Одночасність подій
Зіставлення координат тіла і показань годин – ключовий момент. Тут ми підходимо до найважливішого поняттю одночасності подій. Перш за все, процитуємо Ейнштейна.
Ми повинні звернути увагу на те, що всі наші судження, в яких час грає якусь роль, завжди є судженнями про одновременнно подіях. Якщо я, наприклад, кажу: “Цей поїзд прибуває сюди в 7:00”, – то це означає приблизно наступне: “Вказівки маленької стрілки моїх годин на 7:00 і прибуття поїзда суть одночасні події”.
(А. Ейнштейн. “До електродинаміки рухомих тіл”.)
Що таке одночасність в класичній механіці? Питання, здавалося б, ясний: події є одночасними, якщо вони відбуваються в один і той же момент часу по годинах спостерігача. Відзначимо тут два істотні моменти.
– Неважливо, чи відбуваються дані події в одній точці простору чи у різних точках. У класичній механіці ми спокійно говоримо про одночасності просторово розділених подій.
– Поняття одночасності має абсолютний сенс: дві події, одночасні в одній системі відліку, будуть одночасними і в будь-який інший системі відліку. У всіх інер-ціальних системах відліку час тече однаково – це виражається рівністю t ‘= t в перетвореннях Галілея.
Таке розуміння одночасності, проте, носить інтуїтивний характер. І, що зовсім погано, воно базується на припущенні про миттєвості передачі взаємодій.
Справді, якщо сигнали від подій, що відбуваються в різних точках простору, досягають спостерігача миттєво, то яка йому різниця, наскільки велика відстань між цими подіями? Ніякої затримки в приході сигналів адже не буде. Точно так само неістотно і те, спочиває чи спостерігач або рухається – раз сигнали поширюються з нескінченною швидкістю, події будуть здаватися спостерігачеві одночасними незалежно від факту його руху.
Але насправді швидкість сигналу є кінцевою і не може перевищувати швидкість світла у вакуумі. Тим самим наше інтуїтивне розуміння одночасності просторово розділених подій опиняється некоректним. Адже якщо ми, тримаючи в руках секундомір, фіксуємо по ньому час настання оточуючих подій і намагаємося судити про їх одночасності, то нам доведеться рахуватися із затримками приходу сигналів з різних точок простору. Більш того, ці затримки можуть надаватися різними в залежності від того, чи перебуваємо ми в спочиваючої системі відліку або в рухомій.
Що ж виходить – поняття одночасності взагалі втрачає сенс? Виявляється, ні! Ейнштейн запропонував чітку програму подолання зазначених труднощів. Суть її полягає в наступному: якщо вже все виявляється так погано при вимірюванні часу по одним-єдиним годинах спостерігача, то давайте використовувати багато синхронно йдуть годин, розставлених в різних точках простору. Дві події будуть вважатися одночасними, якщо збігаються показання годинників, розташованих у тих точках, де відбулися події. А тепер – докладніше і по пунктах.
1. Нехай в деякій точці простору є годинник. Якщо в цій точці відбувається подія, то наші годинники показують час даної події. Таким чином, якщо в цій самій точці відбуваються дві події, то ми завжди можемо сказати, одночасні вони чи ні – просто порівнявши показання наших годин в моменти настання подій.
Отже, з визначенням одночасності подій, що відбуваються в одній точці простору, проблем немає.
2. Для визначення поняття одночасності просторово розділених подій нам знадобиться багато однакових годин, розставлених в просторі досить часто. Кожні годинники показують час подій, що відбуваються в тій точці, де ці години розташовані.
Щоб була можливість судити про одночасності подій, що відбуваються в різних точках простору, всі ці годинник повинні йти синхронно, т. Е. Показувати одне і той же час. Але виникає природне запитання: а як цього домогтися? Яким чином можна провести синхронізацію годин?
3. Щоб синхронізувати годинник, розташовані в різних точках простору, Ейнштейн запропонував використовувати світлові сигнали.
Нехай у точках A і B є годинник. Припустимо, що з точки A в точку B надсилається світловий сигнал, який відбивається в точці B і повертається назад в A.
Нехай в момент відправлення сигналу годинник A показували ti, а в момент повернення сигналу показання тих же годин A дорівнюють t2.
5. Може виникнути таке запитання: а навіщо взагалі використовувати якісь світлові сигнали? Давайте спочатку помістимо два годинники в точку A, поставимо їх однаково, а потім перенесемо одні з цих годин в точку B. Ось і вийде пара синхронізованих годин в двох різних точках A і B!
Біда полягає в тому, що такий спосіб не узгоджується з правилом Ейнштейна. Якщо в точці B вже є годинник, синхронізовані за правилом Ейнштейна з годинником A, то перенесені з A годинник покаже в точці B час менше, ніж перші. При цьому перенесені годинник буде відставати тим більше, чим з більшою швидкістю вони рухалися! Про це свідчить досвід, і ми скоро зрозуміємо, чому так виходить.
Так що альтернативи правилом Ейнштейна немає: воно є простим, природним і призводить до стрункої теорії, прекрасно узгоджується з експериментом.
6. За правилом Ейнштейна ми можемо синхронізувати будь-яку пару годин. Але чи є це правило несуперечливим? А саме, якщо ми синхронізували зазначеним способом спочатку годинник A і B, а потім години B і C, то чи виявляться при цьому синхронізованими годинник A і C?
Хотілося б думати, що так, проте з правила Ейнштейна це логічно не слід (як, втім, не слід і відповідь “ні”). Ейнштейн постулював несуперечність свого правила: так, годинник A і C виявляться при цьому синхронізованими. Даний постулат узгоджується з експериментом; прийняття цього постулату не веде надалі до суперечностей в теорії.
7. Отже, ми отримали релятивістську систему відліку з великою кількістю годин. Всі годинники йдуть узгоджено, вони синхронізовані за правилом Ейнштейна. Час кожної події (місцевий час) вимірюється по годинах, розташованим в тому місці, де подія здійснилося.
Тепер можна дати визначення одночасності подій.
Два просторово розділених події в даній системі відліку вважаються одночасними, якщо при настанні цих подій збігаються показання годинників, розташованих у тих точках, де події відбулися.
Можна запам’ятати коротшу формулювання: події одночасні, якщо їх місцеві часи збігаються.
Як бачимо, існування максимальної швидкості поширення сигналів веде до корінного перегляду наших повсякденних уявлень про простір і час. Виявилося, наприклад, що поняття одночасності подій потребує строгого визначенні. Дане визначення є несуперечливим, узгоджується з досвідом і призводить до наслідків, вельми несподіваним з повсякденним точки зору.
Так, поняття одночасності, а також величини проміжків часу і відстаней між точками втрачають свій абсолютний характер і стають відносними, тобто залежними від вибору тієї чи іншої системи відліку.
(2 votes, average: 4.50 out of 5)