Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
16
I. ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
Одновременность событий и синхронизация часов. Что значит измерить промежуток времени между событиями? Это значит сравнить между собой показания выбранных в качестве эталона часов в моменты наступления этих событий. А для этого нужно установить одновременность рассматриваемого события с другим событием — прохождением стрелки часов через определенное деление. Таким образом, все наши суждения, в которых время играет какую-либо роль, всегда являются суждениями об одновременных событиях.
Понятие одновременности событий, происходящих в одном и том же месте, «рядом», не нуждается в определении. Поэтому для измерения промежутка времени между двумя событиями, происходящими в одном месте, достаточно иметь в этом же месте часы. Но как быть с «удаленными» событиями, происходящими в разных местах? Для измерения промежутка времени между такими событиями нужно иметь в тех точках, где они происходят, синхронно идущие идентичные часы.
Но как узнать, что находящиеся в различных точках А и В часы идут синхронно, или, что то же самое, как узнать, что два определенных события в точках А и В происходят одновременно? Узнать это нельзя, нужно сначала дать определение, что такое одновременность для пространственно удаленных точек. Без такого определения невозможно сравнивать по времени события, происходящие в различных точках.
Эйнштейновское определение одновременности основано на независимости скорости сигнала, распространяющегося с предельной скоростью, от направления. Пусть из точки А в момент времени по часам А отправляется сигнал (рис. 2). Пусть время прихода
сигнала в В и отражения назад на часах В есть i. Наконец, пусть отраженный сигнал приходит в А в момент t2 по часам А, Тогда по определению часы в А и В идут синхронно, если t = (tL + t2)/2.
Как уже отмечалось, в нерелятивистской физике принималось как нечто само собой разумеющееся существование единого мирового времени, не зависящего от системы отсчета, и поэтому неявно допускалось, что понятие одновременности в разных точках пространства не нуждается в определении, а любой способ синхронизации часов (путем световых сигналов или путем перевозки хронометров) должен
§ 2. РЕЛЯТИВИСТСКАЯ КИНЕМАТИКА
17
дать одно и то же. Мы увидим, что на самом деле это не так. Если часы в В синхронизированы с часами в Ас помощью световых сигналов, и хронометр С, сверенный с часами в точке А, перевозится затем в точку В, то его показания в точке В не совпадут с показаниями находящихся там часов, а будут зависеть от скорости перевозки. Совпадение будет лишь при бесконечно малой скорости перевозки хронометра.
Измерение расстояний. Операцию измерения расстояний с точки зрения постулатов теории относительности наиболее разумно определить на основе «радиолокационного» способа: из некоторого пункта посылаются световые или радиосигналы, которые после отражения от наблюдаемого предмета возвращаются в точку отправления. При этом измеряется время прохождения сигнала туда и обратно по часам, связанным с радиолокатором. Расстояние до предмета получают, умножая одинаковую по всем направлениям скорость сигнала на половину времени прохождения: I = c(t2 — tt)/2.
В принципиальном отношении этот способ важен потому, что в нем измерение расстояний сводится к измерению времени и отпадает необходимость в отдельном эталоне длины.
Радиолокационный способ измерения расстояний не является единственно возможным: можно было бы по определению в качестве измерительной процедуры принять способ непосредственного наложения жестких масштабов (линеек) или способ триангуляции. Однако эти способы менее удовлетворительны, так как существенно опираются на свойства твердых тел. Но абсолютно твердых тел в природе не существует, реальные физические тела лишь приближенно могут рассматриваться как твердые и обладающие неизменными геометрическими размерами.
Относительность одновременности событий. До сих пор наши рассуждения относились к какой-либо одной инерциальной системе отсчета. Будем теперь рассматривать события, промежутки времени и расстояния с точки зрения разных систем отсчета.
В нерелятивистской физике время является абсолютным: для всех систем отсчета вводится одно и то же время. Это значит, что если два события происходят одновременно для какого-нибудь наблюдателя, то они являются одновременными и для любого другого: понятие одновременности является абсолютным, не зависящим от системы отсчета. Однако утверждение об абсолютном характере одновременности основано на предположении о существовании сигналов, распространяющихся мгновенно, с бесконечно большой скоростью.
Покажем, что второй постулат теории относительности, утверждающий существование предельной конечной скорости сигналов, выражает относительный характер одновременности. Утверждение, что два пространственно удаленных события происходят одновременно, приобретает смысл только тогда, когда указано, к какой системе отсчета это утверждение относится.
18
I. ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
