Развитие теорий в физике

Однако вернемся к ситуации встречи космических кораблей в далеком космосе. У обеих команд есть единственный способ узнать, как распространяется в пространстве свет от произведенной при встрече кораблей вспышки ? это использовать удаленные от корабля отражатели (зеркала). Представим Мысленный эксперимент продолжается! - прим перев., что один из кораблей оснащен такими отражателями ("габаритами"), вынесенными на одинаковое (и очень большое!) расстояние вперед и назад по отношению к кораблю.

Если вспышка одновременно достигает зеркал, и отраженным сигналам требуется одинаковое время, чтобы вернуться на корабль, то это неоспоримо доказывает, что корабль находится в центре "световой сферы"

? для неподвижного корабля это более чем очевидно.

Будем также считать, корабль, оснащенный зеркалами, при встрече обгоняет другой, и именно в этот момент происходит "салют". На "быстрый зеркалоносец" вспышки салюта, отраженные от двух неподвижных и симметрично расположенных относительно корабля отражателей, вернутся одновременно. Более того, располагая необходимым фото- оборудованием, наблюдатели с этого корабля могут, в принципе, запечатлеть на снимке одновременное (для них) отражение вспышки от двух зеркал. Всё это позволяет им утверждать, что именно их "зеркалоносец" находится в центре "световой сферы".

Однако и команда другого корабля имеет право на свою интерпретацию происходящих событий -это продолжение мысленного эксперимента и последовательное применение принципа относительности - прим перев. . Они видят, что обгоняющий их корабль и его "габариты" (отражатели) проносится мимо них с большой, почти световой, скоростью. Согласно постулату Эйнштейна, свету, распространяющемуся вперед по отношению к движению кораблей, потребуется большее время для того, чтобы догнать "передний" отражатель, удаляющийся вместе с обгоняющим кораблем. Однако возвращение отраженного от переднего отражателя сигнала займет меньшее время, поскольку их корабль движется навстречу отраженной вспышке. Также для них очевидно, что заднего отражателя свет от "салюта", достигнет за меньшее время, но для возвращения на корабль этому сигналу потребуется большее время, так как отраженная вспышка догоняет судно.

Команда "медленного" корабля не может во всех деталях повторить наблюдения своих "конкурентов" (по условию мысленного эксперимента этот корабль не оснащен отражателями). Однако, для того, чтобы отстоять своё место в центре "световой сферы", они могут с борта своего корабля наблюдать и обсуждать эксперименты своих соперников, а также подвергать сомнению и критике их выводы. Так, например, наблюдая за отражениями вспышки света, они согласятся с тем, что сигналы от отражателей возвращаются на "зеркалоносец" одновременно. Более того, с помощью несложных алгебраических выкладок они даже смогут доказать, что суммарное время путешествия света "туда" (к отражателю) и "обратно" (на "зеркалоносец") одинаково для обоих отражателей. Однако они будут категорически отрицать, что вспышка "салюта", достигает зеркал одновременно! Таким образом, команда "медленного" корабля подтвердит, что вспышки от отражателей возвращаются на "зеркалоносец" одновременно, но не станет рассматривать это как доказательство того, что именно их конкуренты занимают центр "световой сферы"!

Каждая команда вполне резонно отстаивает свою интерпретацию событий. Так как в физической теории нет кого-То Современная физическая теория не отвергает альтернативные (мифологические или же теократические) теории устройства окружающего нас мира, но ожидает от них экспериментально проверяемых выводов! - прим перев., кто способен узнать, что случается в двух разных местах одновременно, то невозможно сказать, какая из команд ошибается в своих выводах. Каждая команда адекватно описывает происходящие события, и, следовательно, каждая из них права. Этот, на первый взгляд, шокирующий обыденное сознание вывод, является одним из проявлений дуализма В физике, в отличие от материалистической философии, дуализм (т.е. двойственность) не ведёт теорию в тупик а, наоборот, способствует её развитию. Ещё более яркий физический пример ? корпускулярно- волновой дуализм ? ожидает нас впереди- прим перев. современной физики. Если принять, что понятие одновременности носит не абсолютный (одинаковый для всех наблюдателей), а относительный (связанный с конкретным наблюдателем) характер, то постулат Эйнштейна о постоянстве скорости света ничуть не противоречит наблюдениям и выводам обеих команд!

В заключение заметим, что расширяющаяся "световая сфера" является не более чем научной абстракцией. Никто (если исключить из рассмотрения НЕЧТО и кого-То ) не может объективно зафиксировать геометрическое место точек, до которых дошел свет от вспышки в данный момент времени. Это геометрическое место может только быть восстановлено (реконструировано) по результатам наблюдения отраженных сигналов с учётом того, когда эти сигналы были отражены. В следующем разделе нам предстоит убедиться, что даже такая интуитивно понятная величина как размер (например, длина) реально существующего объекта тоже является научной абстракцией.

8.3 "Резиновый" трамвай

Здесь мы рассмотрим один из самых любимых примеров Эйнштейна ? измерение длины движущегося поезда. Сам Эйнштейн неоднократно утверждал, что этот мысленный эксперимент он обдумывал во время поездок на трамвае, который вез его по улицам Берна на работу в патентное бюро. Конечно, в мысленном эксперименте трамвай начала ХХ века уступит место сверхбыстрому экспрессу, движущемуся со скоростью, близкой к скорости света.

Пусть на крайних точках этого движущегося объекта ("в голове" и в "хвосте" -если использовать отечественную железнодорожную терминологию - прим перев. экспресса) находятся два проводника -это тоже железнодорожная терминология, а не указание на то, что эти объекты способны проводить электрический ток - прим перев., а ровно посередине между ними (то есть в центре поезда) размещен источник света, вспышка от которого одинаково хорошо видна обоим проводникам. По сигналу этой вспышки оба проводника одновременно сбрасывают одинаковые маркеры (например двухпудовые, или даже стопудовые гири) на полотно железной дороги, а затем начальник поезда просит по радиосвязи ("по мобильнику") неподвижных наблюдателей (обходчиков железнодорожного пути) измерить расстояние между упавшими маркерами, с тем, чтобы от них узнать, какова длина движущегося поезда. - у пассажиров сверхбыстрого экспресса могут быть свои причуды, ? они хотят сравнить измеренную ими длину своего поезда (например, с помощью рулетки) с наблюдениями неподвижных наблюдателей - прим перев.

Однако, неподвижные наблюдатели (обходчики пути), измерив расстояние между упавшими с поезда маркерами, не согласятся с тем, что эта величина характеризует длину движущегося поезда! Действительно, для них, проводник в "хвосте" экспресса двигался навстречу сигнальной вспышке света, и, следовательно, увидел её раньше, чем его коллега "в голове" поезда, удаляющийся от вспышки. Для неподвижных наблюдателей, это означает, что после того, как был сброшен маркер "хвоста" экспресса, поезд ещё какое-то время двигался вперёд, и только после того, как свет сигнальной вспышки света достиг "головы" поезда, был сброшен второй маркер. Следовательно, расстояние между маркерами, упавшими на полотно, больше, чем длина движущегося поезда, а сам поезд короче, чем расстояние между упавшими с него маркерами!

В этом примере мы опять сталкиваемся с явно выраженным дуализмом мнений вполне объективных наблюдателей, которые последовательно придерживаются постулата о постоянстве скорости света. Каждая точка зрения не противоречит постулату Эйнштейна и есть только один выход из этой ситуации ? признать, что если измеряемый объект движется, то его длина оказывается меньше, чем при измерениях того же объекта в состоянии покоя.

Именно этим Эйнштейн и объяснил в своей теории Лоренцово сокращение длины движущегося объекта - в физике начала ХХ века Лоренцово сокращение длины движущегося объекта теоретически допускалось, но рассматривалось как своего рода парадокс, или даже как противоречие в физической теории - прим перев.. Более того, как мы увидим в следующей главе, возможно и количественное (то есть математически строгое) объяснение сокращения длины движущегося объекта. Важно отметить, что Лоренц рассматривал этот эффект как реальное сокращение длины движущегося объекта, в то время как Эйнштейн считал его объективно существующим, но кажущимся эффектом, возникающим из-за того, что принципиально невозможно однозначно определить, когда и где локализованы в пространстве крайние точки движущегося объекта. Эта невозможность не является проявлением специфических недостатков того метода измерения длины двигающегося поезда, который был описан выше. Другой метод измерения длины двигающегося объекта будет использован в следующей главе, но и там мы получим аналогичный результат: сокращение длины движущегося объекта является следствием невозможности однозначно зафиксировать положение движущегося объекта в пространстве-времени.

Важно ещё раз обратить внимание на то, что в теории Эйнштейна, в отличие от представлений Лоренца, который допускал реальное сокращение длины движущихся объектов, движущийся наблюдатель не может определить, (и тем более измерить!) сокращение длины своего транспортного средства. Сокращение длины реально обнаруживается не им самим, а другим, неподвижным наблюдателем.

И теперь вывод, который нам предстоит обсудить:

любое твердое тело, представляет собой не меньшую абстракцию, чем расширяющаяся световая сфера, рассмотренная в предыдущем разделе.

Действительно, никто не может одновременно изучать и познавать все свойства и все характеристики объекта в целом. Если Вы, например, стоите в конце поезда, та Ваша информация о событиях в остальной части этого поезда несколько неактуальна ? она устарела, как минимум, на то время, которое требуется световому сигналу об этом событии, для того, чтобы достигнуть Ваших глаз. В обыденных ситуациях (скорость поезда гораздо меньше скорости света) это не создает никаких проблем ? вы вполне сможете адекватно прореагировать на появление бригады контролеров- ревизоров в соседнем вагоне, на возникшую в связи с этим там драку и т.д. - прим перев.. Однако, если скорость движения становится сравнимой со скоростью света, то именно эта устарелость информации об удаленных событиях приводит к кажущемуся нарушению привычной логики развития событий.

Следует также заметить, что наша интуитивная вера в реальность существования твёрдых материальных тел и незыблемость их свойств (например, их геометрических размеров) основана исключительно на том, что в нашем повседневном опыте нет материальных объектов движение которых происходило бы со скоростями, сравнимыми со скоростью света.

Эйнштейн использовал этот пример ("трамвай из Берна") и для того, чтобы сделать важный вывод о ходе движущихся часов. Предположим ? мысленный эксперимент продолжается всё дальше и дальше! - прим перев., что проводники, находящиеся а "в голове" и в "хвосте" экспресса, использовали световой сигнал из центра поезда не только для сбрасывания маркеров, но и для синхронизации своих часов. (Во времена Эйнштейна швейцарские железнодорожные проводники славились тем, что они используют самые точные часы в мире!). Наблюдатели "с земли" могут резонно заметить, что часы в "хвосте" поезда были установлены первыми, и поэтому их показания несколько опережают показания часов "головного" наблюдателя.

Чтобы проверить это, позволим проводникам встретиться "в голове" движущегося поезда и сравнить показания их часов. Постулат Эйнштейна гарантирует, что часы обоих проводников были установлены правильно, а если часы действительно швейцарские, то при встрече проводников они покажут одно и то же время. Сравнение показаний часов двух проводников происходит в одном и том же месте, так что и учёт временной задержки здесь неуместен. Наблюдатели "с земли" должны согласиться, что в этот момент часы обоих проводников показывают одинаковое ("правильное") время. Однако, они могут справедливо отразить в своих наблюдениях, что перенос часов из "хвоста" поезда в его "голову" привел к "потере времени" или же ? что полностью соответствует современной терминологии ? к "замедлению хода движущихся часов". Это, конечно, снимает остроту ситуации, но вызывает законный вопрос - а почему это происходит?

Ответ Эйнштейна, как и основной постулат теории относительности предельно прост: да, действительно, для неподвижных наблюдателей движущиеся часы идут медленнее. Пока проводник (вместе со своими часами) перемещается из "хвоста" в "голову" поезда, скорость его движения больше, чем скорость самого поезда. По этой причине неподвижные наблюдатели могут утверждать, что всё это время часы этого проводника работают медленнее, и, именно из-за этого совпадают показания часов в момент встречи проводников. В следующем разделе мы попытаемся разобраться, почему это происходит, то есть из-за чего, по какой причине движущиеся часы замедляют свой ход.

8.4 О взаимности чувств и наблюдений

Приводимый ниже пример (ещё один мысленный эксперимент) позволит нам обобщить и закрепить те основные представления теории Эйнштейна, с которыми мы уже успели познакомиться. Важно обратить внимание на то, что во всех рассмотренных выше примерах разногласия между наблюдателями носят совершенно симметричный характер: Каждый наблюдатель вполне резонно считает, что именно он при проведении любого из рассмотренных выше мысленных экспериментов находится в покое. Поэтому, выслушав и проанализировав вполне объективные и разумные аргументы своего оппонента, он может, в свою очередь, предъявить ему такой же набор своих наблюдений и аргументов.

Чтобы сделать ещё более очевидным симметричный характер всех релятивистских эффектов, рассмотрим два полностью идентичных поезда, которые движутся навстречу друг другу по параллельным железнодорожным путям. Пусть ровно посередине каждого поезда находится неподвижный наблюдатель, (проводник), оснащенный часами. Ещё две пары аналогичных по конструкции часов закреплены на концах ("в голове" и "в хвосте") каждого экспресса. В пределах каждого поезда часы строго синхронизированы между собой. При встрече поездов, в тот момент, когда проводники находятся прямо напротив друг друга, каждый из них может сделать В условиях мысленного эксперимента скорость реакции и ум каждого проводника находятся на высочайшем уровне! - прим перев. следующие наблюдения:

1. Другой поезд короче.

2. Часы "в голове" другого поезда отстают.

3. Часы "в хвосте" другого поезда спешат.

4. Все часы на другом поезде идут медленнее.

Если внимательно сопоставить наблюдения проводников. то разногласия между ними не выглядят столь уж противоречивыми. Так, например, оба они согласятся, что при сравнении показаний часов, показанных в левой части рисунка, часы поезда B опережают показания часов поезда A. а на правой части рисунка часы поезда B отстают от показания часов поезда A - прим перев. Они будут спорить лишь о том, показания каких часов совпадают с показаниями их часов!

Более того, разногласия в наблюдениях проводников ещё более теряют свою остроту, если учесть, что, каждый из них, привязанный к центру своего поезда, не может увидеть всего того, что изображено на рисунке. Это вызвано тем, что световому сигналу требуется время, чтобы достигнуть центра поезда. Чтобы сделать обоснованное утверждение о том, где именно в момент, изображенный на рисунке, находится конец каждого поезда, и что показывают каждые часы в этот момент, каждый из проводников обязан в соответствии с постулатом Эйнштейна- прим перев. учитывать временную задержку светового сигнала. И вот именно в том, насколько велика эта временная задержка, мнения наблюдателей и расходятся.

Чтобы пояснить это, сконцентрируем своё внимание на часах в левом (по рисунку) конце поезда A, и будем считать, что они одинаково хорошо видны обоим наблюдателям. В момент, показанный на рисунке, они оба смотрят на одни и те же часы в одно и то же время. Наблюдатели должны согласиться, с тем, что получают не "горячую", а несколько "остывшую" (за время распространения светового сигнала) информацию о показаниях этих часов. Насколько запаздывает световой сигнал? Проводник поезда A совершенно справедливо рассматривает эти часы неподвижными и считает, что величина задержки равна времени, которое требуется свету, для того, чтобы преодолеть половину длины поезда. Проводник поезда B, со своей стороны, справедливо утверждает, что часы поезда A удаляются от него. Он резонно настаивает на том, что полученная им информация о показаниях часов поезда A начала распространяться в тот миг, когда эти часы находились от него на меньшем, чем половина длины поезда, расстоянии. Таким образом, для него и поправка, учитывающая запаздывание информации о событиях "в голове" поезда A (то есть время распространения светового сигнала) должна быть меньше. С учётом своей () поправки проводник поезда A придет к заключению, что показания часов "в голове" поезда A совпадают с показаниями часов, находящихся в центре каждого поезда. Проводник же поезда B , используя меньшую временную поправку, придет к заключению, что часы, находящиеся "в голове" поезда A отстают от часов, находящихся в центре каждого поезда.

Что ещё должны отметить в своих наблюдениях и выводах проводники, когда оба они смотрят на "голову" поезда A в момент, показанный на рисунке? ? Парадоксальный, но одинаковый для них обоих факт: полностью идентичные (по условию мысленного эксперимента) поезда имеют разную длину, так как в момент наблюдения концы поездов не совпадают!

Проводник на поезде A вполне чётко осознает, что длительность его временной поправки () вполне позволяет "хвосту" движущегося поезда B миновать "голову" поезда A и тем самым, приблизиться к нему (проводнику) на расстояние меньшее, чем . Наблюдатель же поезда B, как мы уже говорили, использует при анализе событий "в голове" поезда A, меньшую по величине временную поправку. Из-за этого "голова" чужого поезда для него ближе, чем "хвост" своего, B , поезда. Таким образом, именно разногласия о величине временной задержки светового сигнала приводят к тому, что каждый наблюдатель считает свой поезд длиннее другого.

8.5 Парадокс гаража

галилей аристотель электрический

Этот заключительный, и довольно забавный пример, показывает, что, хотя сокращение длины движущегося объекта и является в действительности только кажущимся, этот специфический эффект ни в коем случае нельзя рассматривать просто как иллюзию или же как обман зрения.

Вообразим себе автомобильный гараж (или даже скорее бокс), в котором передняя и задняя двери "умеют" мгновенно распахиваться во всю ширь, и также мгновенно закрываться. Представим и автомобиль, длина которого слегка превышает длину гаража. Никому не удастся загнать такой автомобиль в гараж, и плотно закрыть за ним обе двери!

Посмотрим (это продолжение мысленного эксперимента), что происходит, когда водитель автомобиля, двигающегося со скоростью, составляющей 50?60% от скорости света -бессмысленно искать подобные автомобили в автосалонах, но в мысленных экспериментах они могут использоваться. - прим перев. решит проехать через гараж. При такой скорости автомобиля неподвижные наблюдатели (сторож или автомеханик) должны отчетливо наблюдать сокращение его длины. Значит, они могут, в принципе, зафиксировать такое положение автомобиля, когда он целиком находится внутри гаража, за его закрытыми дверями. Поясним подробнее: задняя дверь гаража открывается, автомобиль, не снижая скорости, продолжает своё движение, и, ещё до того, как передний бампер "укороченного" автомобиля достигнет передней двери, задняя дверь гаража закрывается. Катастрофы не происходит - "умная" передняя дверь вовремя успевает выпустить автомобиль!

C учетом "взаимности чувств и наблюдений", рассмотренных в предыдущем разделе, отважный водитель этого автомобиля, считает что не его автомобиль, а гараж, сокращает свою длину - и это совершенно справедливо - прим перев.. С его точки зрения, он может проскочить (без аварии) гараж только в том случае, если обе двери гаража открыты! Здравый смысл подсказывает, что только одна точка зрения является правильной? или может движущийся автомобиль находиться в какой то момент в пределах закрытого гаража, или же нет.

Концепции теории относительности заставляют признать, что однозначного ответа на этот вопрос не существует. Дело в том, что каждый наблюдатель по- своему воспринимает последовательность открывания и закрывания дверей гаража

Действительно, сторож в условиях мысленного эксперимента вполне адекватен (трезв), и абсолютно уверен, что именно в таком порядке открывались - закрывались двери гаража, но и водитель, благополучно преодолевший пределы гаража, уверен, что обе двери были открыты одновременно. Снова, как и в примере с идентичными поездами из предыдущего раздела, наблюдения кажутся противоречивыми, но если учесть, что именно видят наблюдатели в тот момент, когда оба они находятся в центре гаража - сторож для безопасности может забраться на крышу или же устроить себе “насест” под потолком гаража - прим перев/, то всё встает на места. Ведь в этот момент оба они видят одну и ту же картину: передняя дверь закрыта, а задняя ? открыта. Оба они, однако, учитывают временную задержку светового сигнала и сознают, что видимая ими картина соответствует более раннему положению вещей и событий.

Сторож гаража утверждает, что длительность его временнуй задержки достаточна для того, чтобы задняя дверь успела закрыться за движущемся автомобилем, но слишком мала для того, чтобы передний бампер "укороченного" автомобиля достиг передней двери гаража, которая, следовательно, так и остается закрытой. Водитель же, учитывая свои временные поправки настаивает, на том, что обе двери гаража в этот момент открыты. Это разногласие наблюдателей вполне объяснимо: ведь водитель рассматривает гараж как движущийся объект и справедливо считает, что световому сигналу от передней двери гаража нужно большее, чем сигналу от задней двери гаража время, чтобы достичь его глаз.

Рассмотренный пример ни в коей мере не должен вызывать впечатление, что эффект сокращения длины движущегося объекта является просто иллюзией, Необходимо подчеркнуть, что человек в гараже во всех своих практических действиях и поступках может руководствоваться тем, что длина движущегося автомобиля реально сократилась. Так, например, он может, основываясь только на своих наблюдениях, вручную (отключив автоматику открывания-закрывания дверей гаража), открывать и закрывать для движущегося автомобиля двери гаража в описанной выше последовательности. При этом он не услышит ни скрежета железа ни негодующих комментариев водителя.

Этот пример наглядно иллюстрирует, что разногласия по поводу временнуй последовательности происходящих событий неизбежно ведут к различной интерпретации пространственных отношений объектов. Таким образом, все рассмотренные в этой главе примеры, указывает на тесную (можно даже сказать интимную) связь пространства и времени, что и является наиболее поразительной чертой теории относительности.

Размещено на Allbest.ru