考系给事件定的标签。在同样两个事件之间,出过门的钟比待在原地的钟记得少。这个读数所有观察者都认可,储存环里绕圈的 μ 子也证实了它。

钟读出的是沿路径的间隔

一只钟匀速从一个事件走到另一个事件。在它自己的静止系里它没动,Δx′=0\Delta x'=0,它显示的时间就是 Δτ=Δt′\Delta\tau=\Delta t'。第 3 章说过间隔平方在每个参考系都相同,所以在 A 的参考系里,钟的读数等于两事件间隔的平方根。

代入 Δx=v Δt\Delta x=v\,\Delta t,得 Δτ=Δt1−v2=Δt/γ\Delta\tau=\Delta t\sqrt{1-v^2}=\Delta t/\gamma。以 0.6 倍光速运动的钟,A 的坐标时间每过 1 年,它只记 0.8 年。路径由几段直线组成,就把各段加起来。

Δτ=(Δt)2−(Δx)2=Δtγ,γ=11−v2\Delta\tau=\sqrt{(\Delta t)^2-(\Delta x)^2}=\frac{\Delta t}{\gamma},\qquad \gamma=\frac{1}{\sqrt{1-v^2}}

完整例题

以 0.6 倍光速往返一趟

钟 B 在 t=0t=0 离开 A,以 v=0.6v=0.6 向外飞 A 的 5 年,掉头,再以同样速度飞回 5 年。每一段 γ=1.25\gamma=1.25,B 每段记 4 年。

重逢时 A 的钟读 10 年,B 的钟读 8 年。在 A 的坐标里,B 每两下滴答相隔 1.25 年。前两章那一下读 4 年的滴答因此发生在 t=5t=5,正是 B 掉头那一刻。最后两只钟在同一地点,这 2 年之差既不含光的延迟,也不涉及怎么约定同时。

τB=2×5 yr×1−0.62=8 yr,tA=10 yr\tau_B=2\times5\,\mathrm{yr}\times\sqrt{1-0.6^2}=8\,\mathrm{yr},\qquad t_A=10\,\mathrm{yr}

直线路径记的时间最长

固定两个同地点、相隔 10 年的事件。原地不动的钟记 10 年。离开再回来的钟总有几段 Δx≠0\Delta x\neq0,每一段都让平方根变小。和平面几何相反,在时空里,类时分隔的两个事件之间,直线是钟记时最长的路径。

这个读数是给定事件上的滴答计数,每个观察者都认可。在实验里移动绘图参考系,某下滴答的坐标时间会变,B 在那里显示的读数始终如一。

绕圈的 μ 子照样按预言衰变

μ 子是不稳定粒子,静止时平均寿命 τ0=2.1969811 μs\tau_0=2.1969811\,\mu\mathrm{s}(PDG 2024)。1977 年 Bailey 等人在 CERN 储存环中测量时,μ 子绕圈的 γ=29.33\gamma=29.33。我们只读了论文摘要,它报告正 μ 子在实验室中的寿命为 64.419(58) μs64.419(58)\,\mu\mathrm{s}。

固有时给出的预言是 γτ0=64.437 μs\gamma\tau_0=64.437\,\mu\mathrm{s},与测量值相差 0.018 微秒,约为所给不确定度的三分之一。μ 子沿圆周运动,一直在加速,寿命却只通过 γ\gamma 依赖速度。摘要称,在 95% 置信水平下,测得的时间膨胀与预期相符到约千分之二。

γτ0=29.33×2.1969811 μs=64.437 μs,τlab=64.419±0.058 μs\gamma\tau_0=29.33\times2.1969811\,\mu\mathrm{s}=64.437\,\mu\mathrm{s},\qquad\tau_{\mathrm{lab}}=64.419\pm0.058\,\mu\mathrm{s}

带着问题动手

先预测,再改变,最后解释

  1. 两段都以 0.8 倍光速、各飞 A 的 5 年,先预测 B 最后读多少。
  2. 在光信号实验中把“第一段速度”设为 0.80.8、“第二段速度”设为 −0.8-0.8,再展开“更多读数与保存的记录”。
  3. 解释:速度越大,B 世界线上的橙色刻度为什么拉得越开,而 A 的刻度始终一年一格?

钟和双生子实验与这些章节一样,光速取每年一光年。碰撞实验使用 PDG 2024 的质量;粒子对撞机实验的事例来自教学生成器。

试着自己解释

1. B 以 v=0.8v=0.8 飞行,每段自己记 3 年。A 要等多久?

展开答案与解释

每段是 A 的 3×53=53\times\tfrac53=5 年,A 共等 10 年,B 记 6 年。

2. 一束 μ 子 γ=10\gamma=10,实验室里的平均寿命预计多长?

展开答案与解释

约 22.0 μs22.0\,\mu\mathrm{s},是静止平均寿命 2.197 微秒的十倍。

3. 从 (t,x)=(0,0)(t,x)=(0,0) 到 (10,0)(10,0),哪条世界线记的固有时最多?

展开答案与解释

原地不动,记 10 年。任何绕路都让某些段带上空间间隔,平方根随之变小。

可以放在旁边读的来源

  1. Particle Data Group, 2024 particle listings: proton, neutral pion, charged kaon and muon

    课程使用的质量:质子 938.27208816 MeV,中性 π 介子 134.9768 MeV,带电 K 介子 493.677 MeV;μ 子平均寿命 2.1969811 微秒。后三项取自对应的 2024 年列表文件。

  2. Bailey et al., Measurements of relativistic time dilatation for positive and negative muons in a circular orbit, Nature 268, 301 (1977)

    只读了摘要:储存环中的洛伦兹因子 29.33,正 μ 子寿命 64.419(58) 微秒。全文没有读,课程只比较这两个引用值。

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