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非惯性系计算双生子的最简单方法(严谨且全网门槛最低)

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  问:为什么不能以飞船为参考系,套用洛伦兹变换计算地球的经历的时间?
  答:因为洛伦兹变换只适用于惯性系,而飞船的变速阶段是非惯性系
因此,若想在飞船系下计算问题(以验证是否仍是地球年长),常规方法是用积分计算地球世界线长,如下图中的灰色粗线,网上搜到中英文文章基本都是这种方法
  然而,别忘记开篇问答中的“洛伦兹变换只适用于惯性系”,如果我们能找到一种适用于非惯性系的坐标变换,是否也可以直接套用公式用来计算地球的时间?
  经验证,这个方法是可行的,而且数学门槛低的夸张,几乎不需要微分几何的知识,计算过程也不会用什么奇怪度规。如果能接受我给出的坐标变换,那么门槛只有:
  ①知道cosh的导数是sinh
  ②能理解4速的空间分量是3速v的γ倍
  (实际上,采用积分方法的其他文章,基本上都是直接给出坐标变换的,即开篇就表明采用rindler坐标系,默认不需要推导)
  当然,如果不接受直接给的坐标变换,还想看推导过程,那么门槛还需要:
  ③知道闵氏度规是什么;知道闵氏度规衡量时空距离的模方时,有可能减出负值,因此有类时、类空矢量的模方加±的区别


IP属地:江苏来自Android客户端1楼2024-11-19 23:01回复
      以下是计算过程,采取几何单位制,即c=1
      地球匀速远离阶段3速为v,并于飞船系T时刻开始变速,至T+△T时刻刹停,其中△T趋向于0(主要是为能对比传统惯性系计算出的结论)
      假设一下变速情况,地球在飞船系的相对3变速,是由飞船在一切参考系的绝对4变速引起的,该4变速为匀4变速
      现计算半程的地球耗时:


    IP属地:江苏来自Android客户端2楼2024-11-19 23:03
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        一、匀速阶段,飞船系{t,x}为惯性系,与地球系{t',x'}坐标变换为
      t'=γ(t-vx),x'=γ(x-vt)
        阶段结束时,地球坐标为t=T,x=vT,变换到{t',x'}为t'=γ(T-v²T)=T/γ
        地球在地球系{t',x'}的t'坐标,就是其自身携带钟的读数。即匀速阶段(以飞船钟从0走向T而界定的阶段),地球钟从0走向T/γ
        因γ>1,飞船认为地球更年轻


      IP属地:江苏来自Android客户端3楼2024-11-19 23:04
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          二、变速阶段,飞船系{t,x}为非惯性系,在此先不加证明的给出它与地球系{t',x'}坐标变换如下,推导附在楼下
        t'=x·sinh(at),x'=x·cosh(at)
          其中a为飞船4加速模长,本题中可由已知量v、△T表示,此外注意事项还有:
          ①{t',x'}系其实是飞船系t=0时的瞬时静止惯性系,若规定刹停状态的t值取0,则{t',x'}系恰好等效地球系
          ②{t,x}和{t',x'}原点重合,但较上阶段两系原点有挪动,该点在{t',x'}中位于飞船刹停时刻的“船头前方”1/a处,在{t,x}中永恒位于飞船“船头前方”1/a处
          现在开始计算,分为三步
          (一)计算地球钟的变化情况,方法与匀速阶段采用的坐标变换法类似
          关于地球进入变速阶段初始事件A,由①可得初始时刻为tᴀ=-△T,由②可得初始位置为xᴀ=vT+1/a
          根据坐标变换,该初始事件A在{t',x'}为
        t'ᴀ=(vT+1/a)sinh(-a△T)
        x'ᴀ=(vT+1/a)cosh(-a△T)
          即变速阶段(以飞船钟从-△T走向0而界定的阶段),地球钟从t'ᴀ走向0。注意该阶段建坐标系时原点有挪动,相当于将钟重新调了时间
          (二)解出参数a,由于具有绝对的4变速的还是飞船,因此放在地球系{t',x'}计算飞船的a更简单
          飞船在飞船系{t,x}中静止,运动方程为t=τ,x=1/a
          变换到{t',x'}为x'=(1/a)·cosh(aτ),t'略
          求导得4速空间分量dx'/dτ=sinh(aτ),这是整个变速过程中4速空间分量随τ的函数
          代入初始条件,初始点在飞船系{t,x}是(-△T ,1/a),即τ=-△T。飞船在地球系的初速度-v,即4速空间分量-γv
          代入得:-γv=sinh(-a△T)
          (三)取极限、变形、分析结论
          t'ᴀ=(vT+1/a)sinh(-a△T)= -γv(vT+1/a)
          即变速阶段(以飞船钟从-△T走向0而界定的阶段),地球钟从-γv(vT+1/a)走向0,飞船认为地球经历了γv(vT+1/a)
          当△T趋向于0时,可由物理意义分析出,也可由-γv=sinh(-a△T)变形一下分析出:4加速模长a趋向于无穷,1/a趋向于0
          即飞船认为地球经历时间趋向于γv²T。又因γ=1/√(1-v²),故有v²=1-γ⁻²,即γv²T可变形为γT-T/γ
          该值加上匀速阶段的T/γ后为γT。即整个半程,飞船认为地球经历了γT。因γ>1,飞船认为地球更年长


        IP属地:江苏来自Android客户端4楼2024-11-19 23:04
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            三、两系坐标变换的简要推导
            分三步,第一步推导飞船的运动方程;第二步推导与飞船相对静止的无数观者的运动方程;第三步,将方程中的两个参数很自然的定义为新系的t和x,得到坐标变换
            (一)飞船的运动方程
            设飞船4加速模长为a,设世界线方程在某惯性系S系{t',x'}为t'=t'(τ)、x'=x'(τ)
            对参数τ求导得4速Uᵃ,设为(U⁰,U¹)。继续求导得4加速Aᵃ=(∂U⁰/∂τ , ∂U¹/∂τ ),分别用闵氏度规度量,得方程组:
          -(U⁰)²+(U¹)²= -1
          -(∂U⁰/∂τ)²+(∂U¹/∂τ)²=a²
            注:a²前不带负号原因为4加速类空
            解得U⁰=±cosh(aτ),U¹=±sinh(aτ),故世界线为t'=±a⁻¹·sinh(aτ),x'=±a⁻¹·cosh(aτ)
            因积分常数取0,即指定了{t',x'}的坐标原点位于飞船刹停时刻的“船头前方”1/a处
            式中±和轴的方向定义有关:①若希望t'轴指向未来,则t'式的±应取+。②建坐标系时尽量让事件都落在x'>0的区域,会使坐标变换的±更简单,故下文只讨论x'式的±为+的情况
            消参得飞船世界线为双曲线x'²-t'²=a⁻²
            (二)无数相对静止观者的运动方程
            正向推导有一定门槛,现直接给出结论并反向证明“符合条件的无数观者相对静止”
            假设惯性系S系{t',x'}的x'轴线t'=0上遍布无数观者,并假设过(0, L)的观者的世界线为x'²-t'²=L²,改写参数式则为t'=L·sinh(τ/L),x'=L·cosh(τ/L),该式也是此类世界线上任意点的坐标表达式。此外,对任意某条世界线,都有以下两点重要性质:
            ①任意一点到原点的距离不变。用S系的闵氏度规直接度量即可,结果就是L
            ②任意一点的瞬时同时线过原点。参数式求导可得4速Uᵃ,设同时线切矢Xᵃ与Uᵃ正交,可得Xᵃ=(sinh(τ/L) , cosh(τ/L)),对比点的坐标可发现,Xᵃ与4位移平行
            综上,任意观者均相对于原点事件保持恒定空间距离(即沿同时线的时空距离),故所有观者相对静止
            (三)建立飞船坐标系{t,x}
            令L=1/a,对应参数式恰为此前算出的飞船世界线,即此观者正是变速飞船,此无数相对静止观者组成的参考系正是变速飞船参考系
            给无数观者所能达到的所有时空点赋予坐标值:
            令不同位置观者对应的L值充当飞船系{t,x}的x值,可得坐标变换为x'²-t'²=x²
            令飞船观者的τ值充当{t,x}的t值,进一步得坐标变换t'=x·sinh(at),x'=x·cosh(at)
            该坐标系即rindler坐标系的主要写法之一


          IP属地:江苏来自Android客户端5楼2024-11-19 23:06
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            附一:积分计算线长的方法
              利用坐标变换,可将S系的闵氏线元变换成飞船系的rindler线元,即
              ds²=-a²x²dt²+dx²
              地球在S系{t',x'}静止,设世界线为t'=τ,x'=D,由上文坐标变换可得,地球世界线在飞船系{t,x}为:D=x·cosh(at),τ=x·sinh(at)
              即x=D/cosh(at),代入线元,于是有:
              点(-△T' , …)至(0, …)的线长=∫ √(-ds²)
            =∫ √(a²(D/ch)²dt²-dt²·a²D²sh²/ch⁴)
            =aD∫ sech²(at)·dt
            =D·tanh(at) [定积分-△T至0]
            =D·tanh(a△T )
              其中D就是上文已解出的x'ᴀ,因地球在S系{t',x'}静止,变速阶段初始点A的x'就是任意时刻的D,代入得:
            =(vT+1/a)cosh(-a△T)·tanh(a△T )
            =(vT+1/a)sinh(a△T)
              代入上文已解出的sinh(a△T)=γv,再取极限后即可得出一致结果


            IP属地:江苏来自Android客户端6楼2024-11-19 23:07
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              附二:关于飞船在一切参考系的绝对4加速
                飞船在地球系显然具有4加速,现计算飞船在变速阶段的飞船系是否具有4加速
                加速度=d²x/dt²,该公式在弯曲坐标系的版本如下:
              Aⁱ=d²xⁱ/dτ²+ ∑ⱼₖ Γⁱⱼₖ (dxʲ/dτ)(dxᵏ/dτ)
                其中x⁰代表t,x¹代表x
                Γⁱⱼₖ是和度规分量有关的函数,本坐标系非零项为Γ¹₀₀= a²x,Γ⁰₀₁=Γ⁰₁₀= 1/x
                飞船在飞船系运动方程x⁰=τ,x¹=1/a,代入4加速度公式后为:
              A⁰=0+2Γ⁰₀₁·1·0 =0
              A¹=0+Γ¹₀₀·1²  =1/x =a
                因此飞船4加速Aᵃ=(0,a) ,模长为a


              IP属地:江苏来自Android客户端7楼2024-11-19 23:07
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                附三:放弃闵氏几何,用З维表述推导坐标变换
                  分四步,新增的步骤命名为第零步
                  (零)证明质点在某惯性系S的a∥在该系的v时,质点在瞬静惯K的固有a₀=γ³a
                  设质点在S系{t,x}的速度函数为u(t),S系相对于K系{t',x'}的速度为常数-v,两速∥时质点在K的速度函数f(t)=[u(t)-v]/[1-u(t)·v]
                  a₀=df/dt'=(df/dt)(dt/dt')
                  其中df/dt=(1-v²)(du/dt)/[1-u(t)·v]²
                =a/γ²[1-u(t)·v]²
                  而关于dt和dt'谁慢,应注意到质点在S系dx=v·dt,而在K系dx'≈0,然后任选一系做洛伦兹变换,如dt=γ(dt'+v·0) =γdt'
                  又如dt'=γ(dt-vdx) =γ(1-v²)dt =dt/γ
                  全部代入得a₀=a/γ[1-u(t)·v]²,又因在本题讨论的事件处,速度函数u(t)的值为v,因此有a₀=a/γ(1-v²)²=γ³a


                IP属地:江苏来自Android客户端14楼2024-11-25 21:03
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                    (一)求固有3加速保持为a₀的飞船的位置函数x(t)
                    记惯性系S为{t,x},注意字母不带撇',和5楼用法相反,主要是为简洁,因为下面有很多计算的式子
                    dv/dt=a,又因为上文结论a₀=γ³a,即有dv/dt=a₀/γ³,但因γ是v的函数,不容易对t积分,故取倒数dt/dv=γ³/a₀,于是有:
                  t(v)=∫ (γ³/a₀)dv =a₀⁻¹∫ (1-v²)⁻¹·⁵dv
                  =a₀⁻¹v/√(1-v²)
                    反解出v=t/√(a₀⁻²+t²)
                    x(t)=∫ [t/√(a₀⁻²+t²)]dt =√(a₀⁻²+t²)
                    再求出固有时τ的函数,将变速过程微分成无数瞬间,记t时刻对应的瞬时惯性系为K,将dt用洛伦兹变换至K系后就是dτ
                    S系dt内飞船的位移dx=dt·t/√(a₀⁻²+t²)
                    K相对于S的速度是v=t/√(a₀⁻²+t²),对应的γ=1/√(1-v²) =a₀√(a₀⁻²+t²),于是有
                    dτ=γ(dt-v·dx)
                  =a₀√(a₀⁻²+t²)[dt-(t/√(a₀⁻²+t²))dt·t/√(a₀⁻²+t²)]
                  =1/√(1+a₀²t²)
                    因此τ(t)=∫ [1/√(1+a₀²t²)]·dt
                    =a₀⁻¹·arcsinh(a₀t)




                  IP属地:江苏来自Android客户端15楼2024-11-25 21:05
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                      (二)无数相对静止观者的运动方程
                      飞船在S中保持固有加速不变,那么飞船参考系中,与飞船相对静止的点,可合理猜测在S中也在做固有加速不变的变速运动
                      因此先给/猜出结论:符合条件的无数观者在S系位置函数为x(t)=√(a⁻²+t²)。再反向证明它们相对静止
                      求导得速度函数v(t)=t/√(a⁻²+t²),对应的γ(t)=a√(a⁻²+t²)
                      取任意a1观者的任意时刻t1,再取任意a2观者的某时刻t2,假定他们在a1观者看来同时。注意t2不任意,是a1、a2、t1的函数
                      两观者在S系的时间差△t=t2-t1,位置差△x=√(a2⁻²+t2²)-√(a1⁻²+t1²)
                      记a1观者在t1时刻的瞬时静止惯性系为K系{T',X'},运用洛变如下,注意v的取值为t1/√(a1⁻²+t1²),对应γ为a1√(a1⁻²+t1²)
                      △T'=γ·(△t-v·△x)
                    =a1·t2√(a1⁻²+t1²)-a1·t1√(a2⁻²+t2²)
                      △X'=γ·(△x-v·△t)
                    =a1[√(a1⁻²+t1²)√(a2⁻²+t2²)-a1⁻²-t1·t2]
                      因a1观者看两事件同时,即△T'应等于0,由此可解出t2关于a1、a2、t1的函数为t2=a1·t1/a2
                      代入△X'式得
                    △X'=a1[a2⁻¹(a1⁻¹+a1·t1²)-a1⁻²-a1·t1²/a2]
                      =a2⁻¹ - a1⁻¹
                      这是一个和t1无关的量,即保持固有a为任意a1的观者,在其任意瞬间,它测得和任意a2观者的空间距离为定值a2⁻¹ - a1⁻¹
                      因此所有观者在变速系相对静止,1/a代表了各自在变速系中的位置


                    IP属地:江苏来自Android客户端16楼2024-11-25 21:06
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                        (三)建立飞船坐标系{T,X}
                        可以很合理地将代表空间距离的1/a赋值为X,得到坐标变换为x²-t²=X²
                        当X 取1/a₀时,观者为飞船。飞船的τ值a₀⁻¹·arcsinh(a₀t),将飞船系中所有同一时刻的观者,在{T,X}中的时间坐标都标记成此值,即将该τ值赋予给T
                        再考虑任意位X处观者,若记1/X为a1,则它在S系{t,x}中的t时刻,与另一a2观者的t2=a1·t1/a2时刻同时,即与a2观者t/(X·a2)时刻同时
                        而当a2取a₀时,a2观者即飞船,飞船在t/(X·a₀)时的τ值代公式得a₀⁻¹·arcsinh(t/X),该值被赋予了X处观者在S系t时刻这一事件在飞船坐标系中的T值
                        即T=a₀⁻¹·arcsinh(t/X)
                        =a₀⁻¹·arcsinh(t/√(x²-t²))
                        =a₀⁻¹·arctanh(t/x)
                        最后可解出逆变换为:
                      t=X·sinh(a₀T)
                      x=X·cosh(a₀T)


                      IP属地:江苏来自Android客户端17楼2024-11-25 21:07
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