如果考虑狭义相对论的尺缩效应,那么转盘周长一定不等于静止时的周长,而如此一来,利用周长和直径之比得出的圆周率也就不一样了,那么这意味着什么呢?是说明狭义相对论出了什么问题吗?
首先可以肯定的一点是,按照牛顿力学,周长是一个不变量,因此这个问题能够出现的原由就是狭义相对论,那么基于光速不变原理和狭义相对性原理这两条原理建立起来的狭义相对论到底在这件事上发挥了什么作用的呢?
对于这个问题,我们先来仔细分析一下这个旋转转盘的周长到底是怎么发生变化的狭义相对论有一条非常著名的推论——“钟慢尺缩”效应,这条推论相信很多朋友都听说过,不过大家有没有发现一点问题,就是在介绍“钟慢尺缩”这个效应的时候,在很多相关文章中都只提到匀速直线运动,比方说一艘高速宇宙飞船在宇宙中以二分之一的光速飞行,试问飞船上时间的流速和地球有什么不同?在地球参考系中,飞船的长度和起飞时有什么变化?
这就是一道很基础的狭义相对论问题,但你有考虑过这样的问题符合现实吗?暂且承认有这么一艘能够达到光速一半的飞船,那么飞船是否需要经历一个加速过程呢?是否在航行途中需要转向呢?也就是说,我们对于狭义相对论的认识,很多时候都是处于一种理想状态,即匀速直线运动,而对于非直线运动,在很多情况下都自动忽略了。
为此咱们在上篇文章中特地研究了如何用狭义相对论处理变速直线运动,而现在提到的这个转盘实验,则涉及非直线运动。
如果仔细思考一下,还会发现对于测量周长这一目的,我们必须从两个参考系出发:一个是地面参考系,也就是站在转盘之外的观测者,很显然,这是从惯性系角度进行的测量;而另一个则是转盘参考系,假设转盘面上有一个生物对转盘周长进行测量,很显然,这是从非惯性系角度进行的测量。
我们首先从地面观测者的角度(也就是惯性系角度)去考虑这个问题
由于转盘是匀速转动的,所以转盘边缘切向速度的数值不变,只是方向受到向心加速度时刻改变着,因此我们可以在转盘边缘上建立无穷多个瞬时惯性系,也就是在任意一点上做个瞬时局部惯性系,用来进行局域测量,并且值得注意的一点是:加速度不会对局域测量的结果产生影响。
如此一来,我们便可放心的使用洛伦兹变换对局部时空进行计算了(因为洛伦兹变换只能适用于惯性系之间)。不难想象,因为事先将转盘边缘一圈的量尺数量假设为无穷多个,那么每一个量尺的长度都非常之短,符合局域测量的要求,同时还因为切向速度与量尺平行,也就是量尺的运动方向就是其长度方向,可以用狭义相对论的尺缩效应进行计算。