Время и современная физика - Зайцева Г.А.
Скачать (прямая ссылка):
Время и теория относительности
Какой точный смысл имеет следующее утверждение: два события А и В происходят одновременно, одно — на Земле, а другое — на удаленной звезде, скажем на Сириусе?
Дорелятивистского физика этот вопрос совсем не затруднил бы. Он сразу же ответил бы: одновременность двух событий означает, что они происходят в один и тот же момент времени. Тот факт, что одно из событий происходит на Земле, а другое на Сириусе, не имеет никакого значения.
1 Имеется в виду время, определенное исходя из допущения о равномерном вращении Земли вокруг своей оси,— Прим. ред.
142
Этот ответ на первый взгляд кажется простым и очевидным, однако, если разобраться глубже, окажется, что его трудно обосновать. В нем неявно предполагается существование универсального абсолютного времени, одинакового для Сириуса и для Земли; только при этом условии приобретает смысл выражение «в один и тот же момент времени». Для дорелятивистского физика постулат об универсальном времени казался совершенно очевидным, поэтому в данном вопросе для него не существовало никакой трудности.
Однако, для того чтобы такой ответ был с точки зрения физика приемлем, нужно его обосновать не только словами. Утверждая, что события А и В одновременны, необходимо указать на способ, который позволил, хотя бы теоретически, проверить такую одновременность. Если отказаться от первого постулата об универсальном характере времени, то способ проверки превратится в определение одновременности. Однако, хотя легко обнаружить одновременность двух событий, происходящих в одном и том же месте, этого уже нельзя сказать о событиях, совершающихся в очень удаленных точках.
Анализ этой проблемы приводит к выводу, что для ее решения необходимо воспользоваться, например, световыми сигналами. Наблюдатели в точках А и В могут обмениваться такими сигналами между собой, а если потребуется, то и с третьим наблюдателем, находящимся вне точек А и В. Но такие сигналы распространяются с конечной скоростью, равной скорости распространения света (предположение о существовании сигналов, распространяющихся мгновенно, недопустимо). Возникает новая серьезная трудность: определение одновременности должно зависеть от скорости света, а также от скоростей систем отсчета, с которыми связаны события А и В.
Представитель классической физики попытался бы обойти эту трудность с помощью понятия абсолютной скорости. Знание абсолютных скоростей рассматриваемых тел (точек А, В и скорости распространения света) позволило бы ему с помощью несложных выкладок обосновать понятие абсолютной одновременности и получить простое определение, о котором говорилось выше.
Подобного рода взгляды господствовали в конце XIX века, когда были поставлены знаменитые опыты Майкельсона и Морли. Основная идея опытов заключа-
143
лась в следующем. По отношению к пространству, которое в то время считалось заполненным электромагнитным эфиром, свет распространяется с постоянной скоростью с. В данный момент Земля движется по отношению к этому пространству со скоростью и. Считалось, что скорость распространения луча света будет заключена в пределах от c-\-v до с—V и должна зависеть от направления относительного перемещения луча, поэтому время распространения между двумя частями оптической установки в каждом из этих случаев должно быть различно; если такое различие удастся обнаружить с помощью явлений интерференции, то появится средство для определения абсолютной скорости Земли в пространстве.
Однако опыты, повторявшиеся много раз лучшими экспериментаторами того времени, неизменно приводили к отрицательному результату. Оказалось, что нельзя обнаружить движение Земли по отношению к пространству, даже если последовательные измерения производить с интервалами в шесть месяцев. Это такой промежуток времени, когда направление перемещения Земли по отношению к пространству меняется на противоположное, и, если исходить из обычных методов, скорость З'емли должна измениться на 60 километров в секунду.
Перед физиками возникли большие трудности, и потребовался гений Эйнштейна, чтобы указать выход из тупика. Эйнштейн показал, что абсурдные выводы получаются лишь в том случае, если принять неявные постулаты о существовании абсолютного пространства и абсолютного времени. Что доказывает отрицательный результат опытов Майкельсона и Морли? Фактически он устанавливает лишь независимость скорости распространения света в пустоте от того, в какой галилеевой системе отсчета определяется эта скорость. Если отказаться от понятия абсолютного времени, этот опытный результат, возведенный специальной теорией относительности в принцип, будет полностью совместим с определением времени в классической механике, в которой основные законы динамики предполагаются инвариантными по отношению к переходу от одной галилеевой системы отсчета к другой произвольной галилеевой системе. Развитие теории, таким образом, показало, что время может определяться лишь локально: оно зависит от состояния движения и от положения часов по отношению к наблюдателю.
14 4
В частности, замедление течения времени в движущейся системе отсчета для наблюдателя, связанного с неподвижной относительно него системой отсчета, характеризуется множителем 1—и2/с2, где V — скорость системы относительно наблюдателя, а с — скорость света. Для движущихся тел, с которыми нам приходится иметь дело в обыденной жизни, отношением и2/с2 всегда можно пренебречь, однако оно становится значительным для элементарных частиц, скорость которых приближается к скорости света,— оказывается, процесс замедления времени можно проверить на опыте.
