Университеты и ВУЗы Белгорода

Выше мы видели, что события, которые в одной инер­циальной системе происходят одновременно (но в разных точках пространства), не будут одновременными в другой инерциальной  системе.  Аналогично, события, происходящие в некоторой инерциальной системе в одной точке пространства (но в разные моменты времени), в другой инерциальной системе происходят в разных точках. На­пример, в опыте, описанном в предыдущем параграфе, наблюдатель, находящийся возле часов 5, скажет, что сигнал света вернулся обратно в то же место, из которого он был испущен. Движущийся же вместе с часами А и А\’ наблюдатель утверждает, что сигнал света был испущен от часов А, а вернулся к часам А\’ Этот наблюдатель считает, естественно, что сигнал света не вернулся в место, из которого вышел. В инерциальной системе часов В события (отправление и возвращение сигнала) происходили в одной и той же точке пространства, в системе часов А эти события совер­шались в разных точках. События, происходящие в неко-
торой инерциальной системе в одной точке пространства, в другой инерциальной системе происходят в разных точках.
Такая возможность пространственно разделить события переходом из одной инерциальной системы в другую была хорошо известна уже в классической механике. Так, например, если пассажир сидит в вагоне и курит, то он считает, что трубку он выкурил в одном и том же месте, в вагоне, а железнодорожники на станциях скажут другое: пассажир начал курить трубку на одной станции, а кончил курить на другой. Процесс курения проходил в одной точке пространства только относительно поезда, относительно же земной поверхности это было не так. Различие в выводах здесь легко понять. Пассажир для определения точек пространства использует в качестве тела отсчета поезд, железнодорожники — земную поверх­ность. Движение же поезда по земле приводит к пространственному разделению относительно земной поверх­ности событий, происшедших в поезде в одном месте.

Для   наблюдателя   на   земной   поверхности   время  в поезде течет медленнее, чем время на земной поверх­ности. Для наблюдателя в поезде, наоборот, время на зем­ле течет медленнее времени в поезде. В кажущейся про­тиворечивости этих выводов выражается закон природы, согласно которому скорость течения времени не является абсолютным понятием. О скорости течения времени в за­данной инерциальной системе можно говорить только тог­да, когда фиксирована другая система, относительно кото-
рой мы эту скорость измеряем. В этом отношении ско­рость течения времени сходна со скоростью движения тела в пространстве. О скорости тела тоже можно гово­рить только тогда, когда указывается- система отсчета, относительно которой измеряется скорость. Говоря о ско­рости, всегда нужно указывать, скорость какого тела мы имеем в виду и относительно какой системы отсчета мы ее измеряем.  Говоря о времени, также всегда следует  указывать, время какой инерциальной системы мы рас­сматриваем и относительно какой инерциальной системы мы измеряем это время.

Увлекшись интересным делом или читая заниматель­ную книгу, мы порою не замечаем, как летит время; когда же занимаемся скучным делом, время тянется долго. Одна­ко каждому ясно, что в этом повинно не действительное физическое время, а только наше субъективное ощущение времени. Как же обстоит дело с физическим временем, ка­кова скорость его течения? Велика она или мала? Более тщательное рассмотрение показывает, что ответить на этот вопрос невозможно, точно так же как человеку, находя­щемуся в изолированном помещении, невозможно решить, верно ли идут его единственные часы. О ходе часов можно судить, сравнивая их с какими-нибудь другими часами. О скорости течения времени можно судить, лишь сравни­вая его с течением какого-то другого времени.

Пусть во дворе мальчишки играют в футбол. Удар … и раздается звон разбитого стекла. Ясно, что предстоит серьезный разговор. А может быть, мальчишкам удаст­ся избежать неприятности, если они умело используют законы природы? Вот один из юных футболистов объясня­ет пострадавшему, что тот ошибается: окно разбили не они. Пусть он об этом спросит у только что пролетавшего над двором летчика, который может подтвердить, что сна­чала разбилось окно, а только потом мальчик ударил по мячу.
Мысль сама по себе остроумная: взять в свидетели человека, который наблюдал за событиями, будучи в дру­гой инерциальной системе. Может быть, действительно, в системе отсчета самолета события происходили в обрат­ном порядке? К сожалению, такая надежда не осуществи­ма. Удар мальчика по мячу и его попадание в окно мя­чом — такие события, временную последовательность ко­торых никак нельзя изменить, независимо от того, в какой бы системе мы их ни рассматривали.

В повседневной жизни мы имеем дело с небольшими скоростями и считаем скорость света бесконечно большой (практически ошибка при этом исключительно мала). А это значит, что в этом случае на практике мы можем считать одновременность событий абсолютным понятием, не зависящим от выбора инерциальной системы. В слу­чае же больших скоростей при оценке одновременности событий необходимо проявить большую осторожность. Рассмотрим такой пример.
Пусть в двух пунктах, отстающих друг от друга на расстоянии 3 000 км, производятся два взрыва. Наблюда­тель, находящийся на расстоянии 1500 км от обоих пунк­тов, будет утверждать, что оба взрыва произошли одновре­менно. А что скажет об этих взрывах летчик, который ле­тит по направлению от одного пункта к другому? Прежде всего он отметит, что в пункте, лежащем в направлении полета, взрыв произойдет раньше, чем взрыв в другом пункте. Промежуток времени t между взрывами при этом будет зависеть от скорости самолета ѵ. Какова эта зависи­мость, видно из приведенных ниже данных:

В повседневной жизни особый интерес представляет временная последовательность событий. Нам всегда важно знать, что произошло раньше, а что позже. Что скажет нам об этой проблеме теория относительности?
Вообразим, например, что в двух городах, скажем, в Таллине и в Тарту происходят два события, пусть это будут два удара молнии. Зададим вопрос: «Появилась ли
молния в Тарту в тот же самый момент, что и в Таллине, или нет?»
Ответить на этот вопрос можно только в том случае, если и в Таллине, и в Тарту зафиксировали время вспы­шек этих молний. Разумеется, при этом необходимо, чтобы часы были синхронными, т. е. они должны показывать од­но и то же время. Обычно проверка часов производится но сигналам точного времени, передаваемым по радио. Зна­чит, если утром по сигналу времени из Москвы ж в Тарту и в Таллине часы были поставлены правильно и если во время вспышек молнии часы на тартуской ратуше показы­вали столько же, сколько на таллинской, то можно сказать, что эти события были одновременными.
Внимательный читатель заметит, однако, что такой кри­терий одновременности еще не точен. Мы знаем, что Тарту расположен ближе к Москве, чем Таллин. Это значит, что сигнал из Москвы приходит в Тарту раньше, чем в Таллин. Часы в Тарту будут несколько спешить по сравнению с таллинскими. Конечно, разница будет ничтожно мала (около 0,0005 сек), но, рассуждая принципиально, ее нель­зя оставить без внимания. Для точной синхронизации часов в Таллине и в Тарту сигналы времени должны посылаться из пункта, расположенного на равных расстояниях от обо­их городов. Далее, мы должны быть уверены, что часы, по­ставленные утром по сигналам точного времени, в течение всего дня идут синхронно.

Специальный принцип относительности и релятивист­ский закон сложения скоростей (или вытекающий из него факт, что скорость света во всех инерциальных «системах равна с) — два краеугольных камня специальной теории относительности. Исходя из этих положений, мы можем теперь приступить к обсуждению различных конкретных проблем. Рассмотрим прежде всего вопрос о фантастиче­ском полете на космическом корабле, скорость которого больше скорости света, о чем шла речь в начале книги.
Человек совершенно свободно может переносить, на­пример, непрерывное ускорение 14 м/сек² (при таком уско­рении изменение скорости за час будет равно 50 км/сек). Если бы действовал классический закон сложения скоро­стей, как мы предполагали в начале книги, то намечен­ный полет был бы вполне осуществим. Каждый час корабль увеличивал бы скорость на 50 км/сек, это значит, что уже через 6 000 часов была бы достигнута скорость света. Пос­ле 250 дней полета световому лучу не удалось бы опере­дить нас. На самом деле все обстоит иначе.

Установлением нового принципа относительности бы­ло пройдено только полпути в создании специальной тео­рии относительности. Если остановиться на этом, то все недоразумения по-прежнему останутся, они только из­менят свою форму. Результат опыта Майкельсона — Мор­ли теперь формально понятен: он находится в согласии с новым принципом относительности, но по существу все-таки ведет к противоречиям.
Опыт Майкельсона — Морли показывает, что положе­ние «скорость света в пустоте независимо от направления равна с должно иметь место во всех инерциальных си­стемах. Что же мы имеем в действительности? Класси­ческий закон сложения скоростей,: если скорость света в одной инерциальной системе равна с, то в инерциальной системе, движущейся относительно первой со скоростью ѵ, его скорость будет с+v. Здесь налицо очевидное противо­речие со специальным принципом относительности, вы­текающим из опыта Майкельсона — Морли, который утверждает, что во всех инерциальных системах скорость света должна быть равна с. Новый принцип относительности противоречит старому закону сложения скоростей. Один из них должен оказаться неверным.Установлением нового принципа относительности бы­ло пройдено только полпути в создании специальной тео­рии относительности. Если остановиться на этом, то все недоразумения по-прежнему останутся, они только из­менят свою форму. Результат опыта Майкельсона — Мор­ли теперь формально понятен: он находится в согласии с новым принципом относительности, но по существу все-таки ведет к противоречиям.
Опыт Майкельсона — Морли показывает, что положе­ние «скорость света в пустоте независимо от направления равна с должно иметь место во всех инерциальных си­стемах. Что же мы имеем в действительности? Класси­ческий закон сложения скоростей,: если скорость света в одной инерциальной системе равна с, то в инерциальной системе, движущейся относительно первой со скоростью ѵ, его скорость будет с+v. Здесь налицо очевидное противо­речие со специальным принципом относительности, вы­текающим из опыта Майкельсона — Морли, который утверждает, что во всех инерциальных системах скорость света должна быть равна с. Новый принцип относительности противоречит старому закону сложения скоростей. Один из них должен оказаться неверным.

Можно представить себе разочарование читателя, за­кончившего предыдущую главу. Целая глава была посвя­щена поискам системы отсчета, в которой скорость света независимо от направления была бы с, и все безрезуль­татно. Надеялись связать эту систему с источником све­та — не удалось. Явление годичной аберрации звезд под­тверждает, что среда, в которой свет распространяется, также не является искомой системой. Результат опыта можно объяснить только с помощью гипотезы мирового эфира, но это объяснение противоречит опыту Майкельсона — Морли. Опыт Майкельсона — Морли говорит, что скорость света относительно Земли по всем направлениям одинакова. Так как Земля не находится в предпочтитель­ном положении по отношению к другим телам Вселенной, то безразлично, относительно чего измерять скорость све­та в вакууме; в результате мы всегда будем иметь с. Однако это кажется абсурдом! Вы сидите, например, в космическом корабле, мчащемся к Солнцу, и получаете при измерении скорости света, идущего от Солнца, то же самое число, как и на Земле.
Однако рассудительные читатели могут сказать: «Не беда, что все запутано. Большая часть книги еще впере­ди, может быть, там все постепенно и выяснится». Дейст­вительно, здесь, как и при чтении увлекательного романа, нетерпеливый читатель может заглянуть в конец книги, если не хватает терпения ждать развязки. А что должны были чувствовать ученые, которые сами ставили эти опы­ты? Им неоткуда было узнать окончательный ответ. Что­бы разрешить эту проблему, делались различные предпо­ложения. Эксперименты ставились один за другим, а труд­ности не исчезали. Результат опыта Майкельсона — Мор­ли окончательно запутал проблему. Теперь даже не знали, за что взяться. Опыт повторяли неоднократно, все увели­чивая точность измерений. Но опыты все с большей и большей точностью подтверждали, что скорость света от­носительно Земли одинакова по всем направлениям.