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目标公式:

地面系:d=vt=vγτμ 子系:=0γ

适用范围/假设:

  • 惯性系(地面近似为惯性系;μ 子匀速直线飞行,v=const)。
  • γ 因子 γ=11v2/c2 不在此自证——Formelnheft S. 5 直接给出,考场可直接引用。
  • τ=2,2 μs 是平均寿命(指数衰变的平均值),下面的计算把它当"典型寿命"用——这是一个统计近似,结论(经典彻底失败、相对论自洽)不受影响。
  • ★ 真题相关:Naturphänomene 卷(宇宙射线/μ 子佯谬)。

用到的公式

公式名称Formelnheft
γ=11v2/c2Gamma-Faktor✅ S. 5 („γ=1/1v2/c2")
t=t0γZeitdilatation(时间膨胀)✅ S. 5 („Zeitdilatation t=t0γ")
=01γLängenkontraktion(长度收缩)✅ S. 5 („Längenkontraktion l=l0(1/γ)")
v=st匀速运动定义❌ 不在 Formelnheft——基本定义,考场需自己写出
c=2,9979108 m/sLichtgeschwindigkeit(光速)✅ S. 1(常数表)

推导(Schritt für Schritt)

第 0 步——经典矛盾(为什么需要相对论)

  1. 经典最大射程=最大可能速度 × 寿命。没有什么比光快,故 vcdmax=cτ
  2. 代入数字c3108 m/s,τ=2,2106 s):dmax3108 ms2,2106 s660 m
  3. μ 子在 h20 km 高空产生:660 m20 km——经典上 μ 子永远到不了地面。可我们在地面却大量测到它们 → 经典物理在此彻底失败(不是差一点:经典上能到达的份额只有 e20000/6601013)。

途径 A——时间膨胀(地面系视角)

  1. 识别固有时间(Eigenzeit)。 寿命 τ=2,2 μs 是 μ 子用自己的钟测得的——钟相对 μ 子静止,所以 τ 就是 Formelnheft 公式里的 t0(固有时间)。
  2. 套用 Zeitdilatation(S. 5)。 在地面系看,运动的钟走得慢,μ 子"活"的时间被拉长为t=γτ
  3. γv=0,9995c):v2c2=0,99952=0,99900025,1v2c2=9,9975104γ=19,9975104=10,03161931,6(讲义口径取整说"约 32 倍"——同一数值,仅舍入不同。)
  4. 拉长后的寿命:t=γτ31,62,2 μs69,6 μs
  5. 飞行距离(匀速 d=vt):d=vγτ0,99952,9979108 ms6,96105 s2,086104 m21 km
  6. 结论 A: 21 km  20 km ✓ —— 在地面系看,μ 子因时间膨胀"活"得足够久,能从产生高度走到地面。

途径 B——长度收缩(μ 子系视角)

  1. μ 子自己毫无察觉。 在它自己的系里,寿命就是 τ=2,2 μs——没有变长。
  2. 识别静止长度。 20 km 大气层厚度是在大气静止的系(地面系)里测得的——这是 Formelnheft 里的 0
  3. 套用 Längenkontraktion(S. 5)。 对 μ 子而言,大气迎面运动,因此被缩短:=0γ=20000 m31,6630 m
  4. μ 子寿命内能走的路程:vτ0,99952,9979108 ms2,2106 s659 m660 m
  5. 结论 B: 630 m  660 m ✓ —— 在 μ 子系看,要穿越的大气只剩约 630 m,它短暂的寿命刚好够用。

第 3 步——两视角对照=相对论的自洽性

时间距离结论
地面系(途径 A)被拉长:γτ69,6 μs原长 20 km到达 ✓
μ 子系(途径 B)原寿命 τ=2,2 μs被缩短:20 km/γ630 m到达 ✓

两个参考系对可观测事实(μ 子到达地面)给出同一结论——一方眼里被拉长的时间,正是另一方眼里被缩短的距离(二者都由同一个 γ 联系)。这正是狭义相对论的自洽性:物理结论不依赖于参考系的选择。

写法提醒: 课堂笔记把公式写成 tb=tr1v2/c2(移项形式、下标命名不同),与 Formelnheft 的 t=t0γ同一个公式;内容不变:运动的钟显示更少的时间。

变量表

符号含义SI 单位
τ=t0μ 子平均寿命=固有时间(Eigenzeit,随动钟测得)s(2,2106 s)
t地面系测得的(被拉长的)寿命s
γ洛伦兹因子(Gamma-Faktor)—(无量纲,此处 31,6
vμ 子速度(0,9995cm/s
c真空光速 =2,9979108(Formelnheft S. 1)m/s
d地面系中的飞行距离m
0静止长度(大气厚度 20 km,地面系测得)m
μ 子系中(被缩短的)大气厚度m

关联