3　时间、长度的相对性
1．理解同时的相对性．
2．理解运动长度的收缩．
3．理解时间间隔的相对．
4．了解时空相对性的验证．
5．了解相对论时空观与经典物理时空观的主要区别．
一、时间的相对性
    同时的相对性
    “同时性”在狭义相对论中的理解：由于光速不变，即光速在任何惯性系中都是相同的，那么当另一惯性系的速度能够和光速相比时，同时性就是相对的，即在一个惯性系中同时发生的两事件，在另一惯性系中就不一定是同时发生的．
火车K的某车厢的中央发出了一个闪光，车厢中的人认为闪光同时到达了前后两壁(事件A和B)，不同的是，列车K静止在车站里，另一列火车L从旁边呼啸而过(如图6-3-1所示)．





图6-3-1
在运动的火车L里，观察者认为沿着运动方向位置靠前一些的事件A先发生，这是因为运动的火车L也是一个惯性系，闪光向左、向右传播的速度对火车L也是相同的，但是在闪光正传向两壁的过程中，火车K相对于火车L向右运动了一段距离，所以向右的闪光传播的路程长些，到达右壁(事件B)的时刻也就晚些．
时间的延缓
如图6-3-2所示，K′系中，A′处有闪光光源及时钟C′.M′为反射镜，K′系相对K系以速度u向右运动．
第一事件：闪光从A′发出；
第二事件：经反射返回A′.
图6-3-2
可见，在运动参考系中观测，事物变化过程的时间间隔变大了，这叫做狭义相对论中的时间膨胀(动钟变慢)．
时间延缓效应的理解：
(1)时间延缓效应的来源是光速不变原理；
(2)时间延缓效应是时空的一种属性；
在运动参考系中的时间节奏变缓慢了．(一切物理过程、化学过程、乃至观察者自己的生命节奏变慢了)
(3)运动是相对的；
固有时间：在某个参考系中，同一地点先后发生了两个事件，用固定在该参考系中的钟来测定两事件的时间间隔称为两事件的静止时间或固有时间，也称原时．
(4)日常生活中的时间延缓效应可以忽略，在运动速度接近光速时，则变得特别重要．
二、长度的缩短
    如图6-3-3所示：甲、乙两人分别测量站台的长度，他们手中有相同的时钟，甲坐在以速度u匀速运动的车厢中，乙站在站台上．
    对于甲来说：设他通过站台两端A、B时其自己的时钟显示的时刻分别为tA′、tB′.
图6-3-3
低速空间相对论效应可忽略．
长度收缩是相对的，K系认为静止在K′系中的尺收缩，反之，K′系认为静止在K系中的尺收缩．
【典例1】 一列匀速直线前进的火车，车厢地板上A处有一盏灯，在灯的正上方车厢顶B处有一面镜子，AB的高为h.现在我们要完成一个光学实验：打开灯的开关，光信号从A到B，再由镜面反射回到A处．车厢里站着一个观测者小明；站台上站着一个观测者小芳，如图6-3-5所示．
对时间相对性的理解
图6-3-5
请问小明和小芳所测得的光信号往返的时间各为多少？它们相等吗？
【变式1】
    半人马座α星是离太阳系最近的恒星，它与地球间的距离为4.3×1016 m．设有一宇宙飞船往返于地球和半人马座α星之间．
    (1)若宇宙飞船的速率为0.999c，按地球上时钟计算，飞船往返一次需多少时间？
    (2)如以飞船上时钟计算，往返一次的时间又为多少？
【典例2】 长度测量与被测物体相对于观察者的运动有关，物体在运动方向长度缩短了．一艘宇宙飞船的船身长度为l0＝90 m，相对地面以u＝0.8c的速度从一观测站的上空飞过．
    (1)观测站测得飞船的船身通过观测站的时间间隔是多少？
    (2)宇航员测得船身通过观测站的时间间隔是多少？
对长度相对性理解
答案　(1)2.25×10－7 s　(2)3.75×10－7 s
借题发挥　和被测物体有相对运动的观察者看来，物体沿运动方向的长度变短了．
斯蒂芬－霍金：天才只想做常人
与其说斯蒂芬·霍金证明的是宇宙大爆炸和黑洞的存在，不如说他用一生在证明另一件更重要的事情——自己是一个常人，并没有因为受困轮椅而成了低人一等的“废人”．然而，证明的结果甚至比他当年发现“黑洞并不全黑”时还要让自己大吃一惊——自己怎么变成了高人一等的“超人”？
直到22岁，霍金被诊断患有运动功能萎缩的卢伽雷病，最多只能活几年时，这种对星空的执着才逐渐开始成为一种信仰——他想自己可以像常人一样生活下去．即使是全身动弹不得，为了和心爱的女孩结婚，他就必须有工作，必须先完成剑桥的博士学位，于是就有了“宇宙起源于空间中一个奇点”的大爆炸理论．即使失去了说话功能，为了替女儿付学费，他就必须赚一笔钱，于是就有了销量与《圣经》和莎士比亚作品媲美的《时间简史》．人们能否想象，霍金广为传颂的科学成就，不过来自他想证明自己能如常人一般的初衷．
只不过，每一次霍金试图证明自己是常人，证明的结果都远远高于他的预期．他发现，既然大质量的恒星在“油尽灯枯”后会坍塌成一个奇点，那么是否可以把这个过程倒过来，宇宙就是从一个奇点大爆炸诞生的呢？既然天体间有万有引力，那么是否存在一种引力大到连光线也会被吸进去的黑洞呢？霍金关于奇点和黑洞的理论，“一不小心”触动了理论物理学的神经．
爱因斯坦的广义相对论适用于天体类的大物质，量子力学适用于微观粒子，但是这两者却无法统一．而霍金的奇点理论正好统一到“无限小的物质爆炸成为天体”上．他曾经预言，到上世纪末，这种“大一统”理论将最终发现——也许只要几个简单的方程式，人类对于宇宙的知识就到达极限，理论物理学也随之终结．
但是，20多年过去了，他的预言并没有实现．当记者就此问题请教霍金时，他的助手替他说，“我想霍金同意是他错了．”这次不能开口讲话的霍金不再向记者眨眼暗示什么，而是直接咧嘴微笑表示同意．他费了好长时间才通过拟声器回答，“科学是不可预测的．如果我要是知道的话，我早就把它做出来”——终于，他用自己预言的失败向世人“成功”地证明了自己也是一个常人．